大跨钢桁架支撑胎架卸载施工工法.docx
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大跨钢桁架支撑胎架卸载施工工法
大跨度钢桁架支撑胎架卸载施工工法
河北建设集团有限公司内蒙古分公司
王小春、王煦、程晓利、李宾、张波
1.前言
在现行建筑行业的施工中，钢结构以其跨度大、强度高、自重轻、刚性好、变形能力强等优点，越来越多的被应用于大跨度和超高、超重型的建筑工程当中。
鄂尔多斯市体育中心游泳馆为2015年第十届全国少数民族运动会主场馆。
屋盖采用大跨钢桁架结构。
钢桁架跨度大，最大跨度达128m。
荷载重、体量大，用钢量约为3358T。
造型复杂，施工难度高。
施工时，采用临时支撑胎架作为空中支撑平台进行钢结构组装，在组装完成后经验收合格再拆除临时支撑。
在卸载过程中，支撑胎架和钢桁架的受力状态发生了根本性的变化，支撑胎架所受的荷载逐渐减小至零，钢桁架由临时胎架支撑转换为完全依靠自身受力。
若胎架的支承力卸载释放不合理，会造成屋盖钢桁架结构破坏或胎架失稳，后果十分严重。
因此保证卸载过程的安全过渡至关重要，大跨钢桁架支撑胎架的卸载是钢结构施工中最为核心的一个环节。
在以往的钢结构卸载过程中，由于施工难度大、不确定因素多，施工单位不重视等，尚无总结形成比较成熟的卸载经验。
本工程采用“分步骤多次循环微量下降”卸载方法。
在整个卸载过程中实时监测，检测结果：
结构的实际变形值、实际应力变化值与理论数据相对比,符合结构设计和相关规范标准要求,卸载取得了圆满成功。
本工法是与天津大学联合开展大跨度空间结构相关课题研究的关键技术之一。
采用该工法实施卸载所取得的数据与研究结果，为同类工程积累了第一手现场资料作为理论依据，提供了安全、可借鉴的实践经验。
本工程质量预控目标为中国建筑工程最高奖——鲁班奖，已于2013年4月荣获中国建筑钢结构金奖。
2.工法特点
2.1通过计算机仿真计算，确定采用“分步骤多次循环微量下降”的卸载方法，支撑胎架整体同步卸载，避免出现过大变形、位移，保证受力转换安全且稳定。
2.2卸载过程中，实时监测各项数据，做到同步卸载、变形协调、分阶循环。
使应变
与应力变化平稳过渡，保证相邻支撑点受力不会产生突变，确保支撑胎架及钢桁架的结构安全。
2.3钢桁架杆件的应力应变没有超过相关规范规定的允许范围，避免出现影响工程的使用功能及安全性能的变形和位移情况。
3.适用范围
本工法适用于跨度大、单榀桁架重量大、多榀桁架构造相同的空间桁架结构施工，尤其适用于大跨度钢桁架放射状空间结构体系的中心支撑的卸载施工。
对其它大跨度钢桁架结构工程，例如体育场馆、展览馆、影剧院、航空候机大厅及其他大型公共建筑和工业生产厂房等工程的施工有着重要借鉴意义。
4.工艺原理
4.1通过应用计算机模拟仿真计算分析技术进行受力分析，制定出大跨钢桁架支撑胎架卸载施工专项方案。
通过理论分析指导整个卸载过程,以保证杆件应力应变在卸载过程中始终保持在控制的允许范围之内。
4.2本工程钢桁架空间结构体系的中心加强环下设计布置4个支撑胎架，平均分布在距离中心半径为4m的中心加强环的圆周上，支撑胎架高度大约为24m。
每个支撑胎架荷载约为115T，上面有3个支撑点。
在10m处设计连接平台，24m处的设计头部支撑平台。
支撑胎架模拟仿真图见图4.2-1，现场实际支撑胎架见图4.2-2。
图4.2-1支撑胎架三维图
图4.2-2中心加强环下钢结构支撑胎架
4.3在卸载过程中，以理论计算为根据，以结构安全为宗旨，以实时监控为核心，以平稳过渡为目标，遵循“变形协调、卸载均衡”的原则。
4.4分步骤多次循环微量下降，每阶段下降量按理论计算值下降。
根据理论计算计划分五个阶段修割支撑点来进行卸载。
4.5采用同步缓慢修割支撑点的方法，使桁架自然平缓的下降到第一阶段。
检查桁架安全及整体下降情况。
若正常则采用同样的方法，下降到第二阶段。
重复进行，直至桁架完全脱离支撑点。
4.6严格控制卸载时每一阶段高程精度，卸载过程实时跟踪监测，通过计算机对卸载过程实时分析并指导卸载施工。
以确保卸载安全顺利进行。
实现大跨度钢结构体系由临时支撑受力平稳地过渡到自身受力的过程。
5.工艺流程及操作要点
5.1施工工艺流程
卸载前准备工作→卸载实施第一步→卸载过程监测→分析各项情况是否正常→若正常则进行下一步卸载→逐级完成→直至桁架完全脱离支撑胎架→数据分析→卸载圆满成功。
5.2操作要点
5.2.1卸载前准备工作
1．本工程屋盖钢结构，在卸载前必须完成以下方面的工作：
1）斜筒柱混凝土浇筑强度达到100%。
2）钢桁架构件全部安装完成，节点全部焊接完成。
3）构件、节点质量通过验收合格。
4）根据计算机模拟仿真计算分析数据编制卸载专项施工方案。
5）排查高空作业及高空坠物的安全隐患。
在卸载区域下拉安全警戒带，并设明显的安全警示牌。
6）对卸载人员进行安全技术交底，让每个人员熟练掌握自己的操作步骤。
7）复测钢结构工程的高程及平面控制网，并以此做基准，来监测卸载过程中钢桁架及胎架的应力应变等情况。
2．模拟卸载
在正式卸载前进行模拟演练，主要调试应力应变检测设备系统、检验卸载指挥小组的通畅运行、检测卸载操作人员的技术水平、检验专项方案的可行性。
总结不足之处，最终确认是否具备卸载条件，确保卸载过程零风险。
在各项模拟工作完成且确认具备卸载条件后可实施卸载。
5.2.2卸载实施
1．卸载过程采用“分步多次循环微量下降”方法来实现整体卸载，遵循同步卸载、变形协调、分步循环的原则。
通过设计理论计算，屋盖钢桁架结构附加上屋面檩条及马道的荷载，整体钢结构在独立承重后将出现不同程度的下沉，最大竖向位移设计理论值为-69mm，发生在中心加强环上。
2．为让钢桁架均匀、渐进地自主受力，防止个别支撑点集中受力，根据计算所得位移值，采用所有支点每阶段同时修割最大值不大于15mm的下降法直至拆除支撑架。
本工法计划分五个阶段修割支撑点来进行卸载，具体卸载方法如下：
第一步：
按预定卸载方案进行精确的控制各次卸载量，在桁架下的临时支撑胎架上画上标记线，标出每次下降量的控制线。
第二步：
采用同时缓慢修割支撑点的方法，使桁架自然平缓的下降到第一阶段，下降量为9mm。
第三步：
检查桁架焊接节点及与斜筒柱连接处的情况，监测桁架整体下降情况。
若无非正常情况出现则进行下一步。
第四步：
采用同时缓慢修割支撑点的方法，使桁架自然平缓的下降到第二阶段，下降量15mm。
第五步:
重复第三步。
第六步:
采用同时缓慢修割支撑点的方法，使桁架自然平缓的下降到第三阶段，下降量15mm。
第七步:
重复第三步。
第八步:
采用同时缓慢修割支撑点的方法，使桁架自然平缓的下降到第四阶段，下降量15mm。
第九步:
重复第三步。
第十步:
采用同时缓慢修割支撑点的方法，使桁架自然平缓的下降到第五阶段，下降量15mm。
3.在第五阶段完成后，观察屋盖钢桁架中心加强环是否完全脱离支撑点支点，若脱离，则卸载情况正常。
钢桁架静置1天，然后对主桁架的焊缝逐个认真检查，同时用全站仪对主桁架进行检测，变形满足设计要求后再进行支撑胎架支点的拆除。
5.2.3卸载过程监测
1.为了在卸载过程中的对结构安全状况进行评定，与设计方共同确定，选择中心加强环、支撑胎架及实际应力最大的杆件进行应力应变监测。
2．采用光纤传感器实时跟踪检测现场实际数据，及时准确地获取各项参数的变化实况。
传感器安装见图5.2.3-1、图5.2.3-2。
3.把获取的实时监测数据与模拟仿真计算值进行对比分析，用来指导下一步施工。
实现全过程的信息化管理，以确保整个卸载过程在安全掌控之内。
4．给每位卸载施工人员配备一把钢尺，严格按照支撑胎架上先前画好的标记线，精确的量取并控制每个阶段的卸载量。
5．在卸载实施前，用全站仪测量胎架各支撑点的坐标。
每次卸载后，测量卸载点的标高，以确定下一次卸载量的调整值。
若标高与理论设计相符，则下一次卸载量不需要做出调整，仍按原计划进行。
6．在卸载的过程中，对胎架基座标高、胎架垂直度、胎架节点焊缝在每个卸载阶段都要进行监测，发现问题及时处理。
5.2.3-1传感器安装图
（一）5.2.3-2传感器安装图
（二）
5.2.4卸载数据比较与分析
1．施工过程中的结构受力与设计状态不完全一样，整个结构体系受力是个逐步建立的过程，特别是在卸载过程中，存在着结构转换，受力状态发生根本变化，桁架结构受力从临时支撑胎架转换到工作状态受力，部分杆件受力特性可能发生改变，因此对施工过程中的若干关键工况需要进行计算，对可能发生的不利因素进行提前预警，以保证结构施工的安全。
2．确保卸载安全的关键是全过程监测各项数据的变化情况，并与设计理论计算值进行对比分析，及时反馈数据指挥现场卸载施工。
确保构件在最终进入使用状态后的应力应变在预计范围内。
3．大跨度钢桁架屋盖按预定步骤载完成后，杆件应力比如下图、表所示：
图5.2.4-1施工状态杆件最大应力比
图
5.2.4-2设计状态杆件最大应力比
图5.2.4-3施工状态与设计状态应力比差值
表5.2.4-1应力监测结果汇总表
表5.2.4-2中心环挠度监测汇总表
序号
观测点位置
卸载累计下挠值（mm）
1
24轴
65.93
2
33轴
60.54
3
28轴
65.24
4
15轴
67.93
5
11轴
62.22
4．结论：
1）施工状态最大应力比为0.230，设计状态最大应力比为0.227。
结构杆件在施工状态与设计状态的最大正差值为0.034。
目前所测最大应力为95.78Mpa,为设计值（300Mpa）的32%，结构应力处于安全状态。
2）监测结果表明钢桁架结构最大竖向位移发生在中心加强环上，与理论设计相符。
在模拟仿真计算中，屋盖钢结构附加上屋面檩条及马道的荷载后，最大竖向位移设计理论值为-69mm。
卸载后实测最大下挠值67.93mm。
各项监测数据技术指标表明：
偏差在允许范围之内，实测值与理论计算值能够较好的吻合，满足设计要求和相关规范标准，结构下挠处于安全状态。
图5.2.4-4支撑胎架卸载完成图
（一）
图5.2.4-5支撑胎架卸载完成图
（二）
5.3劳动力组织
表5.3卸载人员组织情况一览表：
序号
单项工程
所需人数
备注
1
总、副总指挥
3
2
专家
3
3
指挥员
4
4
卸载操作员
12
5
监测员
3
6
结构检查员
6
7
安全应急员
3
8
调度员
3
9
技术员
2
合计
39人
6.材料和机具设备
本工法无需特别说明的材料，采用的机具设备见下表。
表6卸载主要设备和仪器统计表：
序号
名称
型号
数量
备注
1
应力、应变监测设备
UCAM-60B
1套
2
水准仪
DS3
1台
3
全站仪
GTS—102N
1台
4
经纬仪
SZ.2—DT200
2台
5
割枪
QG4—100
4付
6
对讲机
T5428
6部
7.质量控制
7.1工程质量控制标准
7.1.1本工程施工质量应符合:
1.屋盖钢桁架结构体系中心加强环竖向位移最大不超过设计理论值-69mm。
2.在整个安装以及卸载过程中，结构应力比最大不超过0.230。
结构在安装完成后杆件应力比最大损失不超过0.034。
7.1.2施工质量控制应严格执行的国家及行业标准：
《钢结构设计规范》（GB50017-2003）；
《钢结构工程施工质量验收规范》（GB50205-2001）；
《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）；
《建筑变形测量规程》（JGJ8-2007）；
《工程测量规范》（GB50026-2007）。
7.2质量保证措施
7.2.1在卸载过程中，钢结构由临时支撑受力逐步转换为依靠自身受力，转换过程中支撑胎架系统及钢桁架结构的受力十分复杂。
为了保证整个卸载过程的安全，力的平稳过渡，必须建立严格的组织管理体系。
7.2.2复测钢结构工程的高程及平面控制网，并以此做基准，来监测卸载过程中钢桁架及胎架的应力应变等情况。
7.2.3卸载前钢结构施工验收合格,并经业主、设计、监理等相关单位签字确认。
7.2.4卸载前进行仔细的前期准备工作，对所有参加卸载人员进行专项方案和应急预案交底。
7.2.5卸载前进行模拟卸载，总结并整改模拟卸载中可能出现的问题。
7.2.6卸载过程中，要时刻保证指挥、操作、检测协调一致，实时跟踪测量和监控信息传递及反馈快速准确。
7.2.7每个支撑点上修割要听从统一指挥，统一操作，禁止任何一点支点修割量过大。
7.2.8卸载过程中,要做到同步卸载、变形协调、分步骤多次循环、微量下降。
7.2.9为实现荷载的平稳转移，卸载前先计算好支撑点的应力应变，通过变形量确定每各阶段的修割量，确保所有支点每阶段同时修割最大值不大于15mm，通过多次循环微量下降，实现荷载的平稳转移。
7.2.10桁架与支撑点支点完全脱离后静置1天，然后对桁架认真检查，满足设计要求后再拆除支撑胎架支点。
8.安全措施
8.1认真贯彻“安全第一，预防为主”的方针，根据国家有关规定，结合工程具体特点，组成专职安全应急管理体系，加强安全管理和安全教育，严格执行各项安全生产规章制度。
8.2卸载前仔细检查节点焊缝、构件，并且通过第三方检验合格，才可进行卸载。
8.3检查高空作业和高空坠物等安全隐患，检查安全网的完善性。
卸载前清理钢结构上面的杂物。
卸载过程中严禁高空抛物。
8.4应对无关人员清场，保证卸载过程中没有其他专业进行施工作业。
8.5在卸载区域拉设安全警戒线，作好安全警示标识。
8.6对卸载人员进行技术交底，让每个人员熟悉自己的操作步骤。
8.7严格遵守施工用火审批制度。
凡从事电焊修割作业的人员必须持特种作业证上岗，实行持证上岗,并应使用面罩或护目镜，佩戴相应的劳保用品。
8.8所有施工人员必须戴好安全帽、穿好防滑鞋、系好安全带。
8.9卸载过程中，安全人员加强钢结构的安全检查，确保卸载作业安全进行。
8.10如遇意外情况，应立即启动应急预案：
8.10.1情况：
在卸载过程的每个阶段中，部分支撑点不能同时达到标高要求。
处理：
若是施工人员技术水平问题，要及时更换不能胜任的人员。
若是理论计算偏差，则重新制定卸载专项方案。
8.10.2情况：
卸载过程中，未达到设计要求的标高位置，单点失去支撑力或者达到了设计要求的标高位置，仍有较大的支撑力。
处理：
参建各方共同分析，找出原因，如：
是构件制作安装误差，还是理论计算有误等。
针对具体原因，制定措施。
8.10.3情况：
钢桁架结构屋盖出现明显异常响声。
处理：
对出现异常部位进行检查,确认无误后继续卸载。
否则进行加固处理。
8.10.4情况：
支撑胎架发生较大垂直度和侧弯偏差。
处理：
对胎架进行补强加固，使其满足继续使用的要求。
9.环保措施
9.1成立对应的施工环境卫生管理机构，在工程施工过程中严格遵守国家和地方的有关环境保护的法律、法规和规章，
9.2在卸载区域拉设安全警戒带，设立安全警示牌。
做到醒目、齐全、布置合理，施工场地整洁文明。
9.3卸载操作人员佩戴个人安全防护用品,采取必要的措施保证卸载切割时产生的火花不会伤及其他人员。
9.4在卸载前，管理机构应对所有参加卸载人员进行安全环保教育，卸载成功以后要组织人员及时清理卸载废弃物。
9.5在施工工程中，严格执行工地环境管理方案严格，控制施工过程中的环境污染。
10.效益分析
本工法解决了鄂尔多斯市体育中心游泳馆大跨钢桁架屋盖工程施工最关键的技术难题。
采用分步骤多次循环、微量下降、缓慢修割胎架支撑点的卸载技术。
简化了施工工序，保证了施工质量，确保了施工进度，提高了工作效率，节省了设备开支，从而降低了工程造价。
形成了良好的经济、社会等效益。
10.1经济效益分析
与采用液压千斤顶卸载方法相比，采用本工法施工经济效益分析:
10.1.1本工法简单科学，施工速度快，保证了工程施工进度的正常进行，避免了由于工期延误而造成的直接的巨大经济损失。
10.1.2节约成本具体如下：
液压千斤顶费用节约：
12个×18700元/个=189000元
泵站费用节约：
1个×10万元/个=100000元
累计节约:
189000+100000=289000元
本工法施工费用明细：
人工费：
2人×200元/人.天×89=35600元
支撑点钢型材等材料费约为：
12个支撑点×1416元/点=17000元
按本工法施工总费用：
35600+17000=52600元
结论：
本工法总计可节约成本：
289000-52600=236400。
采用本工法施工既达到了设计要求，又节约了施工成本。
10.2社会效益分析
10.2.1采用“分步骤多次循环微量下降”的卸载，保证了结构受力的安全过渡，提高操作工人施工安全性，保证了生命、财产的安全。
10.2.2支撑胎架的成功卸载，证明了我公司施工质量的优质，技术水平的高超。
提高了企业信誉，取得了良好的质量技术效益。
10.2.3本工法采用的卸载措施完全符合绿色文明施工的要求，有效的节约了资源，不会对环境造成任何影响，环保效益十分显著。
10.2.4在鄂尔多斯的城市建设史上书写了浓墨重彩的一笔。
为第十届全国少数民族运动会如期举行做出了应有的贡献，得到了业主、监理、设计等社会各界的高度好评。
10.2.5其成果具有重要的理论意义和工程实用价值，为今后的同类大跨钢桁架空间结构体系工程提供了宝贵的理论依据和实践经验，促进钢结构行业卸载技术的进步，有着很广阔的应用前景，取得的社会效益十分明显。
11.应用实例
11.1工程实例概况
11.1.1鄂尔多斯市体育中心游泳馆工程地下一层，地上三层，总建筑面积：
4.8万㎡。
檐口最高点27.000m，巨型斜柱最高点标高36.700m。
游泳比赛池50×25×3m，跳水比赛池25×25×6m，热身池50×15×1.8m。
看台坐席共4042座。
游泳馆主体结构类型为钢筋混凝土框架结构，屋盖为大跨钢桁架结构，屋面为复合铝镁锰合金屋面，幕墙有玻璃幕墙和蜂窝铝板幕墙。
工程造型复杂，结构体量大。
可举办全国性和单项国际比赛，工程将成为康巴什新区地标性建筑，具有重要的政治意义。
11.1.2主馆钢结构由中心加强环及其向四周引出的36榀放射状主桁架组成的圆形大跨度空间结构体系，最大跨度约128m。
36榀主桁架均匀的分布在360°的圆形场馆上，分别与36个巨型混凝土斜柱相连。
游泳馆钢结构安装工程量约3358T。
大跨度钢桁架示意图见图11。
本工程中心加强环下共有4个支撑胎架，平均分布在距离中心半径为4m的圆周上，支撑胎架高度大约为24m米，在10m处设计连接平台，24m处的设计头部支撑平台。
每个支撑胎架所受荷载约为115T。
每个支撑架上有3个支撑点。
图11.1.2游泳馆大跨度钢桁架示意图
11.1.3在进行支撑胎架卸载施工时,按照本工法规定的卸载施工工艺流程、操作要点、质量保证措施、安全措施及应急预案等进行卸载施工。
结构应力应变实测值与设计理论值相吻合，满足设计要求及相关规范标准。
鄂尔多斯体育中心游泳馆大跨钢桁架支撑胎架卸载取得圆满成功。
11.2其它工程应用实例概况
11.2.1鄂尔多斯市体育中心体育馆工程地下一层，地上三层，总建筑面积：
7.6万㎡。
檐口最高点33.850m，巨型斜柱最高点标高41.500m。
体育建筑等级为甲级，可举办全国性和单项国际比赛。
主题设施按照NBA标准设计，内设看台12000席，与游泳馆沿弧线相联接。
体育馆建筑主体采用钢筋混凝土框架结构，屋盖采用大跨钢桁架结构体系。
本工程屋盖大跨钢桁架结构采用本工法工艺进行施工，安全和实用效果明显，达到了预期目标，与游泳馆、体育场共同构成大型甲级体育建筑群。
图11.2.1体育馆工程效果图
11.2.2通过实践证明了本工法的科学性、合理性，完全达到了预期的设计效果，在钢桁架屋盖的安全性、实用性等方面均得到了有力的证明。
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