大跨度馬鞍型空間鋼結構支撐卸載工法

《大跨度馬鞍型空間鋼結構支撐卸載工法》是北京城建集團有限責任公司完成的建築類施工工法，完成人是李久林、邱德隆、高樹棟、萬里程、楊慶德，適用於雙向結構跨度均不大於333米的大跨馬鞍型鋼結構工程的支撐卸載施工。

《大跨度馬鞍型空間鋼結構支撐卸載工法》主要的工法特點是採用了分圈同步、分階段整體同步的卸載步驟和由外向內的卸載順序；減小卸載點水平力；強調卸載過程液壓系統的計算機同步、頂升反力和位移控制。

2008年01月31日，《大跨度馬鞍型空間鋼結構支撐卸載工法》被中華人民共和國住房和城鄉建設部評定為2005-2006年度國家一級工法。

基本介紹

• 中文名：大跨度馬鞍型空間鋼結構支撐卸載工法
• 工法編號： YJGF016-2006
• 完成單位： 北京城建集團有限責任公司
• 主要完成人：李久林、邱德隆、高樹棟、萬里程、楊慶德
• 套用實例：國家體育場鋼結構工程
• 主要榮譽：國家一級工法（2005-2006年度）

形成原因

大跨度馬鞍型鋼結構正逐步被套用於體育場館結構，截至2005年，因其複雜的傳力體系，中國國內外鋼結構施工單位對其卸載施工尚無成熟的技術和經驗可借鑑，卸載過程不確定性因素較多、實施難度大。探索總結大跨度馬鞍型鋼結構支撐卸載施工技術對於推動大跨馬鞍型鋼結構在大型體育場館的套用具有積極意義，同時從節約資源的角度也符合中國的可持續發展國策。

《大跨度馬鞍型空間鋼結構支撐卸載工法》是北京城建集團有限責任公司根據《國家體育場大跨度馬鞍型鋼結構支撐卸載技術研究及套用》的研究成果，自行研製的大跨度馬鞍型鋼結構支撐卸載工法。

工法特點

與傳統鋼結構卸載工藝相比較，《大跨度馬鞍型空間鋼結構支撐卸載工法》具有以下特點：

1.根據馬鞍型鋼結構體系的受力變形特點以及安裝支撐點的具體布置，通過卸載過程仿真對比計算分析，採用了分圈同步、分階段整體同步的卸載步驟和由外向內的卸載順序。

2.針對大開口屋蓋結構卸載存在的較大水平位移，提出了減小卸載點水平力的關鍵工藝。

3.改良了傳統的卸載工藝，突出強調了卸載過程液壓系統的計算機同步、頂升反力和位移控制，並對卸載過程全過程進行實時監控量測，確保卸載過程的零風險。

4.突出強調建立以總指揮為核心、以作業層為指令對象，專家顧問組對卸載全過程進行信息分析和技術指導的卸載組織機構。

操作原理

適用範圍

《大跨度馬鞍型空間鋼結構支撐卸載工法》適用於雙向結構跨度均不大於333米的大跨馬鞍型鋼結構工程的支撐卸載施工，其他結構體系的空間大跨度結構卸載施工可參考執行。

工藝原理

《大跨度馬鞍型空間鋼結構支撐卸載工法》的工藝原理敘述如下：

通過卸載仿真對比計算分析，確定分圈同步、分階段整體同步的卸載步驟和由外向內的卸載順序；採取控制支撐點接觸面摩擦係數措施以減小水平力作用；以計算機控制支撐反力、位移的集群液壓千斤頂同步卸載系統為核心。實現卸載指令、卸載操作的自動化和集成化，輔以結構應力、變形等監測工作以確保卸載安全順利進行。

施工工藝

• 工藝流程

《大跨度馬鞍型空間鋼結構支撐卸載工法》的支撐卸載工藝流程如圖1。

圖1 支撐卸載工藝流程圖

卸載時，為保證指令傳遞、信息反饋迅速、準確無誤，應建立以總指揮為核心、以作業層為指令對象的組織機構，其指令及信息傳遞流程如圖2。

圖2 支撐卸載指令及信息傳遞流程圖

操作要點

《大跨度馬鞍型空間鋼結構支撐卸載工法》的操作要點如下：

一、卸載仿真計算、卸載方案及操作手冊編制

1.卸載前，應根據工程特點通過仿真分析對卸載步驟和順序進行最佳化比選，最後確定卸載步驟和順序以及卸載過程中的變形、應力控制點作為卸載位移和頂升力控制的依據。

2.根據分析結果編制卸載專項方案和卸載操作程式手冊，並據此對施工隊進行全面的技術交底及培訓工作，確保卸載工作的順利進行。

二、卸載系統安裝調試

1.卸載設備地面單機調試。

2.卸載設備高空分區調試。

3.卸載系統全面調試：卸載前，應對卸載系統進行空載聯調和負載聯調試驗，檢驗液壓千斤頂卸載系統的可靠性。實現對卸載操作人員的演練，檢驗卸載方案和卸載組織管理的可行性、總結卸載組織管理過程中的不足之處，確保卸載過程的零風險。

三、卸載點水平位移消除

大開口馬鞍型鋼結構體系卸載時其卸載點的水平位移是相對較大的，該水平位移作用於液壓千斤頂則表現較大的側向力，其數值均超過液壓千斤頂的抗側向力的能力。因此，必須採取措施最大限度地消除卸載點水平位移。

為消除卸載點水平位移，一般採取以下措施：

1.卸載時每個卸點應採取支撐墊塊（片）與液壓千斤頂交替作用的方式進行卸載。

2.通過加鋼斜楔子措施，使液壓千斤頂與結構本體接觸面由斜面接觸改為平面接觸，並在鋼斜楔子與液壓千斤頂之間墊不鏽鋼鋼板並抹潤滑油，最大限度地減小接觸面的摩擦力，如圖3所示。

圖3 卸載點消除水平力裝置圖

3.選擇帶可旋轉鞍座的液壓千斤頂，使卸載設備本身具有較強的抗側向力的能力，可旋轉鞍座如圖4所示。

圖4 可旋轉鞍座示意圖

四、卸載實施程式

卸載前，先將每一步的卸載量和計算頂升力要求輸入系統，然後按照確定的卸載步驟操作，每一卸載步進行卸載結構和支撐系統的全面監測和信息處理，以確定所完成卸載步是否正常、是否進行下一步卸載。如所完成卸載步正常則按照既定程式進行下一步卸載，如所完成卸載步異常則進行卸載方案最佳化並按照最佳化卸載方案進行下一步卸載。

卸載指令傳遞到卸載操作中心後，每一卸載步的指令傳遞程式如下：

1.當卸載系統為全自動控制系統時，首先由中央控制器向區域控制器發出欲執行的卸載指令信號，然後所有區域控制器檢查所轄區域泵站和千斤頂工作正常後發出確認信號，最後中央控制器向泵站和千斤頂發出卸載指令、進行卸載操作。

2.當卸載系統為非全自動控制系統時，首先由中央控制器向區域控制器發出欲執行的卸載指令信號，然後所有區域控制器檢查所轄區域泵站和千斤頂工作正常後發出確認信號並油泵操作員按照卸載指令信號扳動換向閥，最後中央控制器向泵站和千斤頂發出卸載指令，進行卸載操作。

五、卸載過程監測

卸載過程中應設定支撐系統應力及變形監測系統、結構本體應力應變監測、結構本體溫度監測系統和結構卸載變形監測系統等全方位、全過程的實時監控系統，以實現卸載過程的信息化施工。

六、卸載應急預案

對於卸載過程中各種突發事件，宜按表1確定對應處理措施進行處理。

表1 卸載過程中非正常情況及對應處理措施表

序號	分類	表現形式	處理人員	處理方法
1	動力故障	千斤頂未能提供預測的頂升力	卸載設備提供單位	更換千斤頂
2	動力故障	千斤頂油路不暢	卸載設備提供單位	更換油管
3	計算差異	稱重過程中頂起2毫米個別卸載點墊片與結構表面未脫離	信息處理中心 領導小組 專家組	確認繼續頂升的必要，確認割除或敲出墊片
4	計算差異	卸載過程中，未達到卸載位移量時，單點失去支撐力	實用動力	回頂一次，接觸為止，隨下步卸載，至再次脫離為止
5	計算差異	卸載過程中，達到計算的位移量，單點支撐力仍然較大	信息處理組 領導小組 專家組	全面檢查結構狀態，確定是否繼續卸載，或給定下一個位移截止值，修正卸載順序，繼續卸載
6	結構變形	鋼結構出現異常響聲	信息處理中心 領導小組 專家組	對出現異常部位進行檢查，確認無誤後，繼續卸載；否則進行加固處理
7	塔架變形	監測到的塔架變形大於原要求	信息處理中心 領導小組 專家組	調整千斤頂位置，確保最小的偏心作用，調整臨近的千斤頂頂升力，加固塔架
8	重大差異	¥突破設計院的最大位移截止值，仍有較大支撐力	信息處理中心 領導小組 專家組	現場暫時停止卸載，並將各點保持到原支撐狀態，設計院詳細核算，以及全面檢查鋼結構質量情況後，確定是否繼續卸載
9	天氣	突發暴雨	領導小組	立即停止卸載，用墊片將支撐點楔緊使各點保持到原支撐狀態。雨後全面檢查後恢復卸載
10	計算差異	卸載點局部受壓破壞	信息處理中心 領導小組 專家組	立即停止卸載，用墊片將支撐點楔緊使各點保持到原支撐狀態。加大千斤頂墊板尺寸
11	電力故障	突發停電	領導小組	立即停止卸載，用墊片將支撐點楔緊使各點保持到小立柱支撐狀態。查明原因，緊急搶修

參考資料：

材料設備

《大跨度馬鞍型空間鋼結構支撐卸載工法》涉及的主要設備與材料如表2。

表2 主要設備及材料

序號	設備名稱	數量	主要用途	備註
1	千斤頂	每卸載點2台	頂升用	20台備用
2	油泵	同卸載點數量	加壓用	6台備用
3	區域控制器	10台	區域控制	可根據卸載面積調整
4	中央控制器	1台	總控	╱
5	對講設備	同卸載人員數量	溝通信息	╱
6	標尺	同卸載點數量	測量位移	╱
7	監測設備	╱	應力應變監測	╱
8	氣焊割槍	同卸載點數量	切割塔架墊塊	╱
9	氧、乙炔瓶	同卸載點數量	切割塔架墊塊	╱
10	榔頭	同卸載點數	敲擊墊片	╱
11	鋼楔子	每卸載點2個	調整卸載量	╱
12	滑動塊	同卸載點數	消除水平位移	╱

質量控制

一、應執行的標準規範

《大跨度馬鞍型空間鋼結構支撐卸載工法》應執行的主要標準規範有《鋼結構工程施工質量驗收標準》GB 50205—2001、《網架結構設計與施工規程》JGJ 7—1991、《網殼結構技術規程》JGJ 61—2003和《工程測量規範》GB 50026—93等。

二、質量控制要點

《大跨度馬鞍型空間鋼結構支撐卸載工法》施工時，質量控制要點如下：

1.卸載前鋼結構製作、安裝檢驗批及各分項工程驗收完畢，工程實體質量驗收完畢，並且相應施工資料整理完畢並經監理單位簽字確認。

2.卸載過程中嚴格控制各卸載點卸載位移的同步精度，確定各卸載點不同步精度控制在3毫米範圍內。

3.卸載過程中要及時處理結構本體的應力應變監測數據。對發生卸載點應力超過設計要求的點要及時處理，確保卸載過程中結構本體的安全。

4.加強各卸載點處結構本體變形控制，各卸載點的局部變形控制在允許範圍內。

安全措施

採用《大跨度馬鞍型空間鋼結構支撐卸載工法》施工時，除應執行國家、地方的各項安全施工的規定外，尚應遵守注意下列事項：

一、安全保護措施

1.卸載前對作業人員進行卸載期間的安全教育。

2.卸載前要仔細檢查各卸載點的構造處理情況，保證符合技術要求。

3.卸載前要清理屋面上的雜物及卸載作業區域內的雜物，卸載過程中，屋面上下不得進行其他作業。

4.卸載過程中，協調與監視人員要時刻觀察，保證作業人員的步調一致，如其中一個點出現問題，其他點的作業人員應停止卸載。

5.作好安全通道，如遇意外，要立即組織人員撤離卸載區域。

6.現場建立安全管理小組，由主抓生產的副經理主管安全活動，配備專職安全員，嚴格安全值班制度。卸載時安排專職安全員，分別負責屋面和支撐塔架及卸載作業點的安全巡視工作，發現安全隱患及時匯報，並停止卸載，立即採取相應措施。

7.嚴格遵守和執行國家及市有關施工現場安全、消防保衛規定，加強施工現場消防保衛工作。

8.加強領導，建立組織，明確責任，把消防保衛工作列入工作日程。經常進行教育，每日檢查一次，做到時間、人員落實。

二、卸載安全要點

1.強化指揮，服從指令，協調一致。

2.前提條件，必須完成，全面檢查，確認簽字。

3.技術交底，安全交底，多次進行，全員參加。

4.建立機構，組織充分，人員精幹。

5.禁止圍觀，無關人員，不得入內。

6.所有人員，堅守崗位，不得離崗、串崗。

7.五級以上風、雨、霧天氣，停止作業。

8.發現異常情況，及時匯報。

環保措施

《大跨度馬鞍型空間鋼結構支撐卸載工法》施工的環保措施主要從以下方面進行：

1.對卸載操作人員配備必須的個人防護用品，採取措施保證切割操作時產生的火花不會傷及作業人員及卸載設備。

2.強化職業衛生宣傳教育及現場跟蹤監測工作，對作業人員定期進行體檢，以便及時發現問題，預防和控制職業病。

3.及時收集、清理卸載作業人員產生的生活垃圾等廢棄物。

4.加強液壓系統的管理與維護，避免因液壓千斤頂、油管或油泵等設備漏油對結構本體的二次污染。

效益分析

一、經濟效益和環保節能效益分析

《大跨度馬鞍型空間鋼結構支撐卸載工法》的經濟效益和環保節能效益是一致的，主要表現為工程工期延誤造成的直接經濟損失。以國家體育場鋼結構工程為例，該工法的產生的經濟效益和環保節能效益主要在於解決了國家體育場鋼結構工程關鍵技術難題，保證了工程的順利進行；以工期延誤造成的損失計，工期每延誤一個月將產生直接經濟損失約1000萬元。

註：施工費用以2005-2006年施工材料價格計算

二、社會效益分析

《大跨度馬鞍型空間鋼結構支撐卸載工法》的社會效益是明顯的，主要表現為：

順利實現了國家體育場鋼結構支撐的成功卸載，為國家體育場鋼結構工程按期竣工奠定了基礎。同時也對鋼結構施工領域內大跨度、大噸位異形空間結構卸載具有借鑑作用和直接指導意義。

套用實例

《大跨度馬鞍型空間鋼結構支撐卸載工法》的關鍵技術來源於《國家體育場大跨度馬鞍型鋼結構支撐卸載技術研究及套用》的研究成果，截至2005年，僅有國家體育場鋼結構工程一個實例。但是，國家體育場鋼結構工程的成功卸載表明，該工法技術上是可靠的、經濟上是合理的，可廣泛套用於大跨度建築鋼結構領域，具有廣闊的推廣套用前景。

國家體育場工程為北京"2008"奧運會主會場，鋼結構工程由24榀門式剛架圍繞著體育場內部混凝土碗狀看台區旋轉而成，其主次結構編織成"鳥巢"的造型。鋼結構屋面呈雙曲面馬鞍型，最高點高度為68.5米，最低點高度為40.1；平面上呈橢圓形，長軸為332.3米、短軸為297.3米；屋蓋中部的開口內環呈橢圓形，長軸為185.3米、短軸為127.5米。

工程設計用鋼量約42000噸，卸載噸位約12000噸，卸載總面積約60000平方米，有78個卸載點、且單點卸載噸位大、最大點支撐力約300噸，卸載難度大。

在進行支撐卸載施工時，按照該工法規定的卸載工藝流程、操作要點及質量控制要點等進行卸載施工。整個卸載工作歷時3天半、監測結果顯示屋蓋的最大垂直位移量在內環短軸方向，與理論相符，平均最大位移為271毫米，與設計計算的理論最大位移值286毫米相差5%；主體鋼結構的實測應力與理論計算值吻合良好。國家體育場鋼結構支撐卸載成功。圖5為卸載完成後實物圖片。

圖5 卸載完成後實物圖片

榮譽表彰

2008年01月31日，中華人民共和國住房和城鄉建設部發布《關於公布2005-2006年度國家級工法的通知》建質[2008]22號，《大跨度馬鞍型空間鋼結構支撐卸載工法》被評定為2005-2006年度國家一級工法。