大型非直角雙向懸挑鋼桁架同步卸載技術(shù)

張軍烈

上海建工七建集團(tuán)有限公司 上海 200050

國(guó)內(nèi)對(duì)大跨度鋼結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)施工方面已進(jìn)行過(guò)非常豐富的研究，如劉東等[1]介紹了采用砂箱作為大跨度鋼結(jié)構(gòu)卸載工具的工藝技術(shù)。本文充分借鑒所述砂箱工藝技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，針對(duì)非直角雙向大型懸挑鋼桁架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在充分模擬計(jì)算的基礎(chǔ)上，結(jié)合全過(guò)程的應(yīng)力、應(yīng)變監(jiān)測(cè)手段，采用經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的鋼丸砂箱作為臨時(shí)支撐卸載工具，從而實(shí)現(xiàn)了在構(gòu)件安裝階段臨時(shí)支撐體系的穩(wěn)定有效，以及在支撐卸載階段各臨時(shí)支撐點(diǎn)的同步控制，保證鋼桁架結(jié)構(gòu)應(yīng)力的平穩(wěn)轉(zhuǎn)換[2-6]。因此，在大噸位鋼丸砂箱設(shè)計(jì)及桁架結(jié)構(gòu)初始內(nèi)應(yīng)力控制上，本文所述的相關(guān)工藝具有一定的先進(jìn)性。

1 工程概況

上海臨港科技創(chuàng)新城A 0 2 0 2 地塊項(xiàng)目建設(shè)用地41 890 m2，新建總建筑面積146 802 m2，其中，地上建筑總面積為105 319 m2，地下建筑總面積約為41 483 m2。建筑體量上分為1個(gè)裙房和3個(gè)塔樓，其中裙房3層，塔樓層數(shù)不一（地面以上15～18層）。塔樓建筑外形呈“水晶體” 造型，極具現(xiàn)代氣息（圖1）。

本工程裙房共3個(gè)單體，其中1#裙房采用非直角雙向懸挑桁架，最大懸挑段長(zhǎng)53.2 m，雙向桁架交叉角度為103°；2#裙房采用雙向懸挑桁架，最大懸挑段長(zhǎng)41.6 m；3#裙房采用單向懸挑桁架，最大懸挑段長(zhǎng)35.52 m。

鋼桁架覆蓋1—4層，整體高度為25.3 m。桁架桿件截面為箱形，最大尺寸為2 200 mm×600 mm×60 mm×120 mm，材質(zhì)最高等級(jí)為Q420GJ，其中特厚板厚度范圍60～120 mm。本項(xiàng)目總用鋼量約26 000 t。本文選取懸挑長(zhǎng)度最大的1#裙房的4榀桁架作為研究對(duì)象（圖2、圖3）。

圖1 建筑整體效果圖

圖2 1#懸挑桁架整體效果圖

圖3 懸挑桁架立面

2 鋼結(jié)構(gòu)工程特點(diǎn)、難點(diǎn)

裙房雙向桁架在合攏端部以103°交會(huì)，單榀桁架呈現(xiàn)轉(zhuǎn)角式，整個(gè)桁架結(jié)構(gòu)均采用高強(qiáng)厚板，焊接過(guò)程中對(duì)結(jié)構(gòu)整體變形影響較大，施工前須合理布置施工順序以控制變形。

整個(gè)桁架體系采用現(xiàn)場(chǎng)高空原位散裝，采用Midas等軟件對(duì)整個(gè)安裝過(guò)程進(jìn)行模擬計(jì)算，根據(jù)結(jié)構(gòu)形成過(guò)程中的反力設(shè)計(jì)相應(yīng)的支撐體系，保證桁架體系形成過(guò)程中的穩(wěn)定性、安全性，并實(shí)現(xiàn)最小的初始應(yīng)力值。

桁架桿件最大截面為2 200 mm×600 mm×60 mm×120 mm，分段后最大吊裝單元質(zhì)量為50 t，作業(yè)區(qū)域?yàn)榈叵率翼敯澹殞?duì)比分析經(jīng)濟(jì)效益、施工周期后，選擇合理的吊裝設(shè)備和頂板加固方式。

整體結(jié)構(gòu)形成后，通過(guò)支撐卸載順序模擬，判定內(nèi)力轉(zhuǎn)換過(guò)程中結(jié)構(gòu)及臨時(shí)支撐的安全穩(wěn)定性，同時(shí)，模擬最終卸載完成后的結(jié)構(gòu)豎向位移變形量和桿件初始內(nèi)應(yīng)力，并通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬分析數(shù)據(jù)的對(duì)比，進(jìn)行結(jié)構(gòu)形成過(guò)程的安全控制。

3 懸挑桁架卸載

3.1 卸載準(zhǔn)備

1）卸載前，復(fù)核每個(gè)臨時(shí)支撐位置的桁架下弦標(biāo)高，并做好記錄。

2）確定卸載順序和步驟。

3）對(duì)卸載人員進(jìn)行交底，掌握卸載流程及卸載方法要點(diǎn)。

4）桁架卸載前，樓層混凝土應(yīng)澆筑完成并達(dá)到28 d設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。

5）檢查砂箱是否正常工作。

3.2 卸載方法

結(jié)合本工程懸挑桁架跨度、特點(diǎn)，采用砂箱進(jìn)行卸載。通過(guò)砂箱將φ609 mm圓管臨時(shí)支撐與懸挑結(jié)構(gòu)連接。在傳統(tǒng)砂箱基礎(chǔ)上，將砂箱上段優(yōu)化為灌注高強(qiáng)灌漿料形成實(shí)心柱體，將砂箱下段填充物調(diào)整為細(xì)粒鋼丸，實(shí)現(xiàn)砂箱本體在大荷載作用下無(wú)變形，且具有長(zhǎng)期作用下的耐久性。上部鋼結(jié)構(gòu)桁架分段安裝完成并焊接后，開(kāi)啟砂箱閥門(mén)釋放鋼丸，使砂箱頂緊面按既定位移量逐步下降，最終與桁架脫離，完成臨時(shí)支撐體系的卸載（圖4）。

圖4 砂箱設(shè)計(jì)示意

4 卸載控制原則

1）結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換引起的內(nèi)力變化應(yīng)是緩慢的。

2）在卸載過(guò)程中，結(jié)構(gòu)各桿件的內(nèi)力應(yīng)在彈性范圍內(nèi)并逐漸趨近設(shè)計(jì)狀態(tài)。

3）在卸載過(guò)程中，各臨時(shí)支撐點(diǎn)的卸載變形應(yīng)協(xié)調(diào)。

4）卸載時(shí)應(yīng)避開(kāi)不適宜的環(huán)境狀況，如大風(fēng)、雨雪天氣等。

5）卸載過(guò)程應(yīng)易于調(diào)整控制、安全可靠。

5 1#裙房卸載順序

1#裙房懸挑桁架為雙向懸挑桁架，最大懸挑段長(zhǎng)53.2 m。臨時(shí)支撐卸載順序由外向內(nèi)對(duì)稱(chēng)卸載。在拆除支撐構(gòu)件、鋪設(shè)混凝土樓板后，懸挑桁架端部最大豎向位移為33.57 mm（恒載作用下）及6.02 mm（施工作用下），懸挑長(zhǎng)度53.2 m，相對(duì)撓度為1/1 494，變形滿(mǎn)足要求。故通過(guò)模擬計(jì)算后，按照設(shè)計(jì)起拱值進(jìn)行反變形控制。

根據(jù)施工模擬分析，1#裙房共設(shè)置16個(gè)臨時(shí)支撐點(diǎn)位，支撐編號(hào)分別為ZC1—ZC16（圖5）。

圖5 臨時(shí)支撐點(diǎn)布置示意

卸載前模擬每個(gè)支撐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的豎向位移量，針對(duì)每個(gè)點(diǎn)位的卸載量制定卸載順序。1#裙房懸挑桁架卸載步驟如下：

1）同步啟動(dòng)砂箱閥門(mén)，開(kāi)始卸載。

2）支撐ZC1—ZC5砂箱脫離桁架（卸載量小于計(jì)算量），完成卸載，剩余支撐點(diǎn)砂箱持續(xù)卸載。砂箱卸載過(guò)程中密切觀察卸載量。

3）支撐ZC6—ZC12砂箱脫離桁架（卸載量小于計(jì)算量），完成卸載，剩余支撐點(diǎn)砂箱持續(xù)卸載。砂箱卸載過(guò)程中密切觀察卸載量。

4）支撐ZC13、ZC14砂箱脫離桁架（卸載量小于計(jì)算量），完成卸載，剩余支撐點(diǎn)砂箱持續(xù)卸載。砂箱卸載過(guò)程中密切觀察卸載量。

5）支撐ZC15、ZC16砂箱脫離桁架（卸載量小于計(jì)算量），完成卸載。至此完成整體卸載。

6）記錄各支撐點(diǎn)位卸載量，桁架靜置24 h后采用全站儀復(fù)測(cè)變形量。

6 過(guò)程監(jiān)測(cè)實(shí)施

6.1 應(yīng)力監(jiān)測(cè)

鋼桁架是裙房主體結(jié)構(gòu)的主要支撐構(gòu)件，通過(guò)對(duì)桁架桿件截面的應(yīng)變測(cè)量獲得應(yīng)力值，了解鋼結(jié)構(gòu)在施工階段的實(shí)際受力變化狀況。通過(guò)施工全過(guò)程跟蹤觀測(cè)數(shù)據(jù)與模擬計(jì)算值的對(duì)比，掌握大懸挑桁架桿件的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，保證裙房結(jié)構(gòu)體系的施工安全和施工質(zhì)量。

在裙房鋼結(jié)構(gòu)卸載完成后，通過(guò)對(duì)裙房桁架應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)得出：在卸載后的結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中（如懸挑部位混凝土樓板澆筑、玻璃幕墻施工等），桁架構(gòu)件應(yīng)力平穩(wěn)增加，結(jié)構(gòu)受力整體穩(wěn)定，并與模擬計(jì)算值基本一致。

6.2 變形監(jiān)測(cè)

在鋼結(jié)構(gòu)的施工監(jiān)測(cè)中，結(jié)構(gòu)位移是一個(gè)極其重要的參數(shù)，是了解施工過(guò)程中形態(tài)變化的重要途徑。在施工過(guò)程中，對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位構(gòu)件的變形情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)于把握結(jié)構(gòu)的變形和位移情況，確保結(jié)構(gòu)的安全性，具有非常重要的價(jià)值。本項(xiàng)目鋼結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)是裙房施工期間的重要部分。通過(guò)對(duì)重要部位進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，及時(shí)掌握裙房的位移動(dòng)態(tài)，再通過(guò)實(shí)際位移與計(jì)算值的對(duì)比，評(píng)估預(yù)起拱的實(shí)施效果，從而為后續(xù)專(zhuān)業(yè)施工提供優(yōu)良的主體狀態(tài)。

7 結(jié)語(yǔ)

與常規(guī)千斤頂設(shè)備相比，本工程臨時(shí)支撐采用鋼丸砂箱卸載，其具有以下優(yōu)點(diǎn)：支撐作用力穩(wěn)定；支撐作用力長(zhǎng)期有效；卸載步驟緩慢，對(duì)已形成結(jié)構(gòu)沖擊小；卸載量可以按位移精確控制；同步作業(yè)設(shè)備操作簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)。

對(duì)整個(gè)卸載過(guò)程進(jìn)行2個(gè)關(guān)鍵步驟控制：在卸載前，模擬分析卸載過(guò)程中各不利情況及結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性；實(shí)施全過(guò)程的應(yīng)力、變形監(jiān)測(cè)，測(cè)定卸載過(guò)程中各項(xiàng)數(shù)據(jù)是否滿(mǎn)足模擬計(jì)算要求。本工程通過(guò)選擇卸載方法、卸載順序，使結(jié)構(gòu)達(dá)到安全、穩(wěn)定的設(shè)計(jì)狀態(tài)。特制鋼丸砂箱具有較好的經(jīng)濟(jì)實(shí)用性，在能滿(mǎn)足一定負(fù)載周期及負(fù)載噸位要求的臨時(shí)支撐卸載工具中具有一定的先進(jìn)性。