寧波前灣新區(qū)玉海西路二號橋結(jié)構(gòu)主體支撐架卸載過程分析

王華科 唐訓孟

【摘要】寧波杭州灣新區(qū)玉海西路二號橋鋼結(jié)構(gòu)裝飾架工程主體結(jié)構(gòu)為大跨度復雜空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，兩側(cè)立面均呈現(xiàn)橢圓形，整體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)雙曲復雜空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)體系，安裝過程難度大，采用架設(shè)臨時支撐高空分段拼裝的施工方法。主體結(jié)構(gòu)支撐卸載過程采用了分階段間隔拆除，結(jié)合現(xiàn)場位移觀測，跨中核心支撐拆除全過程應力應變跟蹤監(jiān)測，結(jié)構(gòu)仿真模型計算對比的方法有效保證整個卸載過程的安全可控。

【關(guān)鍵詞】大跨度復雜空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu);卸載;位移觀測;應力應變跟蹤監(jiān)測

隨著前灣新區(qū)的蓬勃發(fā)展，大力推進基礎(chǔ)建設(shè)，在“國家戰(zhàn)略，前灣先行”的大好形勢下，寧波前灣新區(qū)玉海西路二號橋應運而生。這是主體為全鋼結(jié)構(gòu)的裝飾架工程，充分發(fā)揮了空間鋼結(jié)構(gòu)的跨度大、強度高、柔韌性好、抗震性能高等優(yōu)點，在主體橋面上建造出了一個造型奇特、曲線優(yōu)美、極具震撼力的鋼結(jié)構(gòu)藝術(shù)品。

大跨度空間結(jié)構(gòu)的一般結(jié)構(gòu)都比較復雜，施工過程中因素眾多又相互關(guān)聯(lián)，合理的施工方案和科學分析才能保證結(jié)構(gòu)的安全、經(jīng)濟，在建造過程中布置合理的支架系統(tǒng)與安裝過程的結(jié)構(gòu)件形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)體系，確保安裝過程的安全性。待安裝完成后，再按照預定順序拆除支撐系統(tǒng)，在拆除過程中如何保證主體結(jié)構(gòu)和臨時支撐結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性是一項至關(guān)重要的工作。在支撐逐步拆除的過程中，主體結(jié)構(gòu)受力體系不斷地發(fā)生變化，同時還受到周邊環(huán)境溫度和風力的影響，是一個相當復雜的力學變化過程[1]。本文對玉海西路二號橋裝飾工程主體鋼結(jié)構(gòu)在臨時支撐拆除過程中采取的相應技術(shù)措施、模擬計算、過程變形測量、焊縫檢測、應變跟蹤監(jiān)測做系統(tǒng)的描述和分析。

1.卸載施工方案

1.1工程概況

主橋特征：橋梁全長239m，跨徑布置（30+32.5+35+40+35+32.5+30）m;承臺頂面至主橋面結(jié)構(gòu)最高點高度為19米;結(jié)構(gòu)形式為預應力混凝土現(xiàn)澆箱梁。

鋼結(jié)構(gòu)裝飾架：橢圓形雙曲面復雜空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，面層局部鋁合金單板幕墻內(nèi)外層封閉。主要構(gòu)件鋼材質(zhì)為Q355GNHC，板厚主要以16mm、20mm、30mm為主，截面形式為焊接箱型截面，主拱尺寸主要為800X1800、800X2500等，次拱尺寸為600X600，主拱截面方向從支座到拱頂逐步完成旋轉(zhuǎn)90度的旋轉(zhuǎn)。主拱橫向最大處跨度為50.30m，縱向跨度239m，拱頂高度距離橋面21.11m、距基面約30m。結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限：100年，設(shè)計安全等級：一級。圖1為鋼結(jié)構(gòu)裝飾架三維示意圖。

鋼結(jié)構(gòu)由兩道主拱匯集于中間部位，主拱兩端與埋件進行連接，靠近拱腳內(nèi)側(cè)各設(shè)置一個支座，中間部位由18個次拱與主拱進行交接。結(jié)構(gòu)安裝過程從支座處起步先安裝主拱，完成主拱安裝后再對稱安裝次拱，形成完整的結(jié)構(gòu)體系。安裝主拱部分時，在每個分段點分別設(shè)置了臨時支撐架，共計設(shè)置了31個臨時支撐架與39段主拱連接形成一個完整的結(jié)構(gòu)體系。確保施工過程的整體結(jié)構(gòu)的強度和穩(wěn)定性滿足要求。安裝完成后為了確保主體結(jié)構(gòu)安全和穩(wěn)定，特編制卸載施工方案。

1.2卸載工藝技術(shù)措施

根據(jù)施工階段不同受力工況，鋼結(jié)構(gòu)吊裝時各段受力大小不同，跨中核心區(qū)共三個支撐架，采用直徑φ610×20鋼管分別組合成日字型+口字型+日字型，日字型支撐截面為6610mm×2610mm，上部采用直徑為φ350×12圓管;口字型支撐截面為3610mm×2610mm，上部采用直徑為φ350×12圓管支撐;其他各分段箱梁拼裝對接時，采用φ350×12圓管組合成口字形截面支撐，具體布置如圖2、圖3所示。

1.2.1卸載原則

本工程的卸載過程既是拆除結(jié)構(gòu)下部支撐的過程，又是結(jié)構(gòu)體系逐步轉(zhuǎn)換過程，在卸載過程中，結(jié)構(gòu)本身的桿件內(nèi)力和支撐的受力均會產(chǎn)生變化[2]。卸載時，既要確保安全、方便施工，又不能改變設(shè)計意圖，對構(gòu)件的力學性能產(chǎn)生較大的影響。為了保證卸載時相鄰支撐胎架的受力不會產(chǎn)生過大的變化，同時保證結(jié)構(gòu)體系的桿件內(nèi)力不超出規(guī)定的容許應力，避免支撐胎架內(nèi)力或結(jié)構(gòu)體系的桿件內(nèi)力過大而出現(xiàn)破壞現(xiàn)象，保證結(jié)構(gòu)體系可靠、穩(wěn)步形成，卸載必須遵循以下原則：

（1）以結(jié)構(gòu)設(shè)計計算分析為依據(jù);

（2）以結(jié)構(gòu)安全為宗旨;

（3）以變形協(xié)調(diào)為核心;

（4）以實時監(jiān)控為手段;施工過程應嚴格遵循上述原則。

1.2.2卸載前提

（1）主體鋼結(jié)構(gòu)全部安裝到位，鋼結(jié)構(gòu)與預埋件、主次拱與主拱連接焊縫、次拱間連接焊縫焊接完成并無損檢測合格;

（2）所有節(jié)點的連接已經(jīng)完成，且驗收合格;

（3）每個獨立支撐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完整性檢查合格，頂部卸載用千斤頂就位;

（4）卸載當天的風力不得大于6;

（5）卸載24小時內(nèi)溫差不得大于15℃;

（6）模擬計算卸載過程中拱頂最大位移表，如表1所示：

1.2.3卸載過程

主體鋼結(jié)構(gòu)安裝全部完成后，并確保系統(tǒng)內(nèi)的所有機構(gòu)均能有效工作時，可對支撐架進行卸載，卸載時應考慮結(jié)構(gòu)本身的受力特點，同時盡量減小溫度應力對結(jié)構(gòu)的影響，經(jīng)綜合分析本工程鋼結(jié)構(gòu)卸載過程如下[3]：

（1）卸載順序：從兩端支座同步向中間堆成卸載，此過程采用間隔施工，即同步卸載A1、B1、C1、D1后，再同步A3、B3、C3、D3，……直到同步完成A7、B7、C7、D7;然后再回過來同步卸載A2、B2、C2、D2，……直到同步完成A6、B6、C6、D6;最后剩下跨中Z1、Z2、Z3，按同步卸載Z1、Z3后再卸載Z2的順序，最終完成卸載工作。

（2）根據(jù)仿真施工過程模擬計算，在保證Z1、Z2、Z3支撐足夠的強度和穩(wěn)定情況，逐步按順序拆除臨時支撐架，局部位移變形值均不大于10mm。完成各區(qū)支撐拆除后，最后釋放臨時支撐Z1、Z2、Z3的約束，在各施工工況下跨中拱頂豎向位移值最大值為63mm。卸載過程嚴格按模擬計算值控制位移變形，實時監(jiān)控，出現(xiàn)超限應及時采取有效措施，啟動應急預案。

（3）卸載過程前先用千斤頂作為輔助支撐，每個臨時支撐按對角線設(shè)置兩個千斤頂。先在各個支腿處焊接好牛腿，再在箱梁底面垂直于支撐橫梁處焊接好托板，最后用千斤頂頂緊。千斤頂就位后，采用氣割在支腿處逐步往下切割，每次往下切割量控制在20mm以內(nèi)，切割采用對角線同步的原則，先割除設(shè)置千斤頂處的對角線支座，再割除另外一對角線支座，直至千斤頂完全受力;通過千斤頂緩慢釋放至完全脫開。若位于超過20mm切割量，應在計算控制范圍內(nèi)重新循環(huán)以上操作。如圖4所示千斤頂作為輔助支撐進行卸載。

（4）卸載過程通過固定在支座上的標尺結(jié)合全站儀測量，雙向復核相對位移和絕對坐標的準確度。為確保最終的節(jié)點控制坐標符合設(shè)計要求，構(gòu)件在加工及安裝過程中進行了預起拱，起拱值按恒荷載工況作用下的結(jié)構(gòu)變形值確定[4]。

2.變形觀測和應變監(jiān)測

在卸載過程中，結(jié)構(gòu)體系的改變導致傳力路隨之變化，跨度的增大使得局部桿件撓度計算值呈幾何倍數(shù)上升;拼接節(jié)點處的支座約束取消，使得該部位受力形式發(fā)生根本性的改變，如受拉狀態(tài)改變成為受壓狀態(tài)，這種改變很有可能使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)失穩(wěn)而破壞[5]。如圖5、圖6所示。

2.1 A、B、C、D區(qū)變形觀測

根據(jù)模擬施工階段的驗算，在四個區(qū)域臨時支撐按順序地卸載過程中，由于主體結(jié)構(gòu)已經(jīng)形成，主拱臨時支撐拆除后，主次拱開始參與受力，替代了臨時支撐對主拱的約束。模擬計算結(jié)果，應力、變形、穩(wěn)定等力學指標均維持在小范圍內(nèi)的變化（不大于10mm），危險性較小，所以臨時支撐拆除過程中僅對變形進行了控制性觀測，同時對局部焊縫重新進行了外觀檢查。

2.2 拱頂區(qū)域變形觀測及應變監(jiān)測

根據(jù)模擬施工階段的驗算，拱頂區(qū)域Z1、Z2、Z3的臨時支撐約束對整體結(jié)構(gòu)影響較大，特別是豎向變形值計算結(jié)果到達了63mm。卸載分成多次釋放約束來累計總變形量，每次釋放量以20mm為一階段，每階段間隔時間大于24小時。過程中同時進行變形觀測和應變監(jiān)測，共布置10個監(jiān)測點，Z1、Z2、Z3兩側(cè)各設(shè)置一個監(jiān)測點，拱頂兩側(cè)主次拱連接部位各設(shè)置一個監(jiān)測點，跨中兩側(cè)撐桿各設(shè)置一個。該區(qū)域卸載工作從8月19日開始，8月24日結(jié)束，變形觀測和應變監(jiān)測工作從8月19日開始，8月26日結(jié)束。具體監(jiān)測數(shù)據(jù)如下：

8月19日，安裝應力應變傳感器，并現(xiàn)場調(diào)試完成，初始值為零。

8月20日，Z1、Z3臨時支撐釋放位移20mm，最大應力點為拱頂，應變值為99.22 με。

8月21日，同時釋放Z1、Z2、Z3臨時支撐釋放位移20mm，最大應力點為拱頂，應變值為152.91με。

8月22日，為保證應變曲線變化的對稱性，Z1臨時支撐釋放位移20mm，Z3臨時支撐釋放位移25mm，最大應力點為拱頂，應變值為243.33 με。

8月23日，同時釋放Z1、Z2、Z3臨時支撐釋放位移20mm，最大應力點為拱頂，應變值為304.79με。

8月24日，同時釋放Z1、Z2、Z3臨時支撐釋放位移20mm，最大應力點為拱頂，應變值為316.33 με。

至此，Z1、Z2、Z3與結(jié)構(gòu)完全脫離，具體完成脫離時間為當日中午11點。以上數(shù)據(jù)讀取最大值均出現(xiàn)在下午兩點左右，然后逐漸回落，隨時間的變化在晚上7點以后開始趨于穩(wěn)定，第二天6點開始曲線逐漸上升，根據(jù)模擬計算分析，發(fā)生變化的原因主要為溫度應力的影響。

8月25日，早上6點進行變形觀測，發(fā)現(xiàn)Z2支座又與主體結(jié)構(gòu)頂牢，根據(jù)現(xiàn)場各方查看，讀取應變值，分析原因，仍考慮為溫度效應造成的影響，繼續(xù)觀測至中午12點，支座與主體自動脫離。經(jīng)分析后，決定再次同時釋放Z1、Z2、Z3臨時支撐釋放位移20mm，當天讀取的最大應變值為299.03με。

8月26日，觀測無異常情況，當天讀取的最大應變值為290.86με（如圖5、圖6所示）。

3.總結(jié)

寧波杭州灣新區(qū)玉海西路二號橋鋼結(jié)構(gòu)裝飾架工程主體結(jié)構(gòu)是一個復雜的大跨度空間雙曲面結(jié)構(gòu)，制作、施工難度大，如何保證施工過程中的結(jié)構(gòu)安全和穩(wěn)定性至關(guān)重要。按常規(guī)施工方法設(shè)置臨時支撐后，采用高空拼接的方法，技術(shù)成熟可靠，但支撐的卸載過程，結(jié)構(gòu)內(nèi)部發(fā)生了復雜的受力變化，如何控制卸載過程中的安全，成為本工程的又一個難點。本文通過對整個卸載施工過程的描述，結(jié)合過程中變形觀測、應變監(jiān)測、仿真模擬計算等技術(shù)手段，嚴格控制過程中的各項參數(shù)符合設(shè)計和相關(guān)規(guī)范要求，確保卸載過程圓滿完成，為今后類似工程的施工提供了可借鑒的經(jīng)驗。

參考文獻

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（作者單位 ：華星鋼構(gòu)股份有限公司）

【中圖分類號】TU997

【文獻標識碼】B

【文章編號】1671-3362（2020）10-0113-04