大型非直角双向悬挑钢桁架同步卸载技术

张军烈

上海建工七建集团有限公司 上海 200050

国内对大跨度钢结构的现场施工方面已进行过非常丰富的研究，如刘东等[1]介绍了采用砂箱作为大跨度钢结构卸载工具的工艺技术。本文充分借鉴所述砂箱工艺技术的优点，针对非直角双向大型悬挑钢桁架的结构特点，在充分模拟计算的基础上，结合全过程的应力、应变监测手段，采用经优化设计后的钢丸砂箱作为临时支撑卸载工具，从而实现了在构件安装阶段临时支撑体系的稳定有效，以及在支撑卸载阶段各临时支撑点的同步控制，保证钢桁架结构应力的平稳转换[2-6]。因此，在大吨位钢丸砂箱设计及桁架结构初始内应力控制上，本文所述的相关工艺具有一定的先进性。

1 工程概况

上海临港科技创新城A 0 2 0 2 地块项目建设用地41 890 m2，新建总建筑面积146 802 m2，其中，地上建筑总面积为105 319 m2，地下建筑总面积约为41 483 m2。建筑体量上分为1个裙房和3个塔楼，其中裙房3层，塔楼层数不一（地面以上15～18层）。塔楼建筑外形呈“水晶体” 造型，极具现代气息（图1）。

本工程裙房共3个单体，其中1#裙房采用非直角双向悬挑桁架，最大悬挑段长53.2 m，双向桁架交叉角度为103°；2#裙房采用双向悬挑桁架，最大悬挑段长41.6 m；3#裙房采用单向悬挑桁架，最大悬挑段长35.52 m。

钢桁架覆盖1—4层，整体高度为25.3 m。桁架杆件截面为箱形，最大尺寸为2 200 mm×600 mm×60 mm×120 mm，材质最高等级为Q420GJ，其中特厚板厚度范围60～120 mm。本项目总用钢量约26 000 t。本文选取悬挑长度最大的1#裙房的4榀桁架作为研究对象（图2、图3）。

图1 建筑整体效果图

图2 1#悬挑桁架整体效果图

图3 悬挑桁架立面

2 钢结构工程特点、难点

裙房双向桁架在合拢端部以103°交会，单榀桁架呈现转角式，整个桁架结构均采用高强厚板，焊接过程中对结构整体变形影响较大，施工前须合理布置施工顺序以控制变形。

整个桁架体系采用现场高空原位散装，采用Midas等软件对整个安装过程进行模拟计算，根据结构形成过程中的反力设计相应的支撑体系，保证桁架体系形成过程中的稳定性、安全性，并实现最小的初始应力值。

桁架杆件最大截面为2 200 mm×600 mm×60 mm×120 mm，分段后最大吊装单元质量为50 t，作业区域为地下室顶板，须对比分析经济效益、施工周期后，选择合理的吊装设备和顶板加固方式。

整体结构形成后，通过支撑卸载顺序模拟，判定内力转换过程中结构及临时支撑的安全稳定性，同时，模拟最终卸载完成后的结构竖向位移变形量和杆件初始内应力，并通过监测数据与模拟分析数据的对比，进行结构形成过程的安全控制。

3 悬挑桁架卸载

3.1 卸载准备

1）卸载前，复核每个临时支撑位置的桁架下弦标高，并做好记录。

2）确定卸载顺序和步骤。

3）对卸载人员进行交底，掌握卸载流程及卸载方法要点。

4）桁架卸载前，楼层混凝土应浇筑完成并达到28 d设计强度要求。

5）检查砂箱是否正常工作。

3.2 卸载方法

结合本工程悬挑桁架跨度、特点，采用砂箱进行卸载。通过砂箱将φ609 mm圆管临时支撑与悬挑结构连接。在传统砂箱基础上，将砂箱上段优化为灌注高强灌浆料形成实心柱体，将砂箱下段填充物调整为细粒钢丸，实现砂箱本体在大荷载作用下无变形，且具有长期作用下的耐久性。上部钢结构桁架分段安装完成并焊接后，开启砂箱阀门释放钢丸，使砂箱顶紧面按既定位移量逐步下降，最终与桁架脱离，完成临时支撑体系的卸载（图4）。

图4 砂箱设计示意

4 卸载控制原则

1）结构体系转换引起的内力变化应是缓慢的。

2）在卸载过程中，结构各杆件的内力应在弹性范围内并逐渐趋近设计状态。

3）在卸载过程中，各临时支撑点的卸载变形应协调。

4）卸载时应避开不适宜的环境状况，如大风、雨雪天气等。

5）卸载过程应易于调整控制、安全可靠。

5 1#裙房卸载顺序

1#裙房悬挑桁架为双向悬挑桁架，最大悬挑段长53.2 m。临时支撑卸载顺序由外向内对称卸载。在拆除支撑构件、铺设混凝土楼板后，悬挑桁架端部最大竖向位移为33.57 mm（恒载作用下）及6.02 mm（施工作用下），悬挑长度53.2 m，相对挠度为1/1 494，变形满足要求。故通过模拟计算后，按照设计起拱值进行反变形控制。

根据施工模拟分析，1#裙房共设置16个临时支撑点位，支撑编号分别为ZC1—ZC16（图5）。

图5 临时支撑点布置示意

卸载前模拟每个支撑点对应的竖向位移量，针对每个点位的卸载量制定卸载顺序。1#裙房悬挑桁架卸载步骤如下：

1）同步启动砂箱阀门，开始卸载。

2）支撑ZC1—ZC5砂箱脱离桁架（卸载量小于计算量），完成卸载，剩余支撑点砂箱持续卸载。砂箱卸载过程中密切观察卸载量。

3）支撑ZC6—ZC12砂箱脱离桁架（卸载量小于计算量），完成卸载，剩余支撑点砂箱持续卸载。砂箱卸载过程中密切观察卸载量。

4）支撑ZC13、ZC14砂箱脱离桁架（卸载量小于计算量），完成卸载，剩余支撑点砂箱持续卸载。砂箱卸载过程中密切观察卸载量。

5）支撑ZC15、ZC16砂箱脱离桁架（卸载量小于计算量），完成卸载。至此完成整体卸载。

6）记录各支撑点位卸载量，桁架静置24 h后采用全站仪复测变形量。

6 过程监测实施

6.1 应力监测

钢桁架是裙房主体结构的主要支撑构件，通过对桁架杆件截面的应变测量获得应力值，了解钢结构在施工阶段的实际受力变化状况。通过施工全过程跟踪观测数据与模拟计算值的对比，掌握大悬挑桁架杆件的应力应变状态，保证裙房结构体系的施工安全和施工质量。

在裙房钢结构卸载完成后，通过对裙房桁架应力进行监测得出：在卸载后的结构施工过程中（如悬挑部位混凝土楼板浇筑、玻璃幕墙施工等），桁架构件应力平稳增加，结构受力整体稳定，并与模拟计算值基本一致。

6.2 变形监测

在钢结构的施工监测中，结构位移是一个极其重要的参数，是了解施工过程中形态变化的重要途径。在施工过程中，对结构关键部位构件的变形情况进行监测，对于把握结构的变形和位移情况，确保结构的安全性，具有非常重要的价值。本项目钢结构变形监测是裙房施工期间的重要部分。通过对重要部位进行变形监测，及时掌握裙房的位移动态，再通过实际位移与计算值的对比，评估预起拱的实施效果，从而为后续专业施工提供优良的主体状态。

7 结语

与常规千斤顶设备相比，本工程临时支撑采用钢丸砂箱卸载，其具有以下优点：支撑作用力稳定；支撑作用力长期有效；卸载步骤缓慢，对已形成结构冲击小；卸载量可以按位移精确控制；同步作业设备操作简单、经济。

对整个卸载过程进行2个关键步骤控制：在卸载前，模拟分析卸载过程中各不利情况及结构整体稳定性；实施全过程的应力、变形监测，测定卸载过程中各项数据是否满足模拟计算要求。本工程通过选择卸载方法、卸载顺序，使结构达到安全、稳定的设计状态。特制钢丸砂箱具有较好的经济实用性，在能满足一定负载周期及负载吨位要求的临时支撑卸载工具中具有一定的先进性。