? 大跨度预应力空间钢结构分区分级阶梯式落架技术 大跨度预应力空间钢结构分区分级阶梯式落架技术
孟祥冲 魏丹阳 梁 锐 尉成伟 马天龙
(中建钢构有限公司北方大区， 北京 100000)
摘 要：落架是钢结构工程由施工状态向设计状态转变的关键性环节。青岛北客站屋盖钢结构为大跨度空间拱形预应力体系，采用了分区、分级、阶梯式的落架方法，同时于区域间设置了落架过渡区段，以缓解应力集中带来的不利影响。落架工艺方面选择液压千斤顶作为主要落架工具，配合针对异型构件落架设计的仿形工装，以垫片抽取的方式完成落架。通过对整个落架施工的计算机模拟分析、顺序及部署、施工工艺以及过程监测共4个方面对大跨度空间钢结构的落架进行探讨，总结出一套行之有效的空间钢结构落架要点。
关键词：预应力钢结构； 空间钢结构； 钢结构分级落架； 落架过渡段； 施工模拟； 分区落架
1 青岛北客站钢结构落架概况
青岛北客站站房钢结构工程为空间拱形预应力结构体系，其形式独特，造型新颖，构件形式复杂。屋盖钢结构由10榀拱形结构组成空间受力体系，拱架结构的主要构件截面皆为异型，且长度较长。每一榀拱架结构由中部屋脊纵梁、2个主拱、2根横梁、6对V形撑、16根交叉拉索及横梁的檩条及次结构组成。拱形体系的跨度为101.2～148.7 m，最大的悬挑长度约为30 m。屋盖结构与下部的高架候车层结构互为独立的结构单元，见图1、图2。每榀拱架间全刚接，无伸缩缝等调节结构设置。
图1 青岛北客站站房钢结构示意
图2 单榀拱架结构示意
屋盖钢结构采用支撑胎架高空原位拼装的方法进行施工，落架为整个安装过程的最后工序。本工程采用分区、分级、阶梯式的方式进行落架，同时设置了防止区域间位移突变产生应力集中的落架过渡区段。屋盖结构总落架面积约60 000 m2，体量1.2万余吨，共有70部支承胎架参与落架。落架过程中最大构件质量达320 t。
2 钢结构落架技术特点
2.1 分区落架：合理部署，降低风险
图3 站房落架区域划分
采用分区落架的方式，可以有效地减小落架组织上的难度，同时可与张拉、涂装、土建施工等工序形成流水，使总体施工部署时间轴上的填充更加合理，利于总体工期的把控。此外，分区落架可以有效地降低落架过程中的风险性，过程中的突发情况可控制于落架区域内部，便于控制。本工程平面上将站房10榀屋盖拱架结构分为5个落架区域，按照由西到东的整体顺序逐区进行落架，如图3所示。2.2 分级、阶梯式落架：逐步落架，平稳过渡
区域内部采用了分级、阶梯式落架的工序流程。“分级”顾名思义为分级次落架，即每个落架点位以若干个小的落架步进行落架，利用工装结构上的落架垫片，每一步落架10 mm。以10 mm为量级进行落架，避免了局部位移过大情况的出现，便于落架过程控制，以实现平稳过渡。
根据屋盖拱架结构拱形受力，采取阶梯式落架的策略。拱架结构具有明显的拱结构受力特点(结构的传力路径见图4)，结构重力荷载经由横梁V形撑、脊梁，传递于人字拱结构，而最外侧V形撑可直接将荷载传递到与其相连的拱脚基础。
图4 拱架结构传力路径
将落架区域内落架点胎架分为3个批次：A为横梁端部(最外侧V形撑附近)；B为横梁及主拱中部(中部V形撑附近)；C为屋脊梁部位(人字拱端部)。根据传力路径，采取A(10 mm)→B(10 mm)→C(10 mm)→A(10 mm)的阶梯式流程进行落架，每部胎架每次落架10 mm，完成全部的10 mm落架后继续此循环，逐步实现全部胎架的落架。
2.3 设置落架过渡段：平滑形变，缓解突变
屋盖结构10榀拱架间依靠主檩桁架连接为一个刚性体系，整个屋盖结构未设置伸缩结构。为防止落架分区交界处由于位移突变产生应力集中，对结构造成不利影响，于落架交界处设置落架过渡区段，过渡区段跟随相邻的两个区域进行落架。过渡区段为：
轴西部、?轴西部、
轴东部、
轴西部上的落架胎架。
过渡区段参与相邻2个落架区域的落架，旨在防止区域间位移突变的发生。当过渡段跟随第一个区域落架时，以同组胎架的50%落架量进行落架，即同组胎架每落架20 mm，过渡段胎架落架10 mm，直至达到过渡段胎架第一批落架的要求值时，停止过渡段胎架的落架。剩余的落架量跟随下一落架分区进行落架，落架时仍遵循同组胎架50%的落架量进行，直至过渡段胎架脱离结构，完成落架。跟随第一区域落架时的要求值由模拟计算所得最终沉降量的一半确定。
3 落架模拟计算
根据既定的落架流程进行计算机模拟分析，验证落架过程结构的安全，并利用落架过程中监测的数据与模拟分析进行对比。分析时利用施工模拟分析中的整体结构模型，加入落架施工阶段，分析全过程的应力、变形情况。
模拟分析所用软件为MIDAS/Gen 7.80，利用施工模拟中建立的结构整体模型，添加落架施工阶段，见图5。
图5 落架过程分析模型
提取各个区域落架过程中的应力包络值及位移包络值进行分析(图6、图7)。各区域落架过程中最大应力及位移结果见表1。
图6 分区落架应力包络值
图7 分区落架位移包络值
对过程中的应力、变形情况进行分析，评估整个结构落架健康情况，可以得出：整个结构按照既定的分区、分级阶梯式落架进行是安全可行的。
表1 各区域模拟分析结果最大值
区域最大应力(过程中)/MPa最大应力(完成后)/MPa最大位移/mm区域11139582区域2999944区域3707033区域4969648区域51439888
同时提取各胎架落架量、关键部位应力及变形值、支承点最大反力值，作为千斤顶选择、顶起力部署及过程监测的理论数据支承。
4 落架工艺
4.1 面向落架的仿形工装体系
针对胎架支承的不同构件，安装、落架过程中的最大反力，分别进行顶部落架工装的设计，分为横梁胎架工装、人字拱胎架工装、屋脊梁胎架工装及门式大跨度胎架工装。落架工装由仿形支撑、主梁结构、落架垫块、支承座节点四部分组成，见图8。
图8 落架工装组成示意
落架时千斤顶安放于工装大梁之上；垫片厚度为10 mm，与落架级量一致。并对结构落架点位置进行加强处理，内设三道全截面的加劲隔板。
落架前，组织人员对落架区域范围内所有主要焊缝进行检查，以排除焊缝隐患，保证落架过程的安全可靠。
落架前将千斤顶安放于落架工装上的设计位置，并将千斤顶通过油管与油泵相连，对整套液压设备进行测试，保证其性能可靠。保证千斤顶中心与轴线重合，安装时要求工装支承座平面斜度不大于3/1 000。
4.2 落架工艺流程
落架油泵采用液压千斤顶配合垫片的方式进行，千斤顶将结构顶起后，抽取落架垫块，千斤顶回缸，实现结构下降。落架的整体工艺流程如图9所示。
图9 落架工艺流程
落架准备工作完毕之后开始作业，油泵操作人员首先以低油压控制千斤顶出缸，使之与仿形工装底部贴合。
油泵操作人员根据模拟计算所得的顶起力值，将设计值分10个小步骤缓慢加压，即每次加载值按照设计值的10%进行。垫片与上部结构脱离时，下部操作人员停止加压并维持该压力值数分钟，并记录此落架点的顶起力实际值，作为后续分析的数据支持。
千斤顶顶起结构后，上部作业人员抽取一片落架垫片(每个垫片厚度为10 mm)，下达千斤顶回缩指令，使工装重新承载结构荷载，完成本落架点的一个级次落架。回缩时按照与加载压力相反的顺序进行，以保证过程安全可控。
每个落架点重复上述的工艺步骤，按照整体落架顺序部署，完成区域内全部的落架作业。上部操作人员对每个落架点的总落架量进行记录。
4.3 过程中预应力张拉
随着钢结构的落架，人字拱逐渐承担起上部屋盖结构的荷载，导致拱脚水平推力不断增大，拱架受力模式见图10。
图10 落架对拱脚承台的影响
为了平衡落架带来的拱脚推力，防止拱脚基础因过大推力超过位移限值而失效，于本区域第一级落架完毕(即区域内所有胎架落架10 mm)后，进行区域内拱脚拉索的第三级张拉，见表2。张拉时停止落架作业，待张拉完成后继续落架。
表2 拱脚拉索张拉力设计值
轴线张拉值/kN轴线张拉值/kN?3500?2800?4200?3800?3000?3500?2600○K2600?2400
5 落架过程监测
5.1 落架过程监测部署
落架过程中对结构进行全过程的竖向位移及应变监测，点位布置见图11、图12。于每榀拱架布置7个位移监测点，选择典型的3榀拱架(
轴、
轴、
轴)布置应变监测点。
图11 位移监测点布置
图12 应变计测点布置
测点1—测点3、测点5—测点7布置于横梁上V形撑节点位置，每榀拱架中选择一榀横梁进行布置。测点4位于人字拱与屋脊梁相交处，可反映屋脊梁及人字拱的位移状态。
变形监测所用仪器为高精度全站仪；应力 - 应变监测所用仪器为BGK - 4000系列振弦应变计，配合BGK - 408振弦读数仪进行数据采集。
钢结构落架过程中，每一区域内完成一级落架，对区域内所有监控点相对标高值进行一次测量。每完成一个区域的落架后，对落架完成的所有区域监测点的相对标高值进行测量，以研究后续落架对已完成落架区域结构的影响。应力监测方案以每完成区域内一级落架为间隔进行监测。
5.2 落架监测结果分析
对落架监测结果进行分析处理：
1)分析实际数据与模拟计算理论值的偏差如图13、图14所示(编号TJ1、TJ2为拱架端部胎架；TJ3为拱架中部胎架)。
—●—南侧及中部最大顶起力；—■—北侧最大顶起力；
—·—100%设计力值；----130%设计力值。
图13 区域内顶起力对比分析
—▲—南侧及背景胎架实际值；—■—理论计算落架量；
—●—北侧胎架落架实际值。
图14 区域内落架量对比分析
由图13、图14可以看出，整体竖向情况与理论计算较为吻合。
2)对比南北对称位置数值偏差见图15。由分析可知，南北竖向位移最大偏差5 mm。
图15 南北区域竖向位移值偏差
5.3 屋脊梁落架点与监测点位移研究
对比屋脊梁胎架落架点与所布监测点的竖向位移数据，研究屋脊纵梁的变形情况(图16)。
图16 屋脊梁落架变形曲线
可以看出，落架过程中人字拱支承部位的监测点竖线位移明显小于计算值，屋脊梁呈现多跨连续梁的特点，与理论计算结果相符。
6 结束语
1)以理论计算为依据。落架过程中，结构构件的内力和支撑胎架的内力均会产生变化，落架步骤的不同会对结构本身和支撑胎架产生较大的影响，故必须进行严格的理论计算和对比分析，以确定落架的顺序和落架时的分级级差。
2)以变形控制为核心。由于空间结构各部位的强度和刚度均不相同，落架过程中的各部位变形也各不相同，落架时的支座变形情况会对结构本身和支座产生较大的影响，故落架时必须以支座变形为核心，确保落架过程中结构本身和支撑胎架的受力合理以及结构最终的变形控制满足要求。
3)以测量控制为手段。本工程的落架过程是一个循序渐进的过程，落架过程中，必须进行严格的过程监测，以确保落架按预定的目标进行，防止因操作失误或其他因素而出现局部变形过大，造成意外的发生。
4)以平稳过渡为目标。由于落架过程也是结构体系形成的过程，在落架工序方法的选择上，须以平稳过渡为目标，确保结构受力体系转换平稳过渡。
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TEMPORARY SUPPORT STEPPED REMOVING TECHNOLOGY WITH DIVISIONS AND CLASSIFICATIONS FOR LONG-SPAN PRESTRESSED SPATIAL STEEL STRUCTURE
Meng Xiangchong Wei Danyang Liang Rui Yu Chengwei Ma Tianlong
(China Construction Steel Structure Corporation North Region, Beijing 100000, China)
ABSTRACT：Temporary support removing is the key part in the transformation of steel structure work from construction phase to design phase. The steel roof structure of Qingdao North Railway Station is a long - span prestressed arch steel structure. Temporary support stepped removing technology with divisions and classifications was applied in this engineering project, and the transition zones of temporary support removing were established to release stress concentration. Hydraulic jack was selected as major instrument for temporary supports removing, with the temporary support removing technology for profiled component, temporary support removing was completed by shim extraction method. This paper discussed the temporary support removing technology of long - span spatial steel structure in terms of computer simulation analysis, sequence and arrangement, construction technology and process monitoring. The key points of temporary support removing technology for spatial steel structure were proposed.
KEY WORDS：prestressed steel structure; spatial steel structure；temporary support removing for steel structure；transition zone of temporary support removing; construction simulation phase; temporary support removing by divisions
第一作者：孟祥冲，男，1983年出生，工程师。
Email:290160390@
收稿日期： - 05 - 21
DOI：10.13206/j.gjg09018
