钢丸砂箱卸载工艺在大型悬挑钢结构施工中的应用研究

林作胜

上海建工七建集团有限公司 上海 200050

常规的砂箱内容物为石英砂，具有方便获得、便宜可靠的优点。但是在实际使用中发现，石英砂弹性模量较小，用量大，导致砂箱尺寸较大。在大荷载长时间的作用下，容易板结，导致卸载时流不出砂。石英砂卸载时，需要辅助手段，砂子飞溅，污染大，且难以通过溢砂量推算卸载位移[1-5]。

针对这一问题，本文介绍了一种改进的悬挑钢桁架结构砂箱卸载工艺并在大型悬挑钢结构工程中进行应用，通过使用钢丸代替石英砂作为砂箱的内容物，解决了石英砂砂箱存在的以上问题。砂箱支撑作用力稳定、支撑作用力长期有效，在卸载过程中，卸载步骤缓慢，对已形成的钢桁架结构冲击小，卸载量可以按位移精确控制，既确保了结构安全，又经济节约，为类似大型悬挑结构施工提供了参考和思路。

1 工程背景

本文的研究依托上海临港科技创新城A0202地块建设项目。该项目为一处地上18层、地下1层的商办综合体，由3栋塔楼和3座裙房组成。地上建筑面积约104 896 m2，地下建筑面积约41 835 m2，其中3座裙房均采用钢桁架的结构形式，最大悬挑长度51 m（图1），钢材选用等级最高的Q420GJC-Z35，总用钢量达到2万 t。

图1 悬挑结构示意

裙房在两处转角和一处末端采用悬挑的结构形式，裙房1为双边大悬挑结构，最大悬挑长度接近52 m，裙房2为双边大悬挑结构，裙房3为单向大悬挑结构。所有的悬挑结构均采用高空分段拼装的方法施工。钢桁架悬挑结构施工环节多，施工期间受力体系复杂，施工工艺和外部环境对结构初始内力和变形有着非常显著的影响，因此必须合理选定临时支撑的卸载工艺，以确保卸载阶段钢桁架受力和变形稳定变化，不发生突变。

2 大悬挑钢结构的钢丸砂箱卸载工艺

2.1 钢丸砂箱卸载工艺的提出

针对原有石英砂砂箱在工程使用中发现的问题，本工程采用钢丸代替石英砂作为砂箱内容物。表1对比了2种方法的特点。

表1 钢丸砂箱与石英砂砂箱的对比

采用钢丸代替石英砂，钢丸为直径基本一致的球形，使得砂箱在长期支撑力的作用下，具有可靠的耐久性，且长期作用下无徐变压缩量，增强了砂箱作为临时支撑的长期可靠性。在砂漏上段下降进行放砂操作时，溢砂流动性好，对比传统砂漏无硬结现象，卸载阶段过渡平稳。

2.2 钢丸砂箱的设计

砂箱容器是由上、下2段圆柱壳体共同组成的可动套筒，本工程采用外径250 mm、壁厚10 mm的无缝钢管，内、外径的装配间隙控制在10 mm，既能使砂箱足够贴合，具有一定的抗侧能力，也可以避免因无缝钢管的制作公差导致上、下端卡死。砂箱容器如图2所示。

图2 钢丸砂箱容器

砂箱支撑截面应根据支撑力的大小设计，对应选择上、下段砂箱本体材料，确保安全可靠，且有足够的装配间隙；根据支撑需要的卸载位移量，确定砂箱本体高度，通常情况下，上、下段的活动量（填砂高度）大于卸载位移量50 mm以上。典型的钢丸砂箱剖面设计如图3所示。

1月1日起，由国家税务总局制定的《环境保护税法》开始施行。环保税法规定，应税大气污染物的税额幅度为每污染当量1.2元－12元，水污染物的税额幅度为每污染当量1.4元－14元，具体适用税额的确定和调整，可由各地人民代表大会常务委员会在法定税额幅度内决定。

图3 典型的钢丸砂箱容器尺寸设计

钢丸砂箱的钢丸可直接选用钢材加工成常用的抛丸钢丸，考虑到钢丸的流动性，宜选取直径大于1.0 mm的统一规格的钢丸，且钢丸本身在承受一定荷载后，整体均质性应仍能保持完好，整体密度值基本不变。钢丸放入砂箱容器后振动预压实。

在装入砂箱前，应测定钢丸在一定容积内的质量，换算出钢丸含间隙的可视密度，再根据已选择的下套筒内径值及每次上套筒下降量，计算获得各下降量对应的流出钢丸的质量，方便现场实际操作时通过测定质量来确定各个砂箱的实际卸载量。在辅助振动套筒外壁的情况下，可以将每步下降量精确控制在毫米以内。

2.3 钢丸砂箱的施工要点

钢丸砂箱卸载的整体施工流程如图4所示。

图4 钢丸砂箱卸载施工流程

钢丸砂箱采用的钢丸为喷射清理用金属磨料，因此对含水量有较高要求，并要求无油。但是在实际操作中，针对现场的使用环境，为便于溢砂操作，注入砂箱下段的钢丸，需经过一次浸油（废机油）操作，钢丸的填充量应根据各支撑点预计的卸载量设计。

钢丸砂箱容器安装就位后，在容器两侧焊接连接加劲板，提高容器整体的刚度。

在钢丸砂箱作为临时支撑工作的阶段，上、下套筒之间的间隙应采用油泥封堵，并定期检查砂箱所在的临时支撑顶紧情况，定期记录砂箱总体高度，避免发生砂箱失效的情况。完成钢桁架结构安装，并全数检测确认各构件单元已按设计要求进行连接，具备临时支撑卸载条件后，可准备溢砂卸载。

砂箱卸载阶段，割除砂箱两侧的加劲结构，使得上部荷载完全作用在砂箱顶端。根据预设置的卸载步骤，结合每步溢砂质量，开启砂箱底部阀门，根据预设质量溢砂，直至砂箱上段支撑面同上部结构脱离，即完成临时支撑的卸载工作。

卸载阶段，根据计算结果，以不同部位的支撑单次下降量作为卸载过程的主要控制指标，并以此数据控制单个砂箱的下降量，实现临时支撑的逐步卸载，从而使整体荷载由结构自身平稳承受。整个卸载应按照以下原则设计：结构体系转换引起的内力变化应是缓慢的；在卸载过程中，结构各杆件的内力应在弹性范围内并逐渐趋近设计状态；在卸载过程中，各临时支撑点的卸载变形应协调；卸载过程中，应避开不适宜的环境状况，如大风、雨雪天气；卸载过程应易于调整控制、安全可靠。

3 钢丸砂箱卸载工艺的环境影响分析

由于本工程钢桁架悬挑跨度大，结构复杂，因此必须确保整个卸载阶段钢桁架的内力和变形都处于受监控状态。现场施工中，对整个钢桁架的温度、应力应变和变形进行了监测。整个卸载过程的监测内容包括：在支撑释放前，用全站仪测量各节点和径向桁架跨中的初始状态参数；根据结构特点，布设变形监测点，在构件一端设置全站仪，监测构件位移；在支撑释放过程中，测量每级释放结束后的各监测参数，并及时提交指挥人员，判断释放过程的结构安全性；在支撑释放后3 d内，对各监测参数继续进行监测，并做好记录；在释放过程中，发现沙漏下降量超过预定值时，立即停止，寻找原因，采取对应措施，确保释放安全。

典型的钢桁架及钢支撑应力应变测定结果如图5所示。

图5 钢丸砂箱卸载阶段1#裙房构件及支撑应力演化特征

结合卸载前数据分析结果，桁架结构整体受力稳定，无应力变化较大的情况发生，可认为卸载前结构处于稳定状态；卸载过程中实时采集数据，卸载过程结构受力基本稳定，卸载完成时由于结构应力重分布，构件应力产生突变，但突变值较小；之后结构受力趋于稳定。应力变化趋势与施工过程相符。钢支撑在卸载过程中受力稳定，卸载完成时由于应力释放产生突变值，但突变值较小；之后至支撑移出现场前受力稳定。由此可见，钢丸砂箱卸载工艺是一种可靠、稳定的钢桁架结构临时支撑卸载工艺。

4 结语

钢桁架是一种适用于大跨度悬挑结构的结构形式，考虑到钢桁架自身的结构特点，施工时往往采用分段安装的方式。本文研究了钢丸砂箱卸载工艺在大型悬挑钢结构施工中的应用，总结了工艺要点，并结合砂箱卸载阶段对钢桁架结构和临时支撑进行监测，验证了该工艺在大型悬挑钢结构施工中的可行性，为类似工程提供了参考。

[1] 董伟,李威,王伟才.84米跨环形桁架钢结构安装卸载的数字化模拟分析[J].中国建筑金属结构,2021(2):108-111.

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