懸挑鋼罩棚同步等距離分級實時監測卸載施工技術

胡燕林 胥 鵬 沈 培 劉雅靜

中建一局集團第一建筑有限公司 上海 201103

臨時支撐是大型懸挑鋼結構支撐系統中常用的一種支撐體系，在鋼結構安裝焊接完畢后，其卸載一直是大型懸挑鋼結構施工中的重點與難點。臨時支撐的卸載過程既是拆除支撐的過程，又是懸挑鋼結構自身結構體系受力狀態逐步轉換的過程，卸載時懸挑結構桿件的內力和臨時支撐的受力均會隨著卸載過程逐步產生變化。卸載過程既要施工方便，也要確保結構安全，更不能改變設計意圖，懸挑結構桿件力學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”項目（圖1）位于儋州市那大鎮，鋼結構工程主要分3個部分，即體育場、體育館、游泳館。

圖1 儋州市體育中心“一場兩館”項目整體效果圖

其中，體育場鋼結構位于整個場地的東北側，建筑面積為59 189.52 m2，座席數為3萬座。主體結構采用框架結構，建筑局部采用雙首層設計，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），鋼結構上弦中心線最高點標高為44.05 m。鋼結構采用徑向懸挑主桁架＋環向次桁架＋系桿＋水平支撐結構體系。其中，徑向主桁架采用了平面片桁架結構，沿主桁架面外間隔布置環向片桁架，節間較大處設環向系桿，懸挑前端沿環向設三角桁架，增加環向剛度，協調懸挑端部位移的不均勻性。為提高屋面的整體剛度和穩定性，屋面沿柱網采用一跨一撐的方式分別設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Q355B，鋼結構總質量約5 025 t。

圖2 體育場鋼結構罩棚示意

2 臨時支撐設計與卸載施工工藝

2.1 臨時支撐設置

2.1.1 臨時支撐分布

在體育場鋼罩棚安裝過程中，臨時支撐作為桁架分塊安裝的臨時措施，對鋼屋蓋整體形成穩固、準確的結構形式起到很大的作用。

因此，要做好臨時支撐的加工、安裝工作。體育場共72榀主桁架，每榀桁架有2個支撐點，整個鋼結構臨時支撐體系由內圈支撐點（1#）72個與外圈支撐點（2#）72個組成，共144個支撐點。

2.1.2 臨時支撐結構形式

看臺臨時支撐落在場內看臺板上（圖3），單個臨時支撐采用截面為1 800 mm×1 800 mm的塔吊標準節，立桿為180 mm×180 mm×12 mm的角鋼。臨時支撐間采用M30的螺桿連接固定。

圖3 臨時支撐示意

2.1.3 臨時支撐上部結構

臨時支撐上部設置由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 臨時支撐底部結構

臨時支撐底部與看臺結構通過H488 mm×300 mm×11 mm×18 mm的轉換梁與結構預設埋件焊接連接固定。

2.1.5 臨時支撐纜風繩設置

纜風繩選取公稱抗拉強度1 960 N/mm2的φ18 mm公稱直徑鋼絲繩，滿足其承載力要求。體育場場地內共計33處在場芯錨點采用1 000 mm×1 000 mm×2 000 mm的混凝土壓重錨，預設吊環，上部回填200 mm厚土。其余看臺結構部位采用后置埋件焊接吊耳。

2.1.6 局部轉換梁底部斜梁回頂措施

經承載力計算，體育場共計8處斜梁需進行鋼支撐回頂，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 實施流程

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

2）后置埋件根據斜梁、地梁打孔情況進行打孔、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

2.2.1 卸載前提

1）對已完成的結構進行驗收，構件安裝、焊接、高強螺栓等質量達到規范和設計要求。

2）卸載前的結構標高值符合設計要求。

3）明確卸載撓度的監測點位置，并記錄卸載前監測點標高的初始值。

4）監測設備按監測方案安裝完成，可以在鋼結構卸載過程中滿足實時監測的要求并可以提出卸載建議。

2.2.2 卸載總體思路

根據體育場鋼結構整體卸載過程計算結果分析，確定最優的卸載方式為從短軸方向開始，4個方向同時進行卸載（圖6）。總體分6大施工步，每個施工步又分4～18個施工子步；第1施工大步為對外圈72個1#支撐進行分區整體卸載（此時不對內圈2#支撐進行卸載），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#支撐進行分區整體卸載，每步卸載10 mm，部分支撐卸載至第2大步結束后開始脫離主桁架，但為保證卸載整體變形均勻，對所有已經脫離桁架的支撐不進行拆除，繼續保留至第6施工大步，最后再整體卸載10 mm。此時，所有內圈72個支撐整體脫離主桁架，再將各2#支撐拆除。

圖6 144個支撐點卸載方向示意

2.2.3 卸載施工仿真計算

采用Sap2000進行結構建模，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單元設置為只壓不拉；約束支座處對應節點各向平動自由度；通過GAP單元下節點發生強迫位移模擬卸載過程，與卸載方案對應，每級發生10 mm節點位移，達到卸載總量后刪除對應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 結構模型示意

卸載過程驗算表明，結構在卸載過程中最大位移為64.0 mm＜290.4 mm；構件最大應力為79.0 MPa，最大應力比為0.27＜1.00。結果表明，結構在卸載過程中的內力、變形均滿足要求。

2.2.4 卸載流程

安排4個小組分別從短軸開始，按卸載4個分區同步向4個方向作業。每個小組氣割工人通過爬梯到達支撐處，然后聽從指揮依據每個施工大步的施工小步順序，切割桁架下的定位板10 mm，當切割至第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，使整個鋼結構整體脫離支撐，變形均勻。

1）橫刀板兩側千斤頂就位：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十字線的中心并進行固定。

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，當千斤頂頂部剛好與橫刀板接觸時，停止施壓。

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

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，此時橫刀板與底部支撐圓管重新與主桁架形成支撐關系。

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

3 監測系統的應用

3.1 監測系統的設置

1）根據仿真計算結果選取關鍵構件與臨時支撐，監測構件內力、應力與位移。監測設備在地面桁架拼裝完畢后進行安裝調整，確認各個設備正常運行后再進行吊裝，桁架吊裝完成后開始進行持續性監測，直至卸載完成。

2）監測系統主要由傳感器、采集箱、服務器組成，傳感器實時收到數據后傳送給采集箱，采集箱通過自帶的網絡傳輸到服務器中，服務器對收集到的現場數據與預設的各預警閾值進行比較，如果達到某個預警階段的閾值，將進行預警提示。

3）傳感器焊接安裝過程中不應通過焊接電流，焊接點與元件之間采用絕緣材料隔絕熱交換，避免過熱導致傳感器損壞。采用蓄電池與市電雙線供電，避免監測過程中因停電導致的監測失效。安裝完成后對每個傳感器元件的數據進行調試，確保整個監測系統工作性能正常，數據傳輸可靠。

3.2 監測系統的工作方式

當結構卸載正式開始時，后臺監測系統實時提供現場監測對象的受力狀態，保證結構在卸載過程中受力狀態的轉變處于可控范圍內。直觀精準的數據展示確保了卸載工作的安全，當監測對象的受力狀態超過某個評估等級預警閾值時，監測系統立即觸發響應，預警信息在系統界面和相關人員手機上發布，第一時間保證現場卸載作業能夠及時做出對應的行為響應。

3.3 施工計算與卸載對比分析

本工程施工模擬計算最大位移為64 mm，實際卸載位移為69 mm，施工模擬計算結果接近。結構桿件和臨時支撐在卸載過程中受力變化均勻，監測系統在卸載施工過程中為施工實時提供結構受力變化數據，為卸載施工安全提供了可靠保障。

4 結語

本工程在鋼結構罩棚卸載前對整體卸載過程進行計算結果分析，確定最優的卸載方法。監測系統在鋼結構施工階段安裝調試完畢，對卸載前的整體結構安全性進行評估，為卸載前提供精準的數據支撐。卸載時通過監測系統對卸載過程進行實時監測，同時監測系統根據預先設定的數據與卸載時的實時數據進行比較、評估。當實際數據超過預警值時系統立即發出報警，現場卸載實施人員根據報警等級進行對應的行為響應。相比以往人工監測，監測系統更加直觀、精準、實時地反映出結構與支撐在卸載時受力的變化，為卸載提供安全保障。卸載后監測系統可以繼續監測至結構穩定階段，節省后續監測的資源投入。