懸挑鋼罩棚同步等距離分級實(shí)時(shí)監(jiān)測卸載施工技術(shù)

胡燕林 胥 鵬 沈 培 劉雅靜

中建一局集團(tuán)第一建筑有限公司 上海 201103

臨時(shí)支撐是大型懸挑鋼結(jié)構(gòu)支撐系統(tǒng)中常用的一種支撐體系，在鋼結(jié)構(gòu)安裝焊接完畢后，其卸載一直是大型懸挑鋼結(jié)構(gòu)施工中的重點(diǎn)與難點(diǎn)。臨時(shí)支撐的卸載過程既是拆除支撐的過程，又是懸挑鋼結(jié)構(gòu)自身結(jié)構(gòu)體系受力狀態(tài)逐步轉(zhuǎn)換的過程，卸載時(shí)懸挑結(jié)構(gòu)桿件的內(nèi)力和臨時(shí)支撐的受力均會隨著卸載過程逐步產(chǎn)生變化。卸載過程既要施工方便，也要確保結(jié)構(gòu)安全，更不能改變設(shè)計(jì)意圖，懸挑結(jié)構(gòu)桿件力學(xué)性能的變化對卸載的安全性具有較大影響[1]。

1 工程概況

儋州市體育中心“一場兩館”項(xiàng)目（圖1）位于儋州市那大鎮(zhèn)，鋼結(jié)構(gòu)工程主要分3個(gè)部分，即體育場、體育館、游泳館。

圖1 儋州市體育中心“一場兩館”項(xiàng)目整體效果圖

其中，體育場鋼結(jié)構(gòu)位于整個(gè)場地的東北側(cè)，建筑面積為59 189.52 m2，座席數(shù)為3萬座。主體結(jié)構(gòu)采用框架結(jié)構(gòu)，建筑局部采用雙首層設(shè)計(jì)，地上共4層。體育場罩棚外輪廓呈橢圓形，東西寬224 m，南北長263 m（圖2），鋼結(jié)構(gòu)上弦中心線最高點(diǎn)標(biāo)高為44.05 m。鋼結(jié)構(gòu)采用徑向懸挑主桁架＋環(huán)向次桁架＋系桿＋水平支撐結(jié)構(gòu)體系。其中，徑向主桁架采用了平面片桁架結(jié)構(gòu)，沿主桁架面外間隔布置環(huán)向片桁架，節(jié)間較大處設(shè)環(huán)向系桿，懸挑前端沿環(huán)向設(shè)三角桁架，增加環(huán)向剛度，協(xié)調(diào)懸挑端部位移的不均勻性。為提高屋面的整體剛度和穩(wěn)定性，屋面沿柱網(wǎng)采用一跨一撐的方式分別設(shè)置了里圈支撐和外圈支撐，最小管徑φ180 mm×6 mm，最大管徑φ600 mm×25 mm，主要材質(zhì)Q355B，鋼結(jié)構(gòu)總質(zhì)量約5 025 t。

圖2 體育場鋼結(jié)構(gòu)罩棚示意

2 臨時(shí)支撐設(shè)計(jì)與卸載施工工藝

2.1 臨時(shí)支撐設(shè)置

2.1.1 臨時(shí)支撐分布

在體育場鋼罩棚安裝過程中，臨時(shí)支撐作為桁架分塊安裝的臨時(shí)措施，對鋼屋蓋整體形成穩(wěn)固、準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)形式起到很大的作用。

因此，要做好臨時(shí)支撐的加工、安裝工作。體育場共72榀主桁架，每榀桁架有2個(gè)支撐點(diǎn)，整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)臨時(shí)支撐體系由內(nèi)圈支撐點(diǎn)（1#）72個(gè)與外圈支撐點(diǎn)（2#）72個(gè)組成，共144個(gè)支撐點(diǎn)。

2.1.2 臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)形式

看臺臨時(shí)支撐落在場內(nèi)看臺板上（圖3），單個(gè)臨時(shí)支撐采用截面為1 800 mm×1 800 mm的塔吊標(biāo)準(zhǔn)節(jié)，立桿為180 mm×180 mm×12 mm的角鋼。臨時(shí)支撐間采用M30的螺桿連接固定。

圖3 臨時(shí)支撐示意

2.1.3 臨時(shí)支撐上部結(jié)構(gòu)

臨時(shí)支撐上部設(shè)置由H型鋼焊接組成的田字格平臺（圖4），卸載裝置固定于田字格上。

圖4 田字格與卸載裝置示意

2.1.4 臨時(shí)支撐底部結(jié)構(gòu)

臨時(shí)支撐底部與看臺結(jié)構(gòu)通過H488 mm×300 mm×11 mm×18 mm的轉(zhuǎn)換梁與結(jié)構(gòu)預(yù)設(shè)埋件焊接連接固定。

2.1.5 臨時(shí)支撐纜風(fēng)繩設(shè)置

纜風(fēng)繩選取公稱抗拉強(qiáng)度1 960 N/mm2的φ18 mm公稱直徑鋼絲繩，滿足其承載力要求。體育場場地內(nèi)共計(jì)33處在場芯錨點(diǎn)采用1 000 mm×1 000 mm×2 000 mm的混凝土壓重錨，預(yù)設(shè)吊環(huán)，上部回填200 mm厚土。其余看臺結(jié)構(gòu)部位采用后置埋件焊接吊耳。

2.1.6 局部轉(zhuǎn)換梁底部斜梁回頂措施

經(jīng)承載力計(jì)算，體育場共計(jì)8處斜梁需進(jìn)行鋼支撐回頂，部分首吊位置考慮不利工況，對其使用H型鋼（488 mm×300 mm×11 mm×18 mm）回頂（圖5）。

圖5 回頂剖面示意

2.1.7 實(shí)施流程

1）對斜梁與地梁進(jìn)行打孔（避開鋼筋，孔徑22 mm）、清孔、植筋工作（植螺桿）。

2）后置埋件根據(jù)斜梁、地梁打孔情況進(jìn)行打孔、安裝并固定（螺母固定，方便拆除）。

3）安裝H型鋼并采用千斤頂回頂后焊接。

2.2 卸載施工技術(shù)

2.2.1 卸載前提

1）對已完成的結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)收，構(gòu)件安裝、焊接、高強(qiáng)螺栓等質(zhì)量達(dá)到規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。

2）卸載前的結(jié)構(gòu)標(biāo)高值符合設(shè)計(jì)要求。

3）明確卸載撓度的監(jiān)測點(diǎn)位置，并記錄卸載前監(jiān)測點(diǎn)標(biāo)高的初始值。

4）監(jiān)測設(shè)備按監(jiān)測方案安裝完成，可以在鋼結(jié)構(gòu)卸載過程中滿足實(shí)時(shí)監(jiān)測的要求并可以提出卸載建議。

2.2.2 卸載總體思路

根據(jù)體育場鋼結(jié)構(gòu)整體卸載過程計(jì)算結(jié)果分析，確定最優(yōu)的卸載方式為從短軸方向開始，4個(gè)方向同時(shí)進(jìn)行卸載（圖6）?？傮w分6大施工步，每個(gè)施工步又分4～18個(gè)施工子步；第1施工大步為對外圈72個(gè)1#支撐進(jìn)行分區(qū)整體卸載（此時(shí)不對內(nèi)圈2#支撐進(jìn)行卸載），卸載至脫離主桁架后直接拆除各1#支撐；第2～6施工大步為對2#支撐進(jìn)行分區(qū)整體卸載，每步卸載10 mm，部分支撐卸載至第2大步結(jié)束后開始脫離主桁架，但為保證卸載整體變形均勻，對所有已經(jīng)脫離桁架的支撐不進(jìn)行拆除，繼續(xù)保留至第6施工大步，最后再整體卸載10 mm。此時(shí)，所有內(nèi)圈72個(gè)支撐整體脫離主桁架，再將各2#支撐拆除。

圖6 144個(gè)支撐點(diǎn)卸載方向示意

2.2.3 卸載施工仿真計(jì)算

采用Sap2000進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模，模型如圖7所示。桁架桿件采用梁單元模擬，支撐采用GAP單元模擬，GAP單元設(shè)置為只壓不拉；約束支座處對應(yīng)節(jié)點(diǎn)各向平動自由度；通過GAP單元下節(jié)點(diǎn)發(fā)生強(qiáng)迫位移模擬卸載過程，與卸載方案對應(yīng)，每級發(fā)生10 mm節(jié)點(diǎn)位移，達(dá)到卸載總量后刪除對應(yīng)GAP單元，模擬支撐移除。GAP單元的軸向剛度等于支撐的軸向剛度；利用支撐模型計(jì)算得到支撐1#的軸向剛度為1.23×104mm/N，支撐2#的軸向剛度為1.16×104mm/N。

圖7 結(jié)構(gòu)模型示意

卸載過程驗(yàn)算表明，結(jié)構(gòu)在卸載過程中最大位移為64.0 mm＜290.4 mm；構(gòu)件最大應(yīng)力為79.0 MPa，最大應(yīng)力比為0.27＜1.00。結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)在卸載過程中的內(nèi)力、變形均滿足要求。

2.2.4 卸載流程

安排4個(gè)小組分別從短軸開始，按卸載4個(gè)分區(qū)同步向4個(gè)方向作業(yè)。每個(gè)小組氣割工人通過爬梯到達(dá)支撐處，然后聽從指揮依據(jù)每個(gè)施工大步的施工小步順序，切割桁架下的定位板10 mm，當(dāng)切割至第2大步完成后，部分桁架脫離支撐，保留已脫離桁架支撐直至第6施工大步再整體卸載10 mm，使整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)整體脫離支撐，變形均勻。

1）橫刀板兩側(cè)千斤頂就位：在橫刀板底部田字格上彈出千斤頂定位十字線，使橫刀板中心線與千斤頂中心位置一致，將千斤頂放在橫刀板兩側(cè)十字線的中心并進(jìn)行固定。

2）千斤頂提升至橫刀板下底面：將千斤頂施壓，使其頂部緩慢勻速上升，當(dāng)千斤頂頂部剛好與橫刀板接觸時(shí)，停止施壓。

3）橫刀板左側(cè)及右側(cè)切割10 mm：在橫刀板底部支撐圓管上彈好10 mm刻度控制線，并做好標(biāo)識，按10 mm標(biāo)識線使用氧氣切割圓管，嚴(yán)禁少割或者多割。

4）千斤頂下降使橫刀板接觸底部圓管立柱：千斤頂緩慢勻速下降，使橫刀板與底部支撐圓管接觸，此時(shí)橫刀板與底部支撐圓管重新與主桁架形成支撐關(guān)系。

5）移動千斤頂至下個(gè)支撐點(diǎn)：按第1～6施工大步卸載順序表，將千斤頂移動至下一個(gè)支撐田字格上，重復(fù)1～4施工步驟，直至外圈72個(gè)1#支撐和內(nèi)圈72個(gè)2#支撐全部與主桁架脫離，支撐卸載完成。

3 監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)置

1）根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果選取關(guān)鍵構(gòu)件與臨時(shí)支撐，監(jiān)測構(gòu)件內(nèi)力、應(yīng)力與位移。監(jiān)測設(shè)備在地面桁架拼裝完畢后進(jìn)行安裝調(diào)整，確認(rèn)各個(gè)設(shè)備正常運(yùn)行后再進(jìn)行吊裝，桁架吊裝完成后開始進(jìn)行持續(xù)性監(jiān)測，直至卸載完成。

2）監(jiān)測系統(tǒng)主要由傳感器、采集箱、服務(wù)器組成，傳感器實(shí)時(shí)收到數(shù)據(jù)后傳送給采集箱，采集箱通過自帶的網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)椒?wù)器中，服務(wù)器對收集到的現(xiàn)場數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)的各預(yù)警閾值進(jìn)行比較，如果達(dá)到某個(gè)預(yù)警階段的閾值，將進(jìn)行預(yù)警提示。

3）傳感器焊接安裝過程中不應(yīng)通過焊接電流，焊接點(diǎn)與元件之間采用絕緣材料隔絕熱交換，避免過熱導(dǎo)致傳感器損壞。采用蓄電池與市電雙線供電，避免監(jiān)測過程中因停電導(dǎo)致的監(jiān)測失效。安裝完成后對每個(gè)傳感器元件的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)試，確保整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)工作性能正常，數(shù)據(jù)傳輸可靠。

3.2 監(jiān)測系統(tǒng)的工作方式

當(dāng)結(jié)構(gòu)卸載正式開始時(shí)，后臺監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)時(shí)提供現(xiàn)場監(jiān)測對象的受力狀態(tài)，保證結(jié)構(gòu)在卸載過程中受力狀態(tài)的轉(zhuǎn)變處于可控范圍內(nèi)。直觀精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)展示確保了卸載工作的安全，當(dāng)監(jiān)測對象的受力狀態(tài)超過某個(gè)評估等級預(yù)警閾值時(shí)，監(jiān)測系統(tǒng)立即觸發(fā)響應(yīng)，預(yù)警信息在系統(tǒng)界面和相關(guān)人員手機(jī)上發(fā)布，第一時(shí)間保證現(xiàn)場卸載作業(yè)能夠及時(shí)做出對應(yīng)的行為響應(yīng)。

3.3 施工計(jì)算與卸載對比分析

本工程施工模擬計(jì)算最大位移為64 mm，實(shí)際卸載位移為69 mm，施工模擬計(jì)算結(jié)果接近。結(jié)構(gòu)桿件和臨時(shí)支撐在卸載過程中受力變化均勻，監(jiān)測系統(tǒng)在卸載施工過程中為施工實(shí)時(shí)提供結(jié)構(gòu)受力變化數(shù)據(jù)，為卸載施工安全提供了可靠保障。

4 結(jié)語

本工程在鋼結(jié)構(gòu)罩棚卸載前對整體卸載過程進(jìn)行計(jì)算結(jié)果分析，確定最優(yōu)的卸載方法。監(jiān)測系統(tǒng)在鋼結(jié)構(gòu)施工階段安裝調(diào)試完畢，對卸載前的整體結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行評估，為卸載前提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支撐。卸載時(shí)通過監(jiān)測系統(tǒng)對卸載過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，同時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的數(shù)據(jù)與卸載時(shí)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較、評估。當(dāng)實(shí)際數(shù)據(jù)超過預(yù)警值時(shí)系統(tǒng)立即發(fā)出報(bào)警，現(xiàn)場卸載實(shí)施人員根據(jù)報(bào)警等級進(jìn)行對應(yīng)的行為響應(yīng)。相比以往人工監(jiān)測，監(jiān)測系統(tǒng)更加直觀、精準(zhǔn)、實(shí)時(shí)地反映出結(jié)構(gòu)與支撐在卸載時(shí)受力的變化，為卸載提供安全保障。卸載后監(jiān)測系統(tǒng)可以繼續(xù)監(jiān)測至結(jié)構(gòu)穩(wěn)定階段，節(jié)省后續(xù)監(jiān)測的資源投入。