国家海洋博物馆超长复杂悬挑钢结构卸载关键技术

国家海洋博物馆超长复杂悬挑钢结构卸载关键技术

发表时间：2018-11-21T17:29:42.320Z 来源：《建筑学研究前沿》2018年第22期作者：潘竞龙陈淑霞崔浩然张军[导读] 本工程地处天津市滨海新区中新生态城东侧，建筑物北侧与渤海水域相接。

天津市成套工程管理有限公司天津天津市 300171 摘要：国家海洋博物馆工程由四幢跨陆地、海岸线、海域的白色流线型大型建筑组合而成，外形好似跃向水面的鱼群。海洋博物馆整个结构很多展厅均采取了跨层空间处理，同时建筑外鳍延展 “四肢”伸向海洋的设计，在博物馆的南北端分别有长度不一的悬挑，最大的悬挑桁架悬挑长度是3号馆的北端为48米（含13米幕墙装饰结构）。且整个工程的钢结构的受力支座均为铰接，悬挑的结构受力形式为门式

桁架和钢框架结构的综合体系，两侧悬挑长度和平面不规则，受力分析困难。现结合工程检测数据和实际应用实例，介绍复杂受力体系超长悬挑钢结构卸载的施工方法，通过模拟分析和施工控制，总结了异形复杂钢结构超长悬挑卸载关键技术，在整个卸载过程中钢结构的应力应变值均在设计预控范围内。关键词：异形复杂；超长悬挑；铰支座；胎架支撑、卸载；关键技术；

1 工程概况

本工程地处天津市滨海新区中新生态城东侧，建筑物北侧与渤海水域相接，外形呈四条“鱼跃”造型组合而成，顺接平滑自然，体现了从陆地向海洋延伸的动态建筑形态。工程南北向最长约280m，东西向最宽约270m，建筑周长约1200m，平面呈不规则形态，占地面积约3万m2，总建筑面积8万㎡，建筑高度达33.80m（自室外地坪至建筑屋顶曲面壳体最高点），由结构层（标高为-2.15～±0.00）及地上四层组成。

图3 悬挑体系结构仰视图图4 最大结构悬挑侧视图2 悬挑端的特点及卸载难点1、悬挑端形状复杂，结构体系受力分析困难该悬挑端的结构形式为悬挑桁架和门式桁架组合受力，且两侧悬挑长度不一，平面形状不规则。

2、悬挑长度较大，最大悬挑长度为48m 3号馆北端最大悬挑长度为48m（含13米幕墙结构），对胎架支撑提出了更高的要求。

3、卸载的步骤及卸载时间间隔的选择为保证钢结构的撤撑安全，在整体撤撑前如何选择卸载的顺序是卸载的难点。为能保证悬挑端钢结构能顺利撤除，为能均匀释放杆件内应力，减少受力杆件应力集中造成结构破环，在撤撑阶段的间隔时间选择是难点。

4、拆撑应变值的控制

为保证超长复杂悬挑钢结构的安全，如何监控应力的发展，研究应力的释放规律，采取何种监控手段，是撤撑监控方案选择的重点。5悬挑端撤撑和混凝土板浇筑顺序选择及控制在控制钢结构应力释放时，应考虑混凝土楼板对钢结构应力释放的约束，在先卸载还是先浇筑混凝土的顺序选择是控制的重点。

3 卸载的总体思路

本工程悬挑端为门式桁架结构和钢框架结构的组合受力体系，首先在卸载撤撑前运用有限元分析软件对悬挑端钢结构进行卸载多方案模拟分析，选择最安全、能保证工期的卸载方案，其次对卸载的单级卸载量选择，根据卸载后的监测曲线对每阶段的卸载间隔时间作出科学推断，在卸载完成后撤撑前完成对悬挑端混凝土的浇筑，减少悬挑端混凝土楼板结构对钢结构卸载应力的约束，保证卸载的安全。再次是在卸载过程中和后期上荷过程均应对悬挑端受力较大构件进行全程监控，实时监控各阶段构件的受力状态，并做好记录。

4 卸载的施工方法及关键技术4.1卸载准备工作

4.1.1对胎架支撑进行依次编号1、对胎架支撑进行编号

对胎架支撑点位依次进行编号，以便进行模拟分析。并对胎架实体进行标识，以便卸载过程管理，3号馆北端支撑胎架布置及编号详见图10。

2、监测点位的布置

应力监测点位布置：根据有限元分析结果，对位移云图和应力云图进行列表分析，对代表性框架钢结构杆件和门式桁架钢结构杆件分别进行应力传感器布置，特别对应力集中的部位如柱脚、悬挑梁根部、桁架撑的顶部杆件要增设应力传感器的布置，3号馆北侧悬挑端应力应变监测点布置示意见图6。

位移监测点位布置：超长的悬挑结构悬挑端的位移值较大，要在悬挑端布置变形点位。3号馆北端悬挑位移点监测点位见图7，位移点位布置一般设在悬挑端部的两侧。避免位移监测点位在施工过程中遭到破坏，要设备用点位，以免影响监测结果。

图8 计算模型俯视图图9 计算模型轴测图

2．使用的分析软件为通用的结构分析与优化设计软件进行卸载分析。

根据钢结构招标图纸以及相关技术要求，建立结构的计算模型，在对结构设计和验算时，做到技术先进、安全适用、经济合理、确保质量。使用的分析软件为通用的结构分析与优化设计软件“分别对空间三个方向位移和悬挑端杆件应力分析得出相关的位移云图及应力云图，验算最大位移量和应力值是否满足要求。

4.2、卸载的步骤及顺序

1、根据有限元分析提供的数据，3号馆北端卸载位移量见图10、图11和表1所示，根据支撑架反力值进行由大到小的顺序卸载，单级卸载量不大于10mm，卸载第一步一般为支撑胎架数量的1/2～1/3，具体根据悬挑长度和有限元分析的下沉量，一般单级卸载量不大于

8mm。根据同步卸载原则，每步骤卸载为同步卸载8mm，卸载步骤及顺序如表2所示。

2、卸载考虑了温度对钢结构变形的影响，避免在高温阶段进行卸载，卸载正好是夏天，考虑温度对悬挑结构卸载的影响，我们安排在早6点左右或晚5点左右。

3、在卸载中要根据胎架的标号要求按顺序进行，在卸载过程中安排了专人负责应力应变的监测，发现异常时及时告诉卸载的组长，停止卸载，待处理后再继续卸载。

4、第一步卸载完成后采取对卸荷的胎架做好和结构的临时固定措施，防止在外力条件下倾倒。

4.3、卸载步骤的间隔时间

卸载步骤间的间隔时间根据卸载温度的不同，根据现场检测的曲线图分析，一般温度在15℃～30℃时，在温度值高时的应力值变化较大，温度值低时应力值变化较小，在工期满足的情况下，在每步卸载的应力释放时间都安排为24小时。

4.4、撤撑应力应变值的监控技术

为保证悬挑端钢结构卸载撤撑时的结构安全，本工程的监测主要包括钢结构构件的应力应变检测和钢结构的变形检测。现以3号馆北端最大悬挑为例。

1、监测设备及传感器的选择

（1）系统组成

监控系统主要由传感器和数据采集两部分组成。按照目前的技术能力，应变数据采集可分为两种：一是人工定期采集；二是无线自动采集。

人工定期采集就是在施工现场，定期去现场测量采集数据。

无线应变自动采集系统主要是采用传感器模块现场自动采集，远程自动发送数据接收设备，达到实时监控的目的。无线应变采集系统主要装置包括：传感器、综合采集箱、无线发射装置、接收器等。

2、变形及应力应变传感器点位布置

应力传感器的点位布置以有代表性的杆件为主，监测值能体现钢结构在胎架拆除过程中的应力变化状态，至撤撑后上荷载过程中的主要受力杆件，3号馆北侧悬挑端一共布置应变传感器和应变花136个。3号馆北端悬挑应变传感器和应变花布置示意见图7，各构件的应力传感器和应变花的布置示意如表3所示。

3、设定报警值

施工仿真分析与现场实际情况会存在一定的误差，为确保卸载施工安全，结合其他相关工程施工经验，在卸载应力监测时，构件应力比大于0.5，须停止卸载。

4、监测时间及频率要求

监测时间应从卸载前开始，在卸载全过程进行监控，在卸载完成后每步上荷载过程均应监测，本工程对混凝土浇筑、幕墙荷载、装修荷载等进行全程监控。

5、监测报告

在每步上荷载过程后均应形成了过程监测报告，以便分析主要受力构件的应力应变状态，对特殊的部位应进行特定的分析，对结构的设计和施工提供借鉴。

4.5、悬挑端楼板混凝土浇筑顺序

1、在全部卸荷完成后，胎架临时固定牢固，胎架工装应和悬挑构件应下沉值余量小于20mm，大于10mm，并能承受上部风险荷载。

2、根据多次专家论证，为减少混凝土板钢筋的拉应力对钢结构桁架变形的影响，在胎架支撑未撤除的情况下，组织对楼板混凝土的浇筑，浇筑顺序应从悬挑根部中间向端部开始。在浇筑过程中，要避免集中堆载，减少施工过程安全风险。

5结语

通过施工实践证明，卸载过程中的应力曲线平缓合理，各方向的位移可控。钢结构胎架支撑卸载技术化解了本工程超长复杂悬挑钢结构在胎架支撑条件下卸载风险，并解决了本工程最大超38米悬挑桁架和门式桁架组合受力体系悬挑施工卸载的安全问题，形成了一套完整可为类似工程施工提供施工借鉴的技术资料。

参考文献

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