大跨度马鞍型空间钢结构支撑卸载工法操作原理

大跨度马鞍型空间钢结构支撑卸载工法适用范围

《大跨度马鞍型空间钢结构支撑卸载工法》适用于双向结构跨度均不大于333米的大跨马鞍型钢结构工程的支撑卸载施工，其他结构体系的空间大跨度结构卸载施工可参考执行。

大跨度马鞍型空间钢结构支撑卸载工法工艺原理

《大跨度马鞍型空间钢结构支撑卸载工法》的工艺原理叙述如下：

通过卸载仿真对比计算分析，确定分圈同步、分阶段整体同步的卸载步骤和由外向内的卸载顺序；采取控制支撑点接触面摩擦系数措施以减小水平力作用；以计算机控制支撑反力、位移的集群液压千斤顶同步卸载系统为核心。实现卸载指令、卸载操作的自动化和集成化，辅以结构应力、变形等监测工作以确保卸载安全顺利进行。

大跨度马鞍型空间钢结构支撑卸载工法施工工艺

• 工艺流程

《大跨度马鞍型空间钢结构支撑卸载工法》的支撑卸载工艺流程如图1。

卸载时，为保证指令传递、信息反馈迅速、准确无误，应建立以总指挥为核心、以作业层为指令对象的组织机构，其指令及信息传递流程如图2。

• 操作要点

《大跨度马鞍型空间钢结构支撑卸载工法》的操作要点如下：

一、卸载仿真计算、卸载方案及操作手册编制

1.卸载前，应根据工程特点通过仿真分析对卸载步骤和顺序进行优化比选，最后确定卸载步骤和顺序以及卸载过程中的变形、应力控制点作为卸载位移和顶升力控制的依据。

2.根据分析结果编制卸载专项方案和卸载操作程序手册，并据此对施工队进行全面的技术交底及培训工作，确保卸载工作的顺利进行。

二、卸载系统安装调试

1.卸载设备地面单机调试。

2.卸载设备高空分区调试。

3.卸载系统全面调试：卸载前，应对卸载系统进行空载联调和负载联调试验，检验液压千斤顶卸载系统的可靠性。实现对卸载操作人员的演练，检验卸载方案和卸载组织管理的可行性、总结卸载组织管理过程中的不足之处，确保卸载过程的零风险。

三、卸载点水平位移消除

大开口马鞍型钢结构体系卸载时其卸载点的水平位移是相对较大的，该水平位移作用于液压千斤顶则表现较大的侧向力，其数值均超过液压千斤顶的抗侧向力的能力。因此，必须采取措施最大限度地消除卸载点水平位移。

为消除卸载点水平位移，一般采取以下措施：

1.卸载时每个卸点应采取支撑垫块（片）与液压千斤顶交替作用的方式进行卸载。

2.通过加钢斜楔子措施，使液压千斤顶与结构本体接触面由斜面接触改为平面接触，并在钢斜楔子与液压千斤顶之间垫不锈钢钢板并抹润滑油，最大限度地减小接触面的摩擦力，如图3所示。

3.选择带可旋转鞍座的液压千斤顶，使卸载设备本身具有较强的抗侧向力的能力，可旋转鞍座如图4所示。

四、卸载实施程序

卸载前，先将每一步的卸载量和计算顶升力要求输入系统，然后按照确定的卸载步骤操作，每一卸载步进行卸载结构和支撑系统的全面监测和信息处理，以确定所完成卸载步是否正常、是否进行下一步卸载。如所完成卸载步正常则按照既定程序进行下一步卸载，如所完成卸载步异常则进行卸载方案优化并按照优化卸载方案进行下一步卸载。

卸载指令传递到卸载操作中心后，每一卸载步的指令传递程序如下：

1.当卸载系统为全自动控制系统时，首先由中央控制器向区域控制器发出欲执行的卸载指令信号，然后所有区域控制器检查所辖区域泵站和千斤顶工作正常后发出确认信号，最后中央控制器向泵站和千斤顶发出卸载指令、进行卸载操作。

2.当卸载系统为非全自动控制系统时，首先由中央控制器向区域控制器发出欲执行的卸载指令信号，然后所有区域控制器检查所辖区域泵站和千斤顶工作正常后发出确认信号并油泵操作员按照卸载指令信号扳动换向阀，最后中央控制器向泵站和千斤顶发出卸载指令，进行卸载操作。

五、卸载过程监测

卸载过程中应设置支撑系统应力及变形监测系统、结构本体应力应变监测、结构本体温度监测系统和结构卸载变形监测系统等全方位、全过程的实时监控系统，以实现卸载过程的信息化施工。

六、卸载应急预案

对于卸载过程中各种突发事件，宜按表1确定对应处理措施进行处理。

参考资料：

与传统钢结构卸载工艺相比较，《大跨度马鞍型空间钢结构支撑卸载工法》具有以下特点：

1.根据马鞍型钢结构体系的受力变形特点以及安装支撑点的具体布置，通过卸载过程仿真对比计算分析，采用了分圈同步、分阶段整体同步的卸载步骤和由外向内的卸载顺序。

2.针对大开口屋盖结构卸载存在的较大水平位移，提出了减小卸载点水平力的关键工艺。

3.改良了传统的卸载工艺，突出强调了卸载过程液压系统的计算机同步、顶升反力和位移控制，并对卸载过程全过程进行实时监控量测，确保卸载过程的零风险。

4.突出强调建立以总指挥为核心、以作业层为指令对象，专家顾问组对卸载全过程进行信息分析和技术指导的卸载组织机构。

大跨度马鞍型钢结构正逐步被应用于体育场馆结构，截至2005年，因其复杂的传力体系，中国国内外钢结构施工单位对其卸载施工尚无成熟的技术和经验可借鉴，卸载过程不确定性因素较多、实施难度大。探索总结大跨度马鞍型钢结构支撑卸载施工技术对于推动大跨马鞍型钢结构在大型体育场馆的应用具有积极意义，同时从节约资源的角度也符合中国的可持续发展国策。

《大跨度马鞍型空间钢结构支撑卸载工法》是北京城建集团有限责任公司根据《国家体育场大跨度马鞍型钢结构支撑卸载技术研究及应用》的研究成果，自行研制的大跨度马鞍型钢结构支撑卸载工法。

《大跨度马鞍型空间钢结构支撑卸载工法》涉及的主要设备与材料如表2。

一、应执行的标准规范

《大跨度马鞍型空间钢结构支撑卸载工法》应执行的主要标准规范有《钢结构工程施工质量验收标准》GB 50205—2001、《网架结构设计与施工规程》JGJ 7—1991、《网壳结构技术规程》JGJ 61—2003和《工程测量规范》GB 50026—93等。

二、质量控制要点

《大跨度马鞍型空间钢结构支撑卸载工法》施工时，质量控制要点如下：

1.卸载前钢结构制作、安装检验批及各分项工程验收完毕，工程实体质量验收完毕，并且相应施工资料整理完毕并经监理单位签字确认。

2.卸载过程中严格控制各卸载点卸载位移的同步精度，确定各卸载点不同步精度控制在3毫米范围内。

3.卸载过程中要及时处理结构本体的应力应变监测数据。对发生卸载点应力超过设计要求的点要及时处理，确保卸载过程中结构本体的安全。

4.加强各卸载点处结构本体变形控制，各卸载点的局部变形控制在允许范围内。

采用《大跨度马鞍型空间钢结构支撑卸载工法》施工时，除应执行国家、地方的各项安全施工的规定外，尚应遵守注意下列事项：

一、安全保护措施

1.卸载前对作业人员进行卸载期间的安全教育。

2.卸载前要仔细检查各卸载点的构造处理情况，保证符合技术要求。

3.卸载前要清理屋面上的杂物及卸载作业区域内的杂物，卸载过程中，屋面上下不得进行其他作业。

4.卸载过程中，协调与监视人员要时刻观察，保证作业人员的步调一致，如其中一个点出现问题，其他点的作业人员应停止卸载。

5.作好安全通道，如遇意外，要立即组织人员撤离卸载区域。

6.现场建立安全管理小组，由主抓生产的副经理主管安全活动，配备专职安全员，严格安全值班制度。卸载时安排专职安全员，分别负责屋面和支撑塔架及卸载作业点的安全巡视工作，发现安全隐患及时汇报，并停止卸载，立即采取相应措施。

7.严格遵守和执行国家及市有关施工现场安全、消防保卫规定，加强施工现场消防保卫工作。

8.加强领导，建立组织，明确责任，把消防保卫工作列入工作日程。经常进行教育，每日检查一次，做到时间、人员落实。

二、卸载安全要点

1.强化指挥，服从指令，协调一致。

2.前提条件，必须完成，全面检查，确认签字。

3.技术交底，安全交底，多次进行，全员参加。

4.建立机构，组织充分，人员精干。

5.禁止围观，无关人员，不得入内。

6.所有人员，坚守岗位，不得离岗、串岗。

7.五级以上风、雨、雾天气，停止作业。

8.发现异常情况，及时汇报。

《大跨度马鞍型空间钢结构支撑卸载工法》施工的环保措施主要从以下方面进行：

1.对卸载操作人员配备必须的个人防护用品，采取措施保证切割操作时产生的火花不会伤及作业人员及卸载设备。

2.强化职业卫生宣传教育及现场跟踪监测工作，对作业人员定期进行体检，以便及时发现问题，预防和控制职业病。

3.及时收集、清理卸载作业人员产生的生活垃圾等废弃物。

4.加强液压系统的管理与维护，避免因液压千斤顶、油管或油泵等设备漏油对结构本体的二次污染。

一、经济效益和环保节能效益分析

《大跨度马鞍型空间钢结构支撑卸载工法》的经济效益和环保节能效益是一致的，主要表现为工程工期延误造成的直接经济损失。以国家体育场钢结构工程为例，该工法的产生的经济效益和环保节能效益主要在于解决了国家体育场钢结构工程关键技术难题，保证了工程的顺利进行；以工期延误造成的损失计，工期每延误一个月将产生直接经济损失约1000万元。

注：施工费用以2005-2006年施工材料价格计算

二、社会效益分析

《大跨度马鞍型空间钢结构支撑卸载工法》的社会效益是明显的，主要表现为：

顺利实现了国家体育场钢结构支撑的成功卸载，为国家体育场钢结构工程按期竣工奠定了基础。同时也对钢结构施工领域内大跨度、大吨位异形空间结构卸载具有借鉴作用和直接指导意义。

《大跨度马鞍型空间钢结构支撑卸载工法》的关键技术来源于《国家体育场大跨度马鞍型钢结构支撑卸载技术研究及应用》的研究成果，截至2005年，仅有国家体育场钢结构工程一个实例。但是，国家体育场钢结构工程的成功卸载表明，该工法技术上是可靠的、经济上是合理的，可广泛应用于大跨度建筑钢结构领域，具有广阔的推广应用前景。

国家体育场工程为北京"2008"奥运会主会场，钢结构工程由24榀门式刚架围绕着体育场内部混凝土碗状看台区旋转而成，其主次结构编织成"鸟巢"的造型。钢结构屋面呈双曲面马鞍型，最高点高度为68.5米，最低点高度为40.1；平面上呈椭圆形，长轴为332.3米、短轴为297.3米；屋盖中部的开口内环呈椭圆形，长轴为185.3米、短轴为127.5米。

工程设计用钢量约42000吨，卸载吨位约12000吨，卸载总面积约60000平方米，有78个卸载点、且单点卸载吨位大、最大点支撑力约300吨，卸载难度大。

在进行支撑卸载施工时，按照该工法规定的卸载工艺流程、操作要点及质量控制要点等进行卸载施工。整个卸载工作历时3天半、监测结果显示屋盖的最大垂直位移量在内环短轴方向，与理论相符，平均最大位移为271毫米，与设计计算的理论最大位移值286毫米相差5%；主体钢结构的实测应力与理论计算值吻合良好。国家体育场钢结构支撑卸载成功。图5为卸载完成后实物图片。

2008年01月31日，中华人民共和国住房和城乡建设部发布《关于公布2005-2006年度国家级工法的通知》建质[2008]22号，《大跨度马鞍型空间钢结构支撑卸载工法》被评定为2005-2006年度国家一级工法。 2100433B

钢结构的卸载是指：在钢结构工程建设中，采用整体吊装、整体提升、滑移等方案，在整体结构没有形成稳定框架时临时使用塔架或钢柱作为支撑，将构件或结构体固定，在完成安装与接口焊接工作、结构完成整体受力时，将临时支撑拆除的过程叫做钢结构的卸载。

所谓钢结构卸载，准确地说，是钢结构支撑塔架的卸载。在鸟巢的建设过程中，有78根临时搭建的钢柱支撑着鸟巢的钢铁“枝蔓”。卸载就是将这78根支柱产生的78个受力区域，缓慢而又平稳地卸去，让鸟巢由被外力支撑的状态变成完全靠自身结构支撑。因而，支撑塔架的卸载，对整个钢结构本身来说其实是加载。 2100433B