钢结构支撑体系同步等距卸载工法

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近些年国内建筑钢结构技术发展极为迅速。钢结构被广泛应用于高层和超高层建筑的建设中，也被用于大跨度的工业厂房和体育场馆的建设。在许多大跨度及复杂钢结构的施工中，采用了临时支撑体系和空中组装的安装工艺，并且在结构组装完成后拆除临时支撑。在拆除临时支撑时，支撑的受力状态与结构的受力状态有了根本改变钢结构临时支撑，从原本由临时支撑承担受力转变为结构自身承担受力。在那些大体量的钢结构工程里，临时支撑所承受的支座反力最大时常常能达到成百上千吨。

在搭设临时支撑之前，要进行全过程施工工况的模拟计算分析，这个分析要严谨。然后根据计算结果，科学合理地设置支撑点，选择支撑体系的搭设方案，并且确定支撑体系的卸载工艺方法。同时，在施工过程中，要进行周密细致的组织管理。这些步骤是结构受力体系由临时支撑受力向结构自身受力平缓、安全过渡的重要环节。

在国家重点工程“国家游泳中心”的钢结构施工中，涉及“延性多面体钢框架结构”。施工单位通过计算机进行全过程模拟演算分析后，运用手动螺旋千斤顶，采用同步等距的卸载工艺，对承载重量达 6700 吨的支撑体系实施了卸载操作，最终安全高效地完成了钢结构的施工任务。

该工法施工技术属于“国家游泳中心新型多面体空间刚架结构施工技术研究”的核心技术之一。在 2007 年 5 月 16 日，北京市建委组织并主持了“国家游泳中心新型多面体空间刚架结构施工技术研究”科技成果鉴定会。专家们一致认为，该项目的施工综合技术达到了国际领先水平。

2.特点

结构安全性良好。在小行程等距多步卸载的情况下，杆件内力在卸载过程中的变化较为平缓，从而避免了应力出现突变的情况。

成本低且环保性好。它采用手动螺旋式千斤顶，这种千斤顶经济、简单且实用。与计算机中控液压式千斤顶相比，其费用大幅降低，并且没有能源消耗，也不会造成污染。

工艺操作比较简便。施工人员能够比较容易地掌握操作要领，这样就能保证对卸载行程进行良好的控制。

利用数据处理与反馈技术来指导施工，并且对施工措施的受力部位进行实体受力试验，这样就能使施工准确且确保安全。

2.5采用手动螺旋式千斤顶,操作直观动作准确。

3.适用范围

本工法适用于多种钢结构类型的多支点大跨度钢网格结构的卸载。

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在进行钢结构安装之前，要依据钢结构平面形状的特点以及下部结构所允许的支撑条件，来对钢结构安装临时支撑体系进行布置和设计。该支撑体系是通过工况模拟计算得以确定的，并且会根据受力情况来进行支撑体系的设计。当钢结构安装完成且焊接完毕，并经过验收合格之后，就可以进行统一卸载了。采用同步且等距离的方式，将所有卸载支撑点向下移动。这样一来，千斤顶会随着逐级卸载而逐步退出工作状态。通过这种方式，能够让钢结构平缓地达到设计受力状态。

5.工艺流程及操作要点

5.1工艺流程

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5.2.1卸载前施工准备

1、卸载点千斤顶设计布置

千斤顶选择手动螺旋式千斤顶，规格根据计算机模拟演算确定。

2、卸载支撑点的试验与检查

1）卸载支撑点的试验

通过计算机模拟来计算受力结果，接着以此为依据设计打设卸载支撑点的脚手架。卸载支撑点有 3 种搭设形式。

第一种塔架由 9 根间距为 600mm 的单立杆组成，可承受 4t 以下重量的荷载，其横杆步距为 1200mm，详见图 5.2.1-1；第二种塔架由 16 根间距 400mm 的单立杆组成，能承受 4t 以上、9t 以下重量的荷载，横杆步距为 600mm，见图 5.2.1-2；第三种塔架由 32 根间距 400mm 的双立杆组成，可承受 9t 以上重量的荷载，见图 5.2.1-3。按设计搭设形式检查支撑体系搭设形式与荷载是否相匹配。

图5.2.1-1 荷载4吨以下支撑架详图

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图5.2.1-3 荷载大于9吨支撑架详图

2）对三种支撑点进行1：1实体加载试验。

对每种支撑形式都进行加载试验，加载的数值从 9KN 逐渐增加到 600KN。并且这三种形式的支撑能够满足卸载的需求，可参考图 5.2.1-4。

图5.2.1-4支撑架加载试验图

2、卸载过程组织及人力安排

总指挥统一指挥卸载工作，卸载时采用对讲机。对于每个卸载点的千斤顶，都要划出下移刻度线（每格 5mm），以此来严格控制千斤顶的下降行程。可参考图 5.2.1-5。

图5.2.1-5 卸载组织结构图

总指挥承担现场的统一指挥工作，每次可卸载 5mm。现场的操作管理人员按照区域进行划分，每个卸载点安排两名操作人员，管理人员每人负责 2 到 3 个卸载点，他们各自对自己责任区内的卸载点进行观察，倘若出现问题就立即与指挥人员取得联系。在卸载过程中，对那些应力比较大的杆件的焊缝进行重点监测。同时设置了监测总控制中心，以便集中实时监测相关杆件的应力以及位移情况。这样做是为了给整个卸载过程的决策提供真实且有力的数据。

卸载之前，要对所有参加卸载的管理和操作人员进行技术交底、质量交底以及安全交底，以此来保证卸载的精度以及施工人员的安全。同时，要对所有参加卸载的施工人员提前进行模拟训练。具体来说，由现场总指挥进行统一指挥，规定下降速度，所有施工人员按照口令在各自的区域进行千斤顶的模拟下降操作。

为防止意外情况发生时千斤顶弹出伤人，需事先将千斤顶绑固在主体钢结构上。

5、支撑点反变形措施

为使支撑点受力能够均匀，需要在卸载千斤顶顶面节点之间垫一块钢板，这块钢板的厚度为 20mm，尺寸为 300*300mm，详图 5.2.1-6 中有相关说明。

图5.2.1-6 千斤顶措施图

在进行卸载操作之前，需要把非卸载点部位的千斤顶高度降低 20mm。之后要对其进行 24 小时的观察。在观察期间没有出现异常情况后，就可以将其拆除。

5.2.2预卸载

为进一步了解承重结构的变化情况，在卸载前一天进行预卸载操作。预卸载时千斤顶行程为 5mm。预卸载完毕后，需对卸载部位承重架的变化情况、千斤顶的下降高度、结构焊缝的质量情况以及屋架挠度的变化情况进行一次全面检查。只有各项检查合格无误后，才可以进行正式卸载。

5.2.3 同步等距卸载

卸载时使用同步等距的方式，每个卸载行程的长度是 5mm。需要提前在千斤顶上用油漆喷涂出 5mm 间距的格子。卸载时要统一指挥操作人员，每次让其下降一格。卸载操作的情况如图 5.2.3 - 1 所示。

图5.2.3-1 千斤顶操作图

卸载要做到同步性。一个行程完毕后，各个工位的操作人员需要通知指挥员。监测时，确认监测杆件的应力和位移没有异常后，通知总指挥，然后再统一进行下一个行程的卸载。见图 5.2.3-2。

图5.2.3-2 过程检查记录图

5.2.4检查各项情况并记录

每一个卸载行程完毕后，各个工位的操作人员要重新检查各项目，确保无误后，记录卸载过程控制资料，然后等候进行下一行程的卸载。

5.2.5卸载过程监测

为了评估结构在卸载过程中的安全状况，需要对大应力杆件的应力和应变进行监测。

卸载监测的作用是评定构件的安全性。它会采用光纤光栅应变传感器来实时跟踪测试现场卸载时的数据，接着把这些数据与材料设计强度进行比较，以此确定其安全水准。通过这样的方式，为屋盖的卸载提供安全评估，同时也能对不利情况提供现场预警，并且预警指数为 0.9（按照设计要求）。见图 5.2.5-1、图 5.2.5-2。

监测杆件的选择依据钢结构安装方案以及卸载工况。要选择实际应力值比较高的杆件当作监测对象，并且和设计方一起把监测对象确定下来。

图5.2.5-1 传感器安装图

图5.2.5-2 数据监测与反馈图

5.2.6卸载数据比较

我们利用计算机模拟演算技术，对国家游泳中心的卸载工作进行了科学组织，其结果与设计要求完全相符。卸载数据分别在表 5.2.6-1 和表 5.2.6-2 中。

表5.2.6-1 杆件应力监测对比表

表5.2.6-2结构自挠尺寸观测对比表

观测点

初始值

下弦图纸标高

观测值

下挠值

8015

23.553

23.526

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-19

8017

23.528

23.526

23.493

-33

9405

23.528

23.526

23.492

+8

9396

23.528

23.526

23.491

-35

9073

23.573

23.526

23.477

-49

387

23.612

23.526

23.468

-58

7820

23.581

23.526

23.514

-12

2194

23.642

23.526

23.445

-81

2340

23.539

23.526

23.508

-18

图纸要求下弦标高为 23.526m，卸载完成后，屋面下弦标高的最小值是 23.445m，由此可知屋面标高下降的最大值是 81mm，此值可作为观测下挠值的依据，并且该值远低于设计计算的自重荷载挠度 245mm，满足了设计要求。

5.2.7注意事项

在卸载过程中检查群顶的下降高度，查看是否满足规定下降的数值，看是否有多降或少降的情况出现。

千斤顶的受力情况需要进行观察。要查看是否有千斤顶出现卡死未降的情况，以及是否有千斤顶的降值过大。如果发现有这样的情况，需要及时进行更换和调整。

承重架的支撑情况如何呢？有没有出现弯曲变形的情况呢？如果有变形的承重部位，那么就必须及时对其进行补强处理。

检查卸载部位钢构件的焊缝，看是否有因卸载而产生裂纹的部位。如果有，就立即调整该卸载部位千斤顶的行程，或者更换该部位的千斤顶，同时修补撕裂的焊缝。

所有施工人员必须严格依照施工程序来进行群顶的卸载。要按照同时且等距的原则，依据规定数值进行循环卸载。每卸载一个 5mm 的行程，各个操作人员都要向指挥人员汇报自己卸载点的情况。确认 5mm 卸载已经完成后，再统一开始进入下一个 5mm 卸载的操作。

当卸载达到设计规定值时，要观测千斤顶是否停止工作。在卸载过程中，如果有个别卸载点的挠度出现增加，且千斤顶行程不足的情况，就应当通知指挥人员，暂停卸载操作。接着再次计算位移值，对继续卸载是否安全进行核对。在确认无误之后，更换千斤顶，然后继续进行卸载。

6、设备选用

卸载中除了脚手架支撑体系外，所需的材料和设备主要包含：有千斤顶，以及千斤顶上下的支撑钢板，还有应力、应变、位移监测设备以及对讲机等。在施工过程中要考虑到，千斤顶在屋架安装过程里会长期处于受力状态，液压千斤顶会出现回油的情况，这种情况对结构受力的整个过程控制是不利的，因此选用了螺旋千斤顶。千斤顶的性能选型，要依据卸载点的最大支点反力。按照《钢网格结构设计与施工规程》中的规定钢结构临时支撑，先取一个折减系数，这个折减系数在 0.6 到 0.8 之间。然后通过这个折减系数来确定千斤顶的性能选型。

表6卸载点千斤顶规格表：

千斤顶型号(t)

自重（Kg）

自身高度（mm）

可调高度（mm）

数量（个）

16

17

320

180

21

32

28

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200

17

50

54

452

250

87

50

70

618

400

10

对讲机配备数量依据卸载点数量确定，每个卸载点一台。

7.质量控制

7.1监测控制

卸载之前要对所有的卸载点标高进行测量。从这些测量出的点中挑选出 9 个点，把这 9 个点当作卸载过程的监测点。要随时监测这些监测点在卸载前、卸载过程中以及卸载后的绝对标高值，并且把这些监测到的数据当作屋面下挠的控制数据。

对于受力较大的杆件，需要对其进行应力和应变的实时监测。在进行监测时，应该分别挑选拉杆和压杆中设计应力较高的杆件。监测点的布置图如下：

图7.1 监测点布置图

7.2 控制标准

卸载过程中，结构杆件内的应力比小于或等于 0.9 ；卸载完成后，结构的自挠值小于或等于 245mm 。

7.3操作管理控制要点

卸载实施过程中做到了高度集中的统一指挥，并且进行了严谨认真的具体操作。

卸载前要做好精密细致的前期准备工作，需组织所有参与人员，把实施方案和应急预案详细地进行交底。

安排模拟训练，然后依据模拟中所反映出的问题，进行必要的完善工作以及调整工作。

准备应急人员，还要准备需要的备用千斤顶等设备。对于应力检测设备，必须预备不间断电源。

正式卸载时要严格按照操作规程进行操作并做好记录，要及时将相关信息反馈出去，并且要听从总指挥的统一指挥。

8、安全措施

卸载之前，要通告所有在现场内的施工单位以及个人。接着要清理现场，除了进行卸载操作以及指挥的人员之外，其他不相关的人员都不可以进入卸载区。并且要将卸载区以下的架体用警戒线封闭起来，以防止出现意外情况。

8.2 点位标注清楚不同的反力，实际放线做到准确。在卸载之前，要严格检查千斤顶的工作性能以及卸载点下支撑架的情况。要是发现千斤顶在“带病工作”，就应该立刻进行更换。对于扣件式脚手架，要特别留意步距的设置，还有上部平台钢板以及工字钢的摆设；对于安德固脚手架，要特别注意保证独立塔架的步距，以及与周边架体的拉接，还有上部工字钢的型号和摆设方法。

仔细检查钢结构自身的焊接情况，查看卸载区域及计算工况中假定需要满焊区域的结构是否已形成稳定体系且没有漏焊；同时检查焊接部位是否已 100%通过自检以及第三方检验。

在卸载过程中，不可以随意拆除脚手架的基本构架杆件。因为这样做会防止破坏脚手架的整体性。卸载过程中如果需要拆除部分杆件，那么这些杆件必须经过主管人员的同意，并且采取相应的补救措施之后，才可以进行拆除。

所有施工人员进入施工现场时，需要做好三件事：戴好安全帽、系好安全带、穿好防滑鞋。工人在脚手架面上进行作业，一定要挂好安全带。为了防止出现意外情况，卸载人员的安全带要挂在主钢结构上。在任何情形下，都严禁从架上向下抛掷材料以及其他物品。

每步卸载作业完成之后，8.6 必须把架上剩余的材料物品移走。同时，要清理脚手架面上的多余物品，以防止坠落伤人。

卸载前需对所有千斤顶的性能进行检查。同时，为避免在发生意外情况时千斤顶飞出伤人，应先将每个千斤顶与主体钢结构连接并固定。

8.8 卸载时切断除监测电源外的所有电源。

在卸载过程中，要注意观察结构支座位移变形的情况，还要注意观察是否有异常响动等异常现象。同时，如果遇到恶劣天气，应停止卸载。

在 8.10 的卸载过程中，监测到记录的应力比有较大变化。所以应当暂停卸载操作，接着进行计算。只有在确认计算无误之后，才可以继续进行卸载。

9.环保措施

本工法采用螺旋式千斤顶无噪音，对环境无影响。

10.效益分析

将螺旋式千斤顶与液压千斤顶进行对比后可以发现，手动螺旋式千斤顶的费用比液压千斤顶低，成本也比液压千斤顶低，两者的总费用相差 1590782 元。关于这两种方法的经济比较情况详见表 10。

表10 经济效益分析表

11.应用实例

中央美术学院展厅采用了等距多步的卸载方法，卸载后其结构下挠值满足设计要求，取得了良好效果。

国家游泳中心主体钢结构基于“泡沫”理论，将自然界泡沫在三维空间进行了有效分割，从而形成了“延性多面体钢框架结构”，这种结构体现了“水晶体”的概念。该工程钢结构是把十二面体和十四面体在空间组合堆积后，再进行有效分割和扭转，进而形成了空间结构。主体钢结构节点在空间分布上没有规律，杆件与节点围合的形状很不规整，这使得节点杆件的构造变得复杂多样且不标准。结构的形式是前所未有的，整个结构的外形呈立方体状，结构化卸载点布置在弦平面的下方，下弦平面的球节点总数为 1400 个，其中卸载点有 135 个，总体用钢量为 6700 吨。如图 11 - 1：

图11-1 国家游泳中心结构图

浦东文献中心主楼的钢结构工程是一种箱形立体交叉斜拉结构，其尺寸为 82.5 米*82.5 米。该工程的最大边梁悬挑长度达到 37.5 米。同时，它将桥梁拉索的理念融入到民用建筑中，设计新颖且独特。总体的用钢量为 6700 吨。卸载时采用 128 点支撑，卸载的总重量为 12000 吨（包含楼板），如图 11-2、图 11-3、图 11-4 所示。

图11-2浦东新区文献中心钢结构工程脚手架支撑体系

图11-3浦东新区文献中心钢结构工程卸载监控

图11-4 上海浦东新区文献中心竣工图