大跨度異形裝飾鋼桁架分區同步與非同步結合的統籌卸載技術

梁 軍

上海建工七建集團有限公司 上海 200050

1 工程概況

上海市靜安區體育中心工程總用地面積61 733.8 m2，總建筑面積71 291.17 m2，地上建筑面積44 880.91 m2，地下建筑面積26 410.26 m2（圖1）。

圖1 靜安體育中心工程效果圖

工程主要由4個單位工程組成：A樓、B樓、地下室和配套輔助用房。其中，體育中心由A樓、B樓及地下室組成，A樓為二類高層，B樓為多層建筑，兩樓地下室連通，在地上通過連廊連通。

整個體育場館西半側屋頂景觀裝飾為外框鋼桁架結構，該部分結構由外圍鋼管柱和屋頂鋼桁架組成，覆蓋范圍為214 m×99 m，鋼結構頂部高度32～42 m不等。主要受力鋼構件包括焊接矩形管、焊接圓鋼管、熱軋無縫鋼管、熱軋矩形管，鋼材均采用Q345B。鋼桁架構件尺寸為□60 mm×4 mm～□180 mm×300 mm×35 mm×30 mm、φ89 mm×4 mm～φ500 mm×35 mm，總用鋼量約2 700 t（圖2、圖3）。

圖2 裝飾鋼桁架結構整體三維BIM模型

圖3 部分桁架構件三維BIM模型

2 鋼結構工程特點和施工難點

平面投影呈半圓形的外框裝飾鋼桁架吊裝和卸載施工難度極高。裝飾構架覆蓋整個體育館A樓，懸挑部位延伸至B樓屋頂足球場上空，南北向最大跨度214 m，東西向最大跨度99 m。大跨鋼構架采用雙向平面桁架結構體系，整個鋼架支承在三部分豎向構件上：外圍弧形區域混凝土-鋼柱、體育館柱頂伸出鋼柱和分叉鋼支撐、半圓形兩端2個分叉柱。在空間上與體育館脫離無附庸，而在視覺效果上環抱體育館。同時，為達到經濟性效果，設計鋼構件單肢截面尺寸相對整個體系而言較小，施工前的策劃和過程中的控制對項目實施至關重要。

外框裝飾桁架整體具有大位移非線性效應，卸載結束后的結構形態對使用過程中的受力具有一定的影響[1-2]，因此結構形態和構成對卸載精度要求較高，卸載難度大，卸載過程中結構受力狀態復雜且轉換次數多，從而必須著重思忖結構體系在實施各階段的整體和局部穩定性。通過理論建模和精細計算，對鋼結構體系的卸載過程進行深入研究和探索，將分區同步卸載和非同步卸載相結合，具體細化至倒三角桁架（環形、南北）、徑向桁架、懸挑桁架等各個施工節點的工況，確保整個卸載過程安全可控。

3 卸載施工原則和流程

3.1 卸載前的結構狀態

1）所有鋼柱、環形主桁架、南北向主桁架安裝完成。

3）圖4中的陰影區域內為2條施工縫，施工縫處次桁架、連系桿待徑向桁架卸載完成后安裝（為減少大面積平面桁架卸載不均衡性和相互牽制作用）。

圖4 外框裝飾鋼架卸載前結構施工狀態

4）外框斜柱臨時支撐全部卸載并拆除。

3.2 卸載準備工作

1）完成卸載區域內所有主體結構的安裝、焊接并且探傷合格。

3）檢查所有塔架支撐纜風繩是否拉緊。

4）完成同步卸載支撐點位節點加固。

5）完成局部腹桿加固。

6）完成局部支撐下方混凝土結構加固措施。

3.3 卸載施工原則

先分區非同步跳幫卸載徑向桁架，然后同步卸載環形主桁架。桁架卸載點位支撐按照“多次循環、微量下降”的原則，使用氧氣割刀切割的方法進行卸載。

徑向桁架卸載流程為：跳幫卸載非同步卸載點位的所有臨時支撐→徑向桁架分3塊區域依次同步卸載→安裝施工縫內次桁架及連系桿件。

環形主桁架卸載流程為：非同步卸載點位支撐卸載→同步卸載點位三角桁架外側上弦桿對應支撐拆除→環形主桁架同步卸載。

4 卸載分區及分區內同步與非同步卸載理論分析

4.1 卸載點位分區

圖5 卸載分區平面布置

圖6 1區同步卸載點位布置

圖7 2區同步卸載點位布置

圖8 3區同步卸載點位布置

圖9 環形主桁架同步卸載點位布置

4.2 非同步卸載點位支撐卸載理論分析

1區的跳幫卸載支撐點位中，對應徑向桁架計算豎向變形最大理論值7.96 mm；2區的跳幫卸載支撐點位中，對應徑向桁架計算豎向變形最大理論值8.51 mm；3區的跳幫卸載支撐點位中，對應徑向桁架計算豎向變形最大理論值6.37 mm。卸載時直接采用氣割的方式分1～2次卸載到位。

環形主桁架南北兩側混凝土柱之間臨時支撐卸載后對應主桁架豎向變形最大理論值為7.93 mm，水平位移最大理論值為45.61 mm。卸載時直接采用氣割的方式分1～2次卸載到位，首次卸載量控制在5 mm，第2次為10 mm。

主桁架東北側端頭懸挑段倒三角桁架豎向變形最大理論值為50.15 mm，水平位移最大理論值為41.21 mm。卸載時直接采用氣割的方式分1～4次卸載到位，首次卸載量控制在5 mm，第2次為10 mm，第3次開始為20 mm。

4.3 同步卸載點位支撐卸載理論分析

1區的同步卸載支撐點位中，對應徑向桁架豎向變形最大理論值106.89 mm，卸載時直接采用氣割的方式分級卸載，初次卸載量控制在5 mm，第2次為10 mm，第3次開始為20 mm；水平方向變形最大理論值為17.66 mm，通過支撐與千斤頂之間的置換過程來消耗水平位移量。

2區的同步卸載支撐點位中，對應徑向桁架豎向變形最大理論值105.64 mm，卸載時直接采用氣割分級卸載，卸載量和層級基本同1區；水平方向變形最大理論值12.32 mm，通過支撐與千斤頂之間的置換過程來消耗水平位移量。

3區的同步卸載支撐點位中，對應徑向桁架豎向變形最大值108.39 mm，卸載時直接采用氣割分級卸載，卸載量和層級基本同1區；水平方向變形最大理論值5.98 mm，通過支撐與千斤頂之間的置換過程來消耗水平位移量。

環形主桁架同步卸載點位支撐共計10個，其中豎向變形最大理論值為152.82 mm，水平位置最大理論值為34.72 mm。第1輪同步卸載先將中間區域7#、8#、9#、10#支撐卸載10 mm，隨后南北兩側區域4#、5#、6#、11#、12#、13#支撐卸載10 mm；第2輪同步卸載同第1輪流程，卸載量同為10 mm；第3輪開始10個點位同步卸載，每次卸載量為20 mm，直至卸載完成。

5 同步卸載點位支撐卸載技術

5.1 徑向桁架同步卸載技術

5.1.1 千斤頂布置

在單個同步卸載點支撐兩側設置2個20 t千斤頂（缸體高度255 mm、行程150 mm、缸體直徑最大為130 mm），通過置換的方式逐步切割支撐頂部腹板，直至構件完成變形量[3-4]。

在徑向桁架下方支撐（36b#工字鋼）腹板兩側，距離徑向桁架下弦底部410 mm處各設置1塊厚20 mm鋼板作為千斤頂平臺，鋼板下方設置2塊厚20 mm、間距100 mm的三角形筋板，千斤頂平臺鋼板與加強筋板及腹板對接處焊縫為雙面角焊縫，焊縫高為較小鋼板的厚度。

根據計算得出徑向桁架同步卸載時最大豎向變形量－108.39 mm，實際操作時對卸載量考慮一定的余量。對于部分點位行程不夠的情況，千斤頂下方根據行程差量墊相應高度鋼板。

為避免千斤頂頂升時，厚8 mm的徑向桁架下弦翼緣板產生變形，在下弦翼緣板與千斤頂間墊1塊厚20 mm的150 mm×250 mm鋼板，用電焊固定（圖10）。

圖10 徑向桁架同步卸載點位示意

5.1.2 同步卸載流程

各卸載點千斤頂同步頂升，直至抵住桁架下弦桿；隨后分級割除卸載量，卸載量控制在10～20 mm；接著將千斤頂縮缸，使荷載傳至支撐。重復上述流程，直至完成卸載。

5.2 環形桁架同步卸載技術

在環形桁架同步卸載技術涉及的單個同步卸載點支撐兩側設置2個32 t千斤頂，其余千斤頂布置內容和卸載流程與徑向桁架同步卸載基本相似，僅在細部節點有所改進和優化（圖11）。

考慮到環形桁架下弦為圓管，千斤頂不能有效頂住圓管，故在對應下弦頂升位置設置墊塊，墊塊與下弦圓管之間臨時電焊固定（圖12）。

圖11 環形主桁架同步卸載點千斤頂布置示意

圖12 環形主桁架下弦墊塊示意

6 結語

通過對靜安區體育中心裝飾鋼結構桁架體系卸載施工技術進行研究，將整個鋼結構施工流程分解為38個代表性工況，對每個工況下鋼結構體系和臨時支撐系統的實際情況進行建模分析，校核支承點反力、桿件應力、下部混凝土結構受力及構件變形等重點過程控制參數。加強結構受力和變形狀況的實時監控，將監測結果與理論狀態下的情況進行對比分析，并根據實際情況實時更新計算模型，在過程監測中統計出徑向桁架臨時支承點最大豎向位移為105 mm，弧形桁架為142 mm，位于理論安全預警范圍內（徑向桁架＜154 mm，弧形桁架＜290 mm）。在本工程的施工過程中，通過嚴格執行策劃方案，將分區施工和同步卸載、非同步卸載相互結合，實現了卸載施工的全程可控，為后續類似工程積累了可資借鑒的經驗。