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1、大跨度鋼桁架支撐胎架卸載施工工法1.前言在現行建筑行業的施工中，鋼結構以其跨度大、強度高、自重輕、剛性好、變形能力強等優點，越來越多的被應用于大跨度和超高、超重型的建筑工程當中。鄂爾多斯市體育中心游泳館為2015年第十屆全國少數民族運動會主場館。屋蓋采用大跨鋼桁架結構。鋼桁架跨度大，最大跨度達128m。荷載重、體量大，用鋼量約為3358T。造型復雜，施工難度高。施工時，采用臨時支撐胎架作為空中支撐平臺進行鋼結構組裝，在組裝完成后經驗收合格再拆除臨時支撐。在卸載過程中，支撐胎架和鋼桁架的受力狀態發生了根本性的變化，支撐胎架所受的荷載逐漸減小至零，鋼桁架由臨時胎架支撐轉換為完全依靠自身受力。若胎架2、的支承力卸載釋放不合理，會造成屋蓋鋼桁架結構破壞或胎架失穩，后果十分嚴重。因此保證卸載過程的安全過渡至關重要，大跨鋼桁架支撐胎架的卸載是鋼結構施工中最為核心的一個環節。在以往的鋼結構卸載過程中，由于施工難度大、不確定因素多，施工單位不重視等，尚無總結形成比較成熟的卸載經驗。本工程采用 “分步驟多次循環微量下降” 卸載方法。在整個卸載過程中實時監測，檢測結果：結構的實際變形值、實際應力變化值與理論數據相對比, 符合結構設計和相關規范標準要求, 卸載取得了圓滿成功。本工法是與天津大學聯合開展大跨度空間結構相關課題研究的關鍵技術之一。采用該工法實施卸載所取得的數據與研究結果，為同類工程積累了第一手現3、場資料作為理論依據，提供了安全、可借鑒的實踐經驗。本工程質量預控目標為中國建筑工程最高獎魯班獎，已于2013年4月榮獲中國建筑鋼結構金獎。2.工法特點2.1通過計算機仿真計算，確定采用“分步驟多次循環微量下降”的卸載方法，支撐胎架整體同步卸載，避免出現過大變形、位移，保證受力轉換安全且穩定。2.2卸載過程中，實時監測各項數據，做到同步卸載、變形協調、分階循環。使應變與應力變化平穩過渡，保證相鄰支撐點受力不會產生突變，確保支撐胎架及鋼桁架的結構安全。2.3鋼桁架桿件的應力應變沒有超過相關規范規定的允許范圍，避免出現影響工程的使用功能及安全性能的變形和位移情況。3.適用范圍本工法適用于跨度大、單榀4、桁架重量大、多榀桁架構造相同的空間桁架結構施工，尤其適用于大跨度鋼桁架放射狀空間結構體系的中心支撐的卸載施工。對其它大跨度鋼桁架結構工程，例如體育場館、展覽館、影劇院、航空候機大廳及其他大型公共建筑和工業生產廠房等工程的施工有著重要借鑒意義。4.工藝原理4.1通過應用計算機模擬仿真計算分析技術進行受力分析，制定出大跨鋼桁架支撐胎架卸載施工專項方案。通過理論分析指導整個卸載過程,以保證桿件應力應變在卸載過程中始終保持在控制的允許范圍之內。4.2本工程鋼桁架空間結構體系的中心加強環下設計布置4個支撐胎架，平均分布在距離中心半徑為4m的中心加強環的圓周上，支撐胎架高度大約為24m。每個支撐胎架荷載約5、為115T，上面有3個支撐點。在10m處設計連接平臺，24m處的設計頭部支撐平臺。支撐胎架模擬仿真圖見圖4.2-1，現場實際支撐胎架見圖4.2-2。圖4.2-1 支撐胎架三維圖圖4.2-2 中心加強環下鋼結構支撐胎架4.3在卸載過程中，以理論計算為根據，以結構安全為宗旨，以實時監控為核心，以平穩過渡為目標，遵循“變形協調、卸載均衡”的原則。4.4分步驟多次循環微量下降，每階段下降量按理論計算值下降。根據理論計算計劃分五個階段修割支撐點來進行卸載。4.5采用同步緩慢修割支撐點的方法，使桁架自然平緩的下降到第一階段。檢查桁架安全及整體下降情況。若正常則采用同樣的方法，下降到第二階段。重復進行，直至6、桁架完全脫離支撐點。4.6嚴格控制卸載時每一階段高程精度，卸載過程實時跟蹤監測，通過計算機對卸載過程實時分析并指導卸載施工。以確保卸載安全順利進行。實現大跨度鋼結構體系由臨時支撐受力平穩地過渡到自身受力的過程。5.工藝流程及操作要點5.1施工工藝流程卸載前準備工作卸載實施第一步卸載過程監測分析各項情況是否正常若正常則進行下一步卸載逐級完成直至桁架完全脫離支撐胎架數據分析卸載圓滿成功。5.2操作要點5.2.1卸載前準備工作1本工程屋蓋鋼結構，在卸載前必須完成以下方面的工作：1）斜筒柱混凝土澆筑強度達到100%。2）鋼桁架構件全部安裝完成，節點全部焊接完成。3）構件、節點質量通過驗收合格。4）根據7、計算機模擬仿真計算分析數據編制卸載專項施工方案。5）排查高空作業及高空墜物的安全隱患。在卸載區域下拉安全警戒帶，并設明顯的安全警示牌。6）對卸載人員進行安全技術交底，讓每個人員熟練掌握自己的操作步驟。7）復測鋼結構工程的高程及平面控制網，并以此做基準，來監測卸載過程中鋼桁架及胎架的應力應變等情況。2模擬卸載在正式卸載前進行模擬演練，主要調試應力應變檢測設備系統、檢驗卸載指揮小組的通暢運行、檢測卸載操作人員的技術水平、檢驗專項方案的可行性。總結不足之處，最終確認是否具備卸載條件，確保卸載過程零風險。在各項模擬工作完成且確認具備卸載條件后可實施卸載。5.2.2卸載實施1卸載過程采用“分步多次循環微8、量下降”方法來實現整體卸載，遵循同步卸載、變形協調、分步循環的原則。通過設計理論計算，屋蓋鋼桁架結構附加上屋面檁條及馬道的荷載，整體鋼結構在獨立承重后將出現不同程度的下沉，最大豎向位移設計理論值為-69mm，發生在中心加強環上。2為讓鋼桁架均勻、漸進地自主受力，防止個別支撐點集中受力，根據計算所得位移值，采用所有支點每階段同時修割最大值不大于15mm的下降法直至拆除支撐架。本工法計劃分五個階段修割支撐點來進行卸載，具體卸載方法如下：第一步：按預定卸載方案進行精確的控制各次卸載量，在桁架下的臨時支撐胎架上畫上標記線，標出每次下降量的控制線。第二步：采用同時緩慢修割支撐點的方法，使桁架自然平緩的下9、降到第一階段，下降量為9mm。第三步：檢查桁架焊接節點及與斜筒柱連接處的情況，監測桁架整體下降情況。若無非正常情況出現則進行下一步。第四步：采用同時緩慢修割支撐點的方法，使桁架自然平緩的下降到第二階段，下降量15mm。第五步:重復第三步。第六步: 采用同時緩慢修割支撐點的方法，使桁架自然平緩的下降到第三階段，下降量15mm。 第七步:重復第三步。第八步: 采用同時緩慢修割支撐點的方法，使桁架自然平緩的下降到第四階段，下降量15mm。第九步:重復第三步。第十步: 采用同時緩慢修割支撐點的方法，使桁架自然平緩的下降到第五階段，下降量15mm。3.在第五階段完成后，觀察屋蓋鋼桁架中心加強環是否完全脫10、離支撐點支點，若脫離，則卸載情況正常。鋼桁架靜置1天，然后對主桁架的焊縫逐個認真檢查，同時用全站儀對主桁架進行檢測，變形滿足設計要求后再進行支撐胎架支點的拆除。5.2.3卸載過程監測1.為了在卸載過程中的對結構安全狀況進行評定，與設計方共同確定，選擇中心加強環、支撐胎架及實際應力最大的桿件進行應力應變監測。2采用光纖傳感器實時跟蹤檢測現場實際數據，及時準確地獲取各項參數的變化實況。傳感器安裝見圖5.2.3-1、圖5.2.3-2。 3. 把獲取的實時監測數據與模擬仿真計算值進行對比分析，用來指導下一步施工。實現全過程的信息化管理，以確保整個卸載過程在安全掌控之內。4給每位卸載施工人員配備一把鋼尺11、，嚴格按照支撐胎架上先前畫好的標記線，精確的量取并控制每個階段的卸載量。5在卸載實施前，用全站儀測量胎架各支撐點的坐標。每次卸載后，測量卸載點的標高，以確定下一次卸載量的調整值。若標高與理論設計相符，則下一次卸載量不需要做出調整，仍按原計劃進行。6在卸載的過程中，對胎架基座標高、胎架垂直度、胎架節點焊縫在每個卸載階段都要進行監測，發現問題及時處理。 5.2.3-1 傳感器安裝圖（一） 5.2.3-2 傳感器安裝圖（二）5.2.4卸載數據比較與分析1施工過程中的結構受力與設計狀態不完全一樣，整個結構體系受力是個逐步建立的過程，特別是在卸載過程中，存在著結構轉換，受力狀態發生根本變化，桁架結構受力12、從臨時支撐胎架轉換到工作狀態受力，部分桿件受力特性可能發生改變，因此對施工過程中的若干關鍵工況需要進行計算，對可能發生的不利因素進行提前預警，以保證結構施工的安全。2確保卸載安全的關鍵是全過程監測各項數據的變化情況，并與設計理論計算值進行對比分析，及時反饋數據指揮現場卸載施工。確保構件在最終進入使用狀態后的應力應變在預計范圍內。3大跨度鋼桁架屋蓋按預定步驟載完成后，桿件應力比如下圖、表所示：圖5.2.4-1 施工狀態桿件最大應力比圖5.2.4-2 設計狀態桿件最大應力比圖5.2.4-3 施工狀態與設計狀態應力比差值表5.2.4-1 應力監測結果匯總表表5.2.4-2 中心環撓度監測匯總表序號觀13、測點位置卸載累計下撓值（mm）124軸65.93233軸60.54328軸65.24415軸67.93511軸62.224結論：1）施工狀態最大應力比為0.230，設計狀態最大應力比為0.227。結構桿件在施工狀態與設計狀態的最大正差值為0.034。目前所測最大應力為95.78Mpa,為設計值（300 Mpa）的32%，結構應力處于安全狀態。2）監測結果表明鋼桁架結構最大豎向位移發生在中心加強環上，與理論設計相符。在模擬仿真計算中，屋蓋鋼結構附加上屋面檁條及馬道的荷載后，最大豎向位移設計理論值為-69mm。卸載后實測最大下撓值67.93mm。各項監測數據技術指標表明：偏差在允許范圍之內，實測值14、與理論計算值能夠較好的吻合，滿足設計要求和相關規范標準，結構下撓處于安全狀態。圖5.2.4-4 支撐胎架卸載完成圖（一） 圖5.2.4-5 支撐胎架卸載完成圖（二）5.3勞動力組織表5.3 卸載人員組織情況一覽表：序號單項工程所需人數備注1總、副總指揮32專家33指揮員44卸載操作員125監測員36結構檢查員67安全應急員38調度員39技術員2合 計39人6.材料和機具設備本工法無需特別說明的材料，采用的機具設備見下表。表6 卸載主要設備和儀器統計表：序號名稱型號數量備注1應力、應變監測設備UCAM-60B1套2水準儀DS31臺3全站儀GTS102N1臺4經緯儀SZ.2DT2002臺5割槍QG15、41004付6對講機T54286部7.質量控制7.1工程質量控制標準7.1.1本工程施工質量應符合:1.屋蓋鋼桁架結構體系中心加強環豎向位移最大不超過設計理論值-69mm。2.在整個安裝以及卸載過程中，結構應力比最大不超過0.230。結構在安裝完成后桿件應力比最大損失不超過0.034。7.1.2施工質量控制應嚴格執行的國家及行業標準：鋼結構設計規范（GB50017-2003）；鋼結構工程施工質量驗收規范（GB50205-2001)；建筑結構荷載規范(GB50009-2012)；建筑變形測量規程(JGJ8-2007)；工程測量規范(GB50026-2007)。7.2質量保證措施7.2.1在卸載過16、程中，鋼結構由臨時支撐受力逐步轉換為依靠自身受力，轉換過程中支撐胎架系統及鋼桁架結構的受力十分復雜。為了保證整個卸載過程的安全，力的平穩過渡，必須建立嚴格的組織管理體系。7.2.2復測鋼結構工程的高程及平面控制網，并以此做基準，來監測卸載過程中鋼桁架及胎架的應力應變等情況。7.2.3卸載前鋼結構施工驗收合格,并經業主、設計、監理等相關單位簽字確認。7.2.4卸載前進行仔細的前期準備工作，對所有參加卸載人員進行專項方案和應急預案交底。7.2.5卸載前進行模擬卸載，總結并整改模擬卸載中可能出現的問題。7.2.6卸載過程中，要時刻保證指揮、操作、檢測協調一致，實時跟蹤測量和監控信息傳遞及反饋快速準確17、。 7.2.7每個支撐點上修割要聽從統一指揮，統一操作，禁止任何一點支點修割量過大。7.2.8卸載過程中,要做到同步卸載、變形協調、分步驟多次循環、微量下降。7.2.9為實現荷載的平穩轉移，卸載前先計算好支撐點的應力應變，通過變形量確定每各階段的修割量，確保所有支點每階段同時修割最大值不大于15mm，通過多次循環微量下降，實現荷載的平穩轉移。7.2.10桁架與支撐點支點完全脫離后靜置1天，然后對桁架認真檢查，滿足設計要求后再拆除支撐胎架支點。8.安全措施8.1認真貫徹“安全第一，預防為主”的方針，根據國家有關規定，結合工程具體特點，組成專職安全應急管理體系，加強安全管理和安全教育，嚴格執行各項18、安全生產規章制度。8.2卸載前仔細檢查節點焊縫、構件，并且通過第三方檢驗合格，才可進行卸載。8.3檢查高空作業和高空墜物等安全隱患，檢查安全網的完善性。卸載前清理鋼結構上面的雜物。卸載過程中嚴禁高空拋物。8.4應對無關人員清場，保證卸載過程中沒有其他專業進行施工作業。 8.5在卸載區域拉設安全警戒線，作好安全警示標識。8.6對卸載人員進行技術交底，讓每個人員熟悉自己的操作步驟。8.7嚴格遵守施工用火審批制度。凡從事電焊修割作業的人員必須持特種作業證上崗，實行持證上崗,并應使用面罩或護目鏡，佩戴相應的勞保用品。8.8所有施工人員必須戴好安全帽、穿好防滑鞋、系好安全帶。8.9卸載過程中，安全人員加19、強鋼結構的安全檢查，確保卸載作業安全進行。8.10如遇意外情況，應立即啟動應急預案：8.10.1情況：在卸載過程的每個階段中，部分支撐點不能同時達到標高要求。處理：若是施工人員技術水平問題，要及時更換不能勝任的人員。若是理論計算偏差，則重新制定卸載專項方案。8.10.2情況：卸載過程中，未達到設計要求的標高位置，單點失去支撐力或者達到了設計要求的標高位置，仍有較大的支撐力。處理：參建各方共同分析，找出原因，如：是構件制作安裝誤差，還是理論計算有誤等。針對具體原因，制定措施。8.10.3情況：鋼桁架結構屋蓋出現明顯異常響聲。處理：對出現異常部位進行檢查, 確認無誤后繼續卸載。否則進行加固處理。820、.10.4情況：支撐胎架發生較大垂直度和側彎偏差。處理：對胎架進行補強加固，使其滿足繼續使用的要求。9.環保措施9.1成立對應的施工環境衛生管理機構，在工程施工過程中嚴格遵守國家和地方的有關環境保護的法律、法規和規章， 9.2在卸載區域拉設安全警戒帶，設立安全警示牌。做到醒目、齊全、布置合理，施工場地整潔文明。9.3卸載操作人員佩戴個人安全防護用品, 采取必要的措施保證卸載切割時產生的火花不會傷及其他人員。9.4在卸載前，管理機構應對所有參加卸載人員進行安全環保教育，卸載成功以后要組織人員及時清理卸載廢棄物。9.5在施工工程中，嚴格執行工地環境管理方案嚴格，控制施工過程中的環境污染。10.效益21、分析本工法解決了鄂爾多斯市體育中心游泳館大跨鋼桁架屋蓋工程施工最關鍵的技術難題。采用分步驟多次循環、微量下降、緩慢修割胎架支撐點的卸載技術。簡化了施工工序，保證了施工質量，確保了施工進度，提高了工作效率，節省了設備開支，從而降低了工程造價。形成了良好的經濟、社會等效益。10.1經濟效益分析與采用液壓千斤頂卸載方法相比，采用本工法施工經濟效益分析:10.1.1本工法簡單科學，施工速度快，保證了工程施工進度的正常進行，避免了由于工期延誤而造成的直接的巨大經濟損失。10.1.2節約成本具體如下：液壓千斤頂費用節約：12個18700元/個=189000元泵站費用節約：1個10萬元/個=100000元累22、計節約: 189000+100000=289000元本工法施工費用明細： 人工費：2人200元/人.天89=35600元支撐點鋼型材等材料費約為：12個支撐點1416元/點=17000元按本工法施工總費用：35600+17000=52600元結論：本工法總計可節約成本：289000-52600=236400。采用本工法施工既達到了設計要求，又節約了施工成本。10.2社會效益分析10.2.1采用“分步驟多次循環微量下降”的卸載，保證了結構受力的安全過渡，提高操作工人施工安全性，保證了生命、財產的安全。10.2.2支撐胎架的成功卸載，證明了我公司施工質量的優質，技術水平的高超。提高了企業信譽，取得23、了良好的質量技術效益。10.2.3本工法采用的卸載措施完全符合綠色文明施工的要求，有效的節約了資源，不會對環境造成任何影響，環保效益十分顯著。10.2.4在鄂爾多斯的城市建設史上書寫了濃墨重彩的一筆。為第十屆全國少數民族運動會如期舉行做出了應有的貢獻，得到了業主、監理、設計等社會各界的高度好評。10.2.5其成果具有重要的理論意義和工程實用價值，為今后的同類大跨鋼桁架空間結構體系工程提供了寶貴的理論依據和實踐經驗，促進鋼結構行業卸載技術的進步，有著很廣闊的應用前景，取得的社會效益十分明顯。11.應用實例11.1工程實例概況11.1.1鄂爾多斯市體育中心游泳館工程地下一層，地上三層，總建筑面積：24、4.8萬。檐口最高點27.000m，巨型斜柱最高點標高36.700m。游泳比賽池50253m，跳水比賽池25256m，熱身池50151.8m。看臺坐席共4042座。游泳館主體結構類型為鋼筋混凝土框架結構，屋蓋為大跨鋼桁架結構，屋面為復合鋁鎂錳合金屋面，幕墻有玻璃幕墻和蜂窩鋁板幕墻。工程造型復雜，結構體量大。可舉辦全國性和單項國際比賽，工程將成為康巴什新區地標性建筑，具有重要的政治意義。11.1.2主館鋼結構由中心加強環及其向四周引出的36榀放射狀主桁架組成的圓形大跨度空間結構體系，最大跨度約128m。36榀主桁架均勻的分布在360的圓形場館上，分別與36個巨型混凝土斜柱相連。游泳館鋼結構安裝工25、程量約3358 T。大跨度鋼桁架示意圖見圖11。本工程中心加強環下共有4個支撐胎架，平均分布在距離中心半徑為4m的圓周上，支撐胎架高度大約為24m米，在10m處設計連接平臺，24m處的設計頭部支撐平臺。每個支撐胎架所受荷載約為115T。每個支撐架上有3個支撐點。圖11.1.2 游泳館大跨度鋼桁架示意圖11.1.3在進行支撐胎架卸載施工時, 按照本工法規定的卸載施工工藝流程、操作要點、質量保證措施、安全措施及應急預案等進行卸載施工。結構應力應變實測值與設計理論值相吻合，滿足設計要求及相關規范標準。鄂爾多斯體育中心游泳館大跨鋼桁架支撐胎架卸載取得圓滿成功。11.2其它工程應用實例概況11.2.1鄂26、爾多斯市體育中心體育館工程地下一層，地上三層，總建筑面積：7.6萬。檐口最高點33.850m，巨型斜柱最高點標高41.500m。體育建筑等級為甲級，可舉辦全國性和單項國際比賽。主題設施按照NBA標準設計，內設看臺12000席，與游泳館沿弧線相聯接。體育館建筑主體采用鋼筋混凝土框架結構，屋蓋采用大跨鋼桁架結構體系。本工程屋蓋大跨鋼桁架結構采用本工法工藝進行施工，安全和實用效果明顯，達到了預期目標，與游泳館、體育場共同構成大型甲級體育建筑群。圖11.2.1 體育館工程效果圖11.2.2通過實踐證明了本工法的科學性、合理性，完全達到了預期的設計效果，在鋼桁架屋蓋的安全性、實用性等方面均得到了有力的證明。