国家会议中心二期展览区大跨度转换桁架卸载技术

国家会议中心二期展览区平面尺寸为81?m×234?m，由2个中柱分为81?m×120?m及81?m×114?m共2个无柱大空间。展览区顶部（标高12.000~20.000?m）为转换桁架，包括18榀主桁架和4榀次桁架。主桁架跨度81?m，次桁架长234?m（图1），桁架矢高7.7?m，桁架用钢量约16?000?t，钢材材质为Q390GJC，桁架主要为箱形截面，最大截面尺寸为□1200×1500mm，最大板厚为80?mm，40?mm厚钢板及以上占比约77%。

图1　展览区转换桁架构造示意

针对展览区施工场地有限、工期短、质量要求高等特点，经建设单位、设计单位、施工总承包单位、钢结构安装分包单位、钢结构加工厂和监理单位等多次研讨，转换桁架采用临时支撑支顶、高空原位安装、分区分级卸载的施工方案。

1　卸载施工特点

转换桁架卸载遵循“以计算分析为依据，以结构安全为宗旨，以变形协调为核心，以实时监控为手段”的原则，其特点如下。

（1）卸载重量大。卸载时桁架时结构自重达28?000?t，包括重16?000?t的桁架层钢结构、重6?500?t的桁架层混凝土和重5?500?t的框架层钢结构。

（2）卸载面积大。转换桁架平面尺寸为81?m×234?m，卸载面积达1.9万㎡。

（3）卸载点位多。卸载点位多达142个。

（4）卸载时楼面混凝土和上部结构参与受力。卸载前需完成桁架层混凝土的浇筑标高20.000~ 30.000?m框架层钢结构的安装，卸载过程中参与受力，该做法在国内尚属首次。

2　卸载方案

2.1　卸载方案

展览区转换桁架共设置142根临时支撑（图2），临时支撑位于主桁架与次桁架（或系杆）交界处，间距为9?m×12?m，以 轴（中柱所在位置）为界分为北区、中区、南区（图3）；临时支撑顶部采用砂箱与转换桁架连接（图4），卸载过程中通过砂箱定量排砂控制卸载值。

图2　展览区转换桁架临时支撑

图3　展览区转换桁架临时支撑位置

（a）

（b）

图4　砂箱

（a）三维图；（b）实体照片

采用分区分级卸载方式，即先卸载北区再卸载南区，最后卸载中区。根据转换桁架理论下挠值，北区和南区分5级卸载，前4级每级卸载高度5?mm，第5级卸载至砂箱脱离。须严格按顺序卸载并控制每级卸载值，以保证卸载过程缓慢、均匀有序。

展览区北区卸载步骤如下。

第一步：中间区域（42个点位）卸载5?mm，四周区域（30个点位）卸载至计算下挠值，从中间向四周顺序卸载，如图5（a）所示。

第二步：中间区域（20个点位）卸载5?mm，四周区域（22个点位）卸载至计算下挠值，从中间向四周顺序卸载，如图5（b）所示。

第三步：中间区域（20个点位）卸载5?mm，从中间向四周顺序卸载，如图5（c）所示。

第四步：中间区域（10个点位）卸载5?mm，四周区域（10个点位）卸载至计算下挠值，从中间向四周顺序卸载，如图5（d）所示。

第五步：中间区域（10个点位）卸载至计算下挠值，从中间向四周顺序卸载，如图5（e）所示。

第六步：检查所有点位卸载情况，确认所有点位卸载完成，如图5（f）所示。

（c）      （d）

（e）      （f）

图5　展览区北区卸载步骤

（a）第一步；（b）第二步；（c）第三部； （d）第四步；（e）第五步；（f）第六步

2.2　卸载边界条件

根据工期计划，经研究展览区转换桁架与桁架层混凝土楼板和上部结构共同卸载，其边界条件包括：转换桁架合龙温度为10~15℃，合龙完毕方可卸载；卸载前须完成桁架层混凝土浇筑且混凝土强度达到设计规定。卸载前标高20.000~30.000?m框架层钢结构安装已完成。

经调查历年气温，每年3月下旬日平均温度可达到10℃以上，因此将转换桁架合龙时间定为3月下旬，卸载时间定为4月中上旬。

经多方讨论并经设计单位核算，卸载前需完成桁架层混凝土浇筑，为保证楼板混凝土参与工作且混凝土不裂缝，仅浇筑中间区域混凝土（图6），卸载时混凝土应达到设计强度；为满足框架层钢结构的内力和施工精度要求，卸载过程中仅在框架层钢构件应力变化较大位置设临时连接（图7）。

图6　桁架层混凝土浇筑范围

图7　框架层安装范围

2.3　卸载过程模拟

采用midas Gen有限元软件模拟转换桁架卸载过程，校核卸载边界条件，控制临时支撑反力并计算转换桁架理论下挠值，为卸载提供理论依据。

经核算，转换桁架卸载时转换层混凝土基本处于受压状态（图8、图9），框架层钢结构应力集中状况较少（图10），卸载边界条件满足设计要求。

图8　卸载后桁架层混凝土应力云图（计算机截图）

图9　卸载后桁架层混凝土应力云图（计算机截图）

图10　卸载后上部结构应力云图（计算机截图）

通过微调卸载顺序，将所有临时支撑的反力控制在2?600?kN以内，以保证临时支撑安全稳定。以 轴/ ⑦ 轴交点处临时支撑为例（图3），其支撑反力变化曲线如图11所示。

图11　卸载过程中临时支撑S7的反力曲线

经施工过程计算得出转换桁架卸载前后竖向位移，通过差值计算得出卸载过程中转换桁架的理论下挠值，为施工过程监测提供参考。

3　卸载过程

展览区转换桁架卸载的重量重，面积大，点位多，卸载边界条件复杂，卸载过程控制和监测十分关键。

3.1　转换桁架卸载过程控制

3.1.1　工作准备

卸载前应组织卸载人员，准备卸载设备，布置卸载现场，对所有参与卸载的人员进行技术交底并培训卸载操作，确保卸载过程万无一失。

3.1.2　卸载过程

卸载过程历时3?d，按北区→南区→中区顺序进行卸载，其中北区5个卸载循环、13个卸载步骤，南区5个卸载循环、13个卸载步骤，中区1个卸载步骤。

卸载过程中，同步卸载的支撑点位最多18个，每个卸载点位配备1台升降车，每台升降车配备1台对讲机和1套卸载工具，由2人负责操作。

为保证每个卸载步骤同步，由卸载总指挥统一发布卸载指令，所有点位均按统一指令进行操作，每个卸载步的时间控制在40~60?min。卸载施工现场如 图12所示。

图12?卸载施工现场

3.1.3　卸载后管理

卸载完成后，所有临时支撑静置24?h，待转换桁架稳定后再拆除临时支撑及砂箱。

3.2　卸载监测系统

3.2.1　位移监测

转换桁架卸载时，使用全站仪监测桁架挠度的变化情况，监测点设在主桁架下弦。监测结果表明，转换桁架理论下挠值与实际下挠值基本吻合。

3.2.2　应力监测

展览区转换桁架卸载共布置应力监测点90余个，监测位置包括转换桁架、结构柱、临时支撑、转换层混凝土楼板等，通过云端平台实时传输监测数据，经大数据实时分析，转换桁架卸载过程中测点监测数据与理论值基本吻合，证明卸载过程安全可控。

4　结束语

2020年4月16日国家会议中心二期展览区转换桁架卸载完毕，标志着国内最大规模的转换桁架结构卸载完毕，这也是国内首次带桁架层混凝土和上部结构同时完成转换桁架结构的卸载。

展览区转换桁架卸载过程顺利，卸载位移和应力监测值与理论值基本吻合，证明本工程采取的卸载方式切实可行，可为后续大跨度转换桁架卸载、带桁架层混凝土和上部结构的转换桁架卸载提供借鉴。