劉 星 楊 俊 張 斌

1. 上海建工五建集團(tuán)有限公司 上海 200063；2. 上?？卵芙ㄔO(shè)發(fā)展有限公司 上海 200063

隨著人們對城市功能和需求的變化，越來越多的城市建（構(gòu)）筑物需要更新。更新中的一項(xiàng)重要工作便是拆除，包括滿堂腳手架人工拆除、爆破拆除、大型機(jī)械拆除等，拆除過程中建筑物的質(zhì)量變化、應(yīng)力分布的分析計(jì)算，直接影響施工安全。由文獻(xiàn)[1]可知，上海浦東國際機(jī)場收費(fèi)口待拆除雨篷為空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，分三段拆除，針對中間段跨度最大的部分下放進(jìn)行有限元施工模擬，發(fā)現(xiàn)吊點(diǎn)位置斜腹桿有失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，故采取角鋼加固焊接措施；桂崢嶸等[2]通過對某機(jī)庫屋蓋網(wǎng)架整體提升進(jìn)行有限元分析，對受拉力較大的下弦桿的球節(jié)點(diǎn)采取加強(qiáng)焊點(diǎn)焊縫質(zhì)量抽查的措施，以保證結(jié)構(gòu)在施工階段的穩(wěn)定性；某展館會(huì)展區(qū)采用空間大跨度桁架結(jié)構(gòu)，針對其上弦桿連接板斷裂的事故采用有限元進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在臨時(shí)支撐解除后，節(jié)點(diǎn)板的應(yīng)力高達(dá)1 398.1 MPa，遠(yuǎn)超出規(guī)范的341 MPa的要求[3-5]。因此，本項(xiàng)目的拆除有必要開展仿真分析工作，特別是對于周邊環(huán)境十分復(fù)雜、現(xiàn)場空間狹小等不利工況的應(yīng)力變形分析，拆除前事先采用安全保障措施，確保工程順利結(jié)束。

1 工程概況

上海體育館因大賽需要升級(jí)改造，館內(nèi)有一個(gè)可供演出的大型舞臺(tái)單體（圖1），建于1999年，用于懸掛舞臺(tái)燈光、舞美、裝飾、空調(diào)等設(shè)備。因現(xiàn)在舞臺(tái)位置改為看臺(tái)，原大型舞臺(tái)單體需要拆除廢棄。舞臺(tái)鋼構(gòu)架平面尺寸為53.752 mh 35.453 m，頂標(biāo)高為＋21.500 m，總質(zhì)量約190 t，共由13榀縱向、9榀橫向平面管桁架組成。桁架一端支撐于E 軸的混凝土柱牛腿上，牛腿頂面標(biāo)高為＋17.750 m，另一端通過2組錐形格構(gòu)柱支撐于標(biāo)高為－0.500 m的基礎(chǔ)面上。在距離地面7.450 m處有一個(gè)混凝土平臺(tái)，為保留結(jié)構(gòu)。

圖1 上海體育館大舞臺(tái)構(gòu)造示意

本工程拆除難度高，主要有以下幾個(gè)方面原因：

1）空間狹小，無法在場內(nèi)外使用大型起重設(shè)備。頂部縫隙在20～40 cm之間，地面原有7.5 m平臺(tái)保留，舞臺(tái)中央有小基坑，體育館內(nèi)部地面為地壟墻與木地板，無法承載大型起重機(jī)，只能使用25 t以下。

2）舞臺(tái)附屬設(shè)備體積大，滿堂腳手架高空散拆困難。舞臺(tái)附屬設(shè)備、風(fēng)管、橋架等設(shè)備體積大，需要在高空先行拆除下放。另外，如果滿堂腳手架搭設(shè)約3.5萬 m3，桁架桿件質(zhì)量在90 kg/m左右，需分割再下放。

3）倒錐形柱拆除時(shí)水平分力大，難以克服。

4）大舞臺(tái)鋼構(gòu)架服役近30年，拆除過程中部分構(gòu)件受力增加，安全隱患大。出于對上述施工難點(diǎn)的綜合分析考慮，最終決定采取 逆向同步下放、三次解體、五段拆除 的施工工藝進(jìn)行拆除。

2 館內(nèi)大舞臺(tái)單體逆序同步拆除綠色施工工藝

2.1 大舞臺(tái)單體的逆向同步下放工藝

本拆除施工工藝借助原舞臺(tái)鋼構(gòu)架，在其基坑位置內(nèi)設(shè)置2臺(tái)塔架，一側(cè)設(shè)置2臺(tái)三角支架，作為同步下放支撐結(jié)構(gòu)架體；接著，在另外一側(cè)中部設(shè)置2套附墻垂直導(dǎo)向軌，以及在三角支架的立桿上設(shè)置2道簡易臨時(shí)導(dǎo)向軌，作為大舞臺(tái)鋼構(gòu)架下放導(dǎo)向裝置。通過頂部液壓提升系統(tǒng)連接鋼構(gòu)架上弦，鋼構(gòu)架一側(cè)由牛腿支撐處解除受力，將結(jié)構(gòu)重力荷載轉(zhuǎn)移至塔架處，割除倒錐形格構(gòu)柱底部支撐，將其所支撐的大舞臺(tái)質(zhì)量轉(zhuǎn)移到三角支架上，轉(zhuǎn)移后懸臂端處安裝導(dǎo)向軌引導(dǎo)懸臂端豎向滑移，提高下放時(shí)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。通過動(dòng)力裝置、牽引裝置、承載力轉(zhuǎn)換裝置，同步升降館內(nèi)大舞臺(tái)單體，開展分段拆除和下放工作，直到拆除完畢為止（圖2）。

圖2 舞臺(tái)鋼構(gòu)架整體下放施工方案

2.2 大舞臺(tái)單體的三次解體和五段拆除

大舞臺(tái)單體第1次拆除部分為牛腿支撐處鋼架邊緣圈，將承重荷載轉(zhuǎn)換至液壓提升系統(tǒng)處。鋼構(gòu)架下放至保留混凝土平臺(tái)處時(shí)，解體第2部分鋼架，令剩余的第3部分鋼架可順利無阻礙地下放至地面拆除。大舞臺(tái)單體五段拆除是將倒錐形格構(gòu)柱沿著豎直方向分5段拆除，在格構(gòu)柱主肢上焊接牛腿并安裝支架支撐體系，通過液壓提升裝置與格構(gòu)柱交叉替換承受結(jié)構(gòu)重力。 三次解體 與 五段拆除施工相互交替進(jìn)行，在第3段格構(gòu)柱割除后，鋼構(gòu)架降至保留平臺(tái)進(jìn)行第2部分解體。待格構(gòu)柱全部拆除后，解體第3部分鋼構(gòu)架（圖3）。

圖3 舞臺(tái)鋼構(gòu)架三次解體施工方案

3 鋼構(gòu)架荷載轉(zhuǎn)換施工優(yōu)化分析

在施工工藝特點(diǎn)方面，主要圍繞拆除過程中引起大舞臺(tái)單體重心變化的現(xiàn)象進(jìn)行仿真分析，篩選出大舞臺(tái)單體拆除過程中的5種不利工況，對應(yīng)倒錐形格構(gòu)柱沿豎向五段拆除的情形。按照圖紙進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，采用空間有限元程序SAP2000。本次提升的作用荷載即為網(wǎng)架結(jié)構(gòu)自身的質(zhì)量和風(fēng)荷載，材料重度為78.5 kN/m3，基本風(fēng)壓取0.4 kN/m2，豎向荷載的荷載分項(xiàng)系數(shù)為1.2，風(fēng)荷載的分項(xiàng)系數(shù)為1.4，支座約束為提升吊點(diǎn)üüZ向固定、XY向彈簧。有限元分析結(jié)果顯示：

1）在第1階段，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力比為0.80，豎向位移為－23.50～2.46 mm，結(jié)構(gòu)的臨界荷載安全系數(shù)最小值為2.4，大于1，滿足規(guī)范的穩(wěn)定系數(shù)要求，結(jié)構(gòu)安全。

2）在第2階段，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力比為0.80，豎向位移為－24.05～2.46 mm，結(jié)構(gòu)的臨界荷載安全系數(shù)最小值為2.4，大于1，滿足規(guī)范的穩(wěn)定系數(shù)要求，結(jié)構(gòu)安全。

3）在第3階段，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力比為0.67，豎向位移為－71.99～5.40 mm，結(jié)構(gòu)的臨界荷載安全系數(shù)最小值為9.6，大于1，滿足規(guī)范的穩(wěn)定系數(shù)要求，結(jié)構(gòu)安全。

4）在第4階段，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力比為0.63，豎向位移為－72.60～5.45 mm，結(jié)構(gòu)的臨界荷載安全系數(shù)最小值為9.8，大于1，滿足規(guī)范的穩(wěn)定系數(shù)要求，結(jié)構(gòu)安全。

5）在第5階段，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力比為0.59，豎向位移為－85.50～6.55 mm，結(jié)構(gòu)的臨界荷載安全系數(shù)最小值為10.1，大于1，滿足規(guī)范的穩(wěn)定系數(shù)要求，結(jié)構(gòu)安全。

4 對薄弱構(gòu)件的加固處理

4.1 加固點(diǎn)一仿真分析和現(xiàn)場應(yīng)對措施

對大跨度鋼架結(jié)構(gòu)的拆除，最重要的是防止鋼架在下放過程中局部屈服導(dǎo)致整體坍塌。在鋼構(gòu)架開始拆除的過程中，鋼構(gòu)架重力承載結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)換，由原來的混凝土柱牛腿和倒錐形格構(gòu)柱轉(zhuǎn)移到2臺(tái)塔架和2臺(tái)三角架，結(jié)構(gòu)重力進(jìn)行重分布，較為危險(xiǎn)。用Midas軟件對此階段的大舞臺(tái)進(jìn)行整體仿真分析和局部吊點(diǎn)分析（圖4）。

圖4 鋼構(gòu)架荷載轉(zhuǎn)換施工模型

鋼構(gòu)架采用梁單元模擬，格構(gòu)柱處2個(gè)吊點(diǎn)僅約束Dx、Ry，格構(gòu)柱底部全部固結(jié)。鋼構(gòu)架僅受重力、風(fēng)管等附加構(gòu)件并按重力附加系數(shù)形式計(jì)算，重力安全系數(shù)取1.5。由于施工在室內(nèi)，受風(fēng)荷載影響較小，因此暫不考慮（圖5）。

圖5 鋼構(gòu)架荷載轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)應(yīng)力

16Mn鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為295 MPa，在結(jié)構(gòu)重力重分布后，在2組塔架與格構(gòu)柱底部，鋼架構(gòu)件出現(xiàn)較大應(yīng)力，尤其是塔架處上弦桿，達(dá)到1 743 MPa，遠(yuǎn)超出設(shè)計(jì)允許范圍，格構(gòu)柱處最大應(yīng)力為239 MPa。

針對計(jì)算結(jié)果，決定采取以下措施：在塔架吊點(diǎn)位置增加桁架加固裝置對鋼構(gòu)架進(jìn)行加固；格構(gòu)柱焊接牛腿的主肢上焊接通長T形加固桿件及環(huán)形加勁板。從有限元輸出結(jié)果可見：提升下吊點(diǎn)最大應(yīng)力為290 MPa，發(fā)生在錨固點(diǎn)局部，最大變形為5 mm。

4.2 加固點(diǎn)二仿真分析和現(xiàn)場應(yīng)對措施

在模擬每段格構(gòu)柱切除后的結(jié)構(gòu)受力情況時(shí)發(fā)現(xiàn)，第5段格構(gòu)柱拆除時(shí)，牛腿焊接在近鋼架與格構(gòu)柱交接點(diǎn)上，受力復(fù)雜，為重點(diǎn)關(guān)注的施工階段。由于受到限位板與立架限制，牛腿處邊界僅釋放Rx。塔架處不再受懸臂端導(dǎo)軌約束，約束Dz及Ry。通過對格構(gòu)柱第5段開始下放切割前狀態(tài)的模擬，發(fā)現(xiàn)在提升吊點(diǎn)處，格構(gòu)柱主肢應(yīng)力達(dá)到近600 MPa，格構(gòu)柱最大位移為93 mm，說明鋼構(gòu)架在此階段已處于失穩(wěn)狀態(tài)，局部節(jié)點(diǎn)不安全。鋼構(gòu)架節(jié)點(diǎn)處為下桁架鋼管及斜腹鋼管的交接處，提升位置距離節(jié)點(diǎn)較近，節(jié)點(diǎn)處受力較為復(fù)雜，采用桿系分析方法無法計(jì)算節(jié)點(diǎn)實(shí)際受力情況，因此采用實(shí)體有限元模型進(jìn)一步分析計(jì)算（圖6、圖7）。

圖6 格構(gòu)柱第5段拆除施工結(jié)構(gòu)應(yīng)力

圖7 格構(gòu)柱第5段拆除施工結(jié)構(gòu)位移

在實(shí)體有限元模型建立中，所有桿件端部按固結(jié)計(jì)算，從4.2節(jié)的計(jì)算結(jié)果中提取提升點(diǎn)支反力，在牛腿處施加一個(gè)向上的400 kN提升力，考慮分項(xiàng)系數(shù)1.4。通過有限元分析發(fā)現(xiàn)，水平大圓管屈服，且受力復(fù)雜，受壓彎扭，前4段割除時(shí)牛腿后面是豎向鋼柱及桁架斜桿，抗彎剛度較大，抗壓由圓管全截面承擔(dān)。而最后一段節(jié)點(diǎn)，鋼管是水平的，壓力和圓管垂直，牛腿的偏心彎矩由水平鋼管抗扭承擔(dān)。節(jié)點(diǎn)鋼管變形處，最大應(yīng)力為800 MPa，牛腿處最大位移為23 mm。

針對計(jì)算結(jié)果，制定了相應(yīng)的加固方案：在牛腿環(huán)形肋板處增加豎向加勁板。加固后牛腿端部的位移減小為7 mm，最大應(yīng)力為275 MPa，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求（圖8）。

圖8 節(jié)點(diǎn)加固后受力分析

5 結(jié)語

本工程采取 整體下放、三次解體、五段拆除 的工藝進(jìn)行拆除，面臨大舞臺(tái)單體的重心、位置和外形階段性變化復(fù)雜條件，傳統(tǒng)施工經(jīng)驗(yàn)難以應(yīng)對。本工程對施工過程中的不利工況進(jìn)行仿真分析，對鋼構(gòu)架荷載轉(zhuǎn)換施工階段及格構(gòu)柱第5段拆除吊點(diǎn)關(guān)鍵構(gòu)件進(jìn)行單獨(dú)分析，計(jì)算結(jié)果表明，塔架吊點(diǎn)處及格構(gòu)柱底部應(yīng)力較大，為此，對薄弱構(gòu)件進(jìn)行加固，優(yōu)化結(jié)構(gòu)件，使結(jié)構(gòu)受力滿足規(guī)范要求。此次實(shí)踐表明，有限元計(jì)算分析能有效發(fā)現(xiàn)在復(fù)雜環(huán)境下的施工過程中可能出現(xiàn)的安全隱患，指導(dǎo)現(xiàn)場及時(shí)采取應(yīng)對措施，順利完成了拆除任務(wù)，同樣也為類似工程的施工提供了參考。