張軍烈
上海建工七建集團(tuán)有限公司 上海 200050
國(guó)內(nèi)對(duì)大跨度鋼結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)施工方面已進(jìn)行過(guò)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(jié)構(gòu)卸載工具的工藝技術(shù)。本文充分借鑒所述砂箱工藝技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),針對(duì)非直角雙向大型懸挑鋼桁架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),在充分模擬計(jì)算的基礎(chǔ)上,結(jié)合全過(guò)程的應(yīng)力、應(yīng)變監(jiān)測(cè)手段,采用經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的鋼丸砂箱作為臨時(shí)支撐卸載工具,從而實(shí)現(xiàn)了在構(gòu)件安裝階段臨時(shí)支撐體系的穩(wěn)定有效,以及在支撐卸載階段各臨時(shí)支撐點(diǎn)的同步控制,保證鋼桁架結(jié)構(gòu)應(yīng)力的平穩(wěn)轉(zhuǎn)換[2-6]。因此,在大噸位鋼丸砂箱設(shè)計(jì)及桁架結(jié)構(gòu)初始內(nèi)應(yīng)力控制上,本文所述的相關(guān)工藝具有一定的先進(jìn)性。
上海臨港科技創(chuàng)新城A 0 2 0 2 地塊項(xiàng)目建設(shè)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(gè)裙房和3個(gè)塔樓,其中裙房3層,塔樓層數(shù)不一(地面以上15~18層)。塔樓建筑外形呈“水晶體” 造型,極具現(xiàn)代氣息(圖1)。
本工程裙房共3個(gè)單體,其中1#裙房采用非直角雙向懸挑桁架,最大懸挑段長(zhǎng)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(zhǎng)41.6 m;3#裙房采用單向懸挑桁架,最大懸挑段長(zhǎng)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(zhì)最高等級(jí)為Q420GJ,其中特厚板厚度范圍60~120 mm。本項(xiàng)目總用鋼量約26 000 t。本文選取懸挑長(zhǎng)度最大的1#裙房的4榀桁架作為研究對(duì)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
裙房雙向桁架在合攏端部以103°交會(huì),單榀桁架呈現(xiàn)轉(zhuǎn)角式,整個(gè)桁架結(jié)構(gòu)均采用高強(qiáng)厚板,焊接過(guò)程中對(duì)結(jié)構(gòu)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(gè)桁架體系采用現(xiàn)場(chǎng)高空原位散裝,采用Midas等軟件對(duì)整個(gè)安裝過(guò)程進(jìn)行模擬計(jì)算,根據(jù)結(jié)構(gòu)形成過(guò)程中的反力設(shè)計(jì)相應(yīng)的支撐體系,保證桁架體系形成過(guò)程中的穩(wěn)定性、安全性,并實(shí)現(xiàn)最小的初始應(yīng)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(zhì)量為50 t,作業(yè)區(qū)域?yàn)榈叵率翼敯澹殞?duì)比分析經(jīng)濟(jì)效益、施工周期后,選擇合理的吊裝設(shè)備和頂板加固方式。
整體結(jié)構(gòu)形成后,通過(guò)支撐卸載順序模擬,判定內(nèi)力轉(zhuǎn)換過(guò)程中結(jié)構(gòu)及臨時(shí)支撐的安全穩(wěn)定性,同時(shí),模擬最終卸載完成后的結(jié)構(gòu)豎向位移變形量和桿件初始內(nèi)應(yīng)力,并通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬分析數(shù)據(jù)的對(duì)比,進(jìn)行結(jié)構(gòu)形成過(guò)程的安全控制。
1)卸載前,復(fù)核每個(gè)臨時(shí)支撐位置的桁架下弦標(biāo)高,并做好記錄。
2)確定卸載順序和步驟。
3)對(duì)卸載人員進(jìn)行交底,掌握卸載流程及卸載方法要點(diǎn)。
4)桁架卸載前,樓層混凝土應(yīng)澆筑完成并達(dá)到28 d設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。
5)檢查砂箱是否正常工作。
結(jié)合本工程懸挑桁架跨度、特點(diǎn),采用砂箱進(jìn)行卸載。通過(guò)砂箱將φ609 mm圓管臨時(shí)支撐與懸挑結(jié)構(gòu)連接。在傳統(tǒng)砂箱基礎(chǔ)上,將砂箱上段優(yōu)化為灌注高強(qiáng)灌漿料形成實(shí)心柱體,將砂箱下段填充物調(diào)整為細(xì)粒鋼丸,實(shí)現(xiàn)砂箱本體在大荷載作用下無(wú)變形,且具有長(zhǎng)期作用下的耐久性。上部鋼結(jié)構(gòu)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(shí)支撐體系的卸載(圖4)。
圖4 砂箱設(shè)計(jì)示意
1)結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換引起的內(nèi)力變化應(yīng)是緩慢的。
2)在卸載過(guò)程中,結(jié)構(gòu)各桿件的內(nèi)力應(yīng)在彈性范圍內(nèi)并逐漸趨近設(shè)計(jì)狀態(tài)。
3)在卸載過(guò)程中,各臨時(shí)支撐點(diǎn)的卸載變形應(yīng)協(xié)調(diào)。
4)卸載時(shí)應(yīng)避開不適宜的環(huán)境狀況,如大風(fēng)、雨雪天氣等。
5)卸載過(guò)程應(yīng)易于調(diào)整控制、安全可靠。
1#裙房懸挑桁架為雙向懸挑桁架,最大懸挑段長(zhǎng)53.2 m。臨時(shí)支撐卸載順序由外向內(nèi)對(duì)稱卸載。在拆除支撐構(gòu)件、鋪設(shè)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(zhǎng)度53.2 m,相對(duì)撓度為1/1 494,變形滿足要求。故通過(guò)模擬計(jì)算后,按照設(shè)計(jì)起拱值進(jìn)行反變形控制。
根據(jù)施工模擬分析,1#裙房共設(shè)置16個(gè)臨時(shí)支撐點(diǎn)位,支撐編號(hào)分別為ZC1—ZC16(圖5)。
圖5 臨時(shí)支撐點(diǎn)布置示意
卸載前模擬每個(gè)支撐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的豎向位移量,針對(duì)每個(gè)點(diǎn)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(dòng)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(jì)算量),完成卸載,剩余支撐點(diǎn)砂箱持續(xù)卸載。砂箱卸載過(guò)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(jì)算量),完成卸載,剩余支撐點(diǎn)砂箱持續(xù)卸載。砂箱卸載過(guò)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(jì)算量),完成卸載,剩余支撐點(diǎn)砂箱持續(xù)卸載。砂箱卸載過(guò)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(jì)算量),完成卸載。至此完成整體卸載。
6)記錄各支撐點(diǎn)位卸載量,桁架靜置24 h后采用全站儀復(fù)測(cè)變形量。
鋼桁架是裙房主體結(jié)構(gòu)的主要支撐構(gòu)件,通過(guò)對(duì)桁架桿件截面的應(yīng)變測(cè)量獲得應(yīng)力值,了解鋼結(jié)構(gòu)在施工階段的實(shí)際受力變化狀況。通過(guò)施工全過(guò)程跟蹤觀測(cè)數(shù)據(jù)與模擬計(jì)算值的對(duì)比,掌握大懸挑桁架桿件的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài),保證裙房結(jié)構(gòu)體系的施工安全和施工質(zhì)量。
在裙房鋼結(jié)構(gòu)卸載完成后,通過(guò)對(duì)裙房桁架應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)得出:在卸載后的結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中(如懸挑部位混凝土樓板澆筑、玻璃幕墻施工等),桁架構(gòu)件應(yīng)力平穩(wěn)增加,結(jié)構(gòu)受力整體穩(wěn)定,并與模擬計(jì)算值基本一致。
在鋼結(jié)構(gòu)的施工監(jiān)測(cè)中,結(jié)構(gòu)位移是一個(gè)極其重要的參數(shù),是了解施工過(guò)程中形態(tài)變化的重要途徑。在施工過(guò)程中,對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位構(gòu)件的變形情況進(jìn)行監(jiān)測(cè),對(duì)于把握結(jié)構(gòu)的變形和位移情況,確保結(jié)構(gòu)的安全性,具有非常重要的價(jià)值。本項(xiàng)目鋼結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)是裙房施工期間的重要部分。通過(guò)對(duì)重要部位進(jìn)行變形監(jiān)測(cè),及時(shí)掌握裙房的位移動(dòng)態(tài),再通過(guò)實(shí)際位移與計(jì)算值的對(duì)比,評(píng)估預(yù)起拱的實(shí)施效果,從而為后續(xù)專業(yè)施工提供優(yōu)良的主體狀態(tài)。
與常規(guī)千斤頂設(shè)備相比,本工程臨時(shí)支撐采用鋼丸砂箱卸載,其具有以下優(yōu)點(diǎn):支撐作用力穩(wěn)定;支撐作用力長(zhǎng)期有效;卸載步驟緩慢,對(duì)已形成結(jié)構(gòu)沖擊小;卸載量可以按位移精確控制;同步作業(yè)設(shè)備操作簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)。
對(duì)整個(gè)卸載過(guò)程進(jìn)行2個(gè)關(guān)鍵步驟控制:在卸載前,模擬分析卸載過(guò)程中各不利情況及結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性;實(shí)施全過(guò)程的應(yīng)力、變形監(jiān)測(cè),測(cè)定卸載過(guò)程中各項(xiàng)數(shù)據(jù)是否滿足模擬計(jì)算要求。本工程通過(guò)選擇卸載方法、卸載順序,使結(jié)構(gòu)達(dá)到安全、穩(wěn)定的設(shè)計(jì)狀態(tài)。特制鋼丸砂箱具有較好的經(jīng)濟(jì)實(shí)用性,在能滿足一定負(fù)載周期及負(fù)載噸位要求的臨時(shí)支撐卸載工具中具有一定的先進(jìn)性。