大型非直角雙向懸挑鋼桁架同步卸載技術

張軍烈

上海建工七建集團有限公司 上海 200050

國內對大跨度鋼結構的現場施工方面已進行過非常豐富的研究，如劉東等[1]介紹了采用砂箱作為大跨度鋼結構卸載工具的工藝技術。本文充分借鑒所述砂箱工藝技術的優點，針對非直角雙向大型懸挑鋼桁架的結構特點，在充分模擬計算的基礎上，結合全過程的應力、應變監測手段，采用經優化設計后的鋼丸砂箱作為臨時支撐卸載工具，從而實現了在構件安裝階段臨時支撐體系的穩定有效，以及在支撐卸載階段各臨時支撐點的同步控制，保證鋼桁架結構應力的平穩轉換[2-6]。因此，在大噸位鋼丸砂箱設計及桁架結構初始內應力控制上，本文所述的相關工藝具有一定的先進性。

1 工程概況

上海臨港科技創新城A 0 2 0 2 地塊項目建設用地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個裙房和3個塔樓，其中裙房3層，塔樓層數不一（地面以上15～18層）。塔樓建筑外形呈“水晶體” 造型，極具現代氣息（圖1）。

本工程裙房共3個單體，其中1#裙房采用非直角雙向懸挑桁架，最大懸挑段長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41.6 m；3#裙房采用單向懸挑桁架，最大懸挑段長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，材質最高等級為Q420GJ，其中特厚板厚度范圍60～120 mm。本項目總用鋼量約26 000 t。本文選取懸挑長度最大的1#裙房的4榀桁架作為研究對象（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 鋼結構工程特點、難點

裙房雙向桁架在合攏端部以103°交會，單榀桁架呈現轉角式，整個桁架結構均采用高強厚板，焊接過程中對結構整體變形影響較大，施工前須合理布置施工順序以控制變形。

整個桁架體系采用現場高空原位散裝，采用Midas等軟件對整個安裝過程進行模擬計算，根據結構形成過程中的反力設計相應的支撐體系，保證桁架體系形成過程中的穩定性、安全性，并實現最小的初始應力值。

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量為50 t，作業區域為地下室頂板，須對比分析經濟效益、施工周期后，選擇合理的吊裝設備和頂板加固方式。

整體結構形成后，通過支撐卸載順序模擬，判定內力轉換過程中結構及臨時支撐的安全穩定性，同時，模擬最終卸載完成后的結構豎向位移變形量和桿件初始內應力，并通過監測數據與模擬分析數據的對比，進行結構形成過程的安全控制。

3 懸挑桁架卸載

3.1 卸載準備

1）卸載前，復核每個臨時支撐位置的桁架下弦標高，并做好記錄。

2）確定卸載順序和步驟。

3）對卸載人員進行交底，掌握卸載流程及卸載方法要點。

4）桁架卸載前，樓層混凝土應澆筑完成并達到28 d設計強度要求。

5）檢查砂箱是否正常工作。

3.2 卸載方法

結合本工程懸挑桁架跨度、特點，采用砂箱進行卸載。通過砂箱將φ609 mm圓管臨時支撐與懸挑結構連接。在傳統砂箱基礎上，將砂箱上段優化為灌注高強灌漿料形成實心柱體，將砂箱下段填充物調整為細粒鋼丸，實現砂箱本體在大荷載作用下無變形，且具有長期作用下的耐久性。上部鋼結構桁架分段安裝完成并焊接后，開啟砂箱閥門釋放鋼丸，使砂箱頂緊面按既定位移量逐步下降，最終與桁架脫離，完成臨時支撐體系的卸載（圖4）。

圖4 砂箱設計示意

4 卸載控制原則

1）結構體系轉換引起的內力變化應是緩慢的。

2）在卸載過程中，結構各桿件的內力應在彈性范圍內并逐漸趨近設計狀態。

3）在卸載過程中，各臨時支撐點的卸載變形應協調。

4）卸載時應避開不適宜的環境狀況，如大風、雨雪天氣等。

5）卸載過程應易于調整控制、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53.2 m。臨時支撐卸載順序由外向內對稱卸載。在拆除支撐構件、鋪設混凝土樓板后，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），懸挑長度53.2 m，相對撓度為1/1 494，變形滿足要求。故通過模擬計算后，按照設計起拱值進行反變形控制。

根據施工模擬分析，1#裙房共設置16個臨時支撐點位，支撐編號分別為ZC1—ZC16（圖5）。

圖5 臨時支撐點布置示意

卸載前模擬每個支撐點對應的豎向位移量，針對每個點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）同步啟動砂箱閥門，開始卸載。

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

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

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

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

6）記錄各支撐點位卸載量，桁架靜置24 h后采用全站儀復測變形量。

6 過程監測實施

6.1 應力監測

鋼桁架是裙房主體結構的主要支撐構件，通過對桁架桿件截面的應變測量獲得應力值，了解鋼結構在施工階段的實際受力變化狀況。通過施工全過程跟蹤觀測數據與模擬計算值的對比，掌握大懸挑桁架桿件的應力應變狀態，保證裙房結構體系的施工安全和施工質量。

在裙房鋼結構卸載完成后，通過對裙房桁架應力進行監測得出：在卸載后的結構施工過程中（如懸挑部位混凝土樓板澆筑、玻璃幕墻施工等），桁架構件應力平穩增加，結構受力整體穩定，并與模擬計算值基本一致。

6.2 變形監測

在鋼結構的施工監測中，結構位移是一個極其重要的參數，是了解施工過程中形態變化的重要途徑。在施工過程中，對結構關鍵部位構件的變形情況進行監測，對于把握結構的變形和位移情況，確保結構的安全性，具有非常重要的價值。本項目鋼結構變形監測是裙房施工期間的重要部分。通過對重要部位進行變形監測，及時掌握裙房的位移動態，再通過實際位移與計算值的對比，評估預起拱的實施效果，從而為后續專業施工提供優良的主體狀態。

7 結語

與常規千斤頂設備相比，本工程臨時支撐采用鋼丸砂箱卸載，其具有以下優點：支撐作用力穩定；支撐作用力長期有效；卸載步驟緩慢，對已形成結構沖擊小；卸載量可以按位移精確控制；同步作業設備操作簡單、經濟。

對整個卸載過程進行2個關鍵步驟控制：在卸載前，模擬分析卸載過程中各不利情況及結構整體穩定性；實施全過程的應力、變形監測，測定卸載過程中各項數據是否滿足模擬計算要求。本工程通過選擇卸載方法、卸載順序，使結構達到安全、穩定的設計狀態。特制鋼丸砂箱具有較好的經濟實用性，在能滿足一定負載周期及負載噸位要求的臨時支撐卸載工具中具有一定的先進性。