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大跨度偏心懸掛鋼結構砂箱裝置等比例同步卸載技術

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中國建筑一局（集團）有限公司科技創效推廣應用技術名錄
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（七十六）大跨度偏心懸掛鋼結構砂箱裝置等比例同步卸載技術
1. 技術背景
臨時支撐胎架體系是目前大跨度類型鋼結構分段、分塊吊裝過程中必須設置的臨時支撐措施。
在鋼結構安裝焊接完畢后，如何保證各卸載點實現分級等比例同步卸載一直是大跨度鋼結構施工中
的重點和難點。為保證卸載過程中鋼結構安全和整體變形緩慢均勻，需控制每處卸載點均勻同步下
降，卸載操作要求統一協調難度大。為此設計一種砂箱卸載裝置用于大跨度偏心下掛鋼結構的卸載
施工。通過對砂箱工具的設計和試驗進行研究，成功實現了大跨度大噸位支撐荷載向結構本體的平
穩過渡。本技術在國內傳統現有直接氣割和千斤頂頂升的技術基礎上提出。直接切割卸載技術存在
切割精度難以控制且高空防火安全措施拖入較大的缺點；千斤頂頂升卸載技術存在難以實現結構反
頂抽取鋼板，需要使用數量較多的大噸位千斤頂設備，短期難以進行市場租賃且設備費用較高，并
且后期設備維修費用高、對環境污染大，綜合經濟性較差等缺點。砂箱裝置卸載相比傳統氣割卸載
工藝安全平穩，技術含量高。與千斤頂卸載工藝相比，簡便易行，且經濟使用，應用范圍更廣。
2. 技術簡介
采用臨時支撐胎架施工大跨度鋼結構，當采用的胎架需要卸載拆除時，臨時支撐胎架回頂處需
要降低高度達到臨時結構的卸載和拆除，卸載降低高度需要用到卸載砂箱裝置。通過安裝過程中預
先設置于臨時支撐胎架上部支座節點下方的可調節支撐裝置-卸載砂箱，實現荷載的平穩轉移。卸載
砂箱采用活塞的結構形式，分為上活塞桿和下活塞桿。上活塞桿采用整體剛性結構，使得壓力均勻
傳遞，下活塞桿采用中空結構，焊接厚底板；中空結構內部填置鑄鋼丸。砂箱是由套筒和活塞組成
的密閉鋼柱容器，容器內裝入定量特定顆粒材料，當承受豎向荷載時，通過人工操作底部設置的排
料口閥門開關，控制顆粒材料流量大小，實現活塞進行收縮運動，達到緩慢改變位移量的目的。
1、技術含量高。通過計算機仿真施工模擬計算，確定采用“分級等比例同步下降”的卸載方法，
臨時支撐胎架整體分級同步卸載，避免出現過大變形、位移，保證受力轉換安全且穩定。
2、適用性強。能適用于等比例和同步性要求較高的卸載場景應用，尤其對大跨度偏心吊掛鋼結
構和臨時支撐架支承體系結構受力有嚴格要求的卸載。
3、安全性高。相比直接切割和千斤頂頂升，減少動火風險且不用對結構反頂后抽取鋼板。
4、成本投入小。砂箱裝置采用標準化的預制構件，匹配直徑609、800 鋼管支撐進行應用，可
以采用租賃的方式減少成本。
3. 適用范圍
本技術適用于所有大跨度鋼結構臨時支撐胎架的卸載施工，特別是體量大、單點荷載大和卸載
量較小,對同步性要求的偏心下掛鋼結構的卸載具有很強的適用性。
4. 施工工藝流程及操作要點
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4.1 施工工藝流程
圖4.1-1 施工工藝流程圖
4.2 施工操作要點
4.2.1 砂箱設計和鋼丸選擇
1、砂箱高度根據胎架頂部與結構間預留高度、安裝起拱值、卸載時根據結構撓度變化值合理確
定砂箱制作高度。該高度必須滿足卸載前后起拱值變化范圍。同時為防止砂箱底部殘留砂子無法排
除，卸載中途出現“頂死”狀況，造成無法到達預定的卸載高度，根據4 根立柱位置下撓度值，確
定預留排砂余量高度。根據選用的臨時支撐胎架確定鋼管法蘭的規格，鋼管柱頂部的法蘭孔通過安
裝螺栓和卸載砂箱固定，以此確定卸載砂箱的具體規格尺寸，使用前對砂箱的承載力進行檢驗以及
對鑄鋼丸壓縮影響量按照設計施工模擬工況進行預壓（圖4.2.1-1）和卸載（圖4.2.2-2）。
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圖4.2.1-1 預壓試驗示意圖4.2.1-2 卸載試驗示意
2、砂箱外筒橫截面規格，根據受力節點在臨時支撐胎架上的平面投影位置，為使胎帽受力均勻
匹配臨時支撐胎架立柱，同時考慮到圓截面加工方便，且沿著圓周方向的受力特性一致性，因此初
步選擇規格為ø609 圓管作為砂箱工具外筒。砂箱的承載力主要取決于外筒的厚度，需滿足：
；
式中：P 為筒壁所受壓應力；r 為砂箱內壁半徑； 為筒壁鋼板允許強度。
考慮到相鄰卸載點的砂箱突然失效及其他不可預知的不利因素，此處取設計噸位200t，考慮超
載系數
?0 = ? × 1.5 = 3000??
根據查閱資料和現場堆積法試驗，確定鑄鋼丸的自然堆積角為最小，約為25°。此處假設鑄
鋼丸高度最低為109mm。
P =
F0tan2 45° ?
25°
2
?
=
3000000 × 0.405859
109 × ? × （609 ? 2?）
≈
3555.65
（609 ? 2?）
t = P ×
r
f
≈
3555.65
609 ? 2?
×
609 ? 2?
310 × 2
≈ 5.7mm
由此可得外筒鋼管規格為ø609×16。
3、內筒與外筒的管徑應進行嚴格的尺寸匹配，間隙過小內筒下沉時容易造成機械“卡死”現象，
間隙過大會由于砂上浮造成“溢砂”現象，因確保活塞居中時單側間隙，宜控制在1～2mm 為宜。此
處若外筒選用ø609×16 圓鋼管；內筒宜選用ø545×12 圓鋼管，內筒柱底板設計為12mm 厚的ø570 的
圓型鋼板，套入后內筒圓型鋼板與外筒的單側間隙Δχ=3.5mm，所以內筒與外筒的間隙可采用防水
材料填充。
4、砂箱在預壓后直至正式排砂前，需要將兩者之間進行臨時固定，以防止砂箱在運輸、吊裝過
程中內外筒脫離，影響砂箱整體制作高度。本例為胎架立柱柱頂實測標高+壓實后砂箱高度=臨時支
撐胎架體系支點高度。每個胎架立柱共設置6 根螺桿，長度400mm，平均分布（60°一根），螺桿
設置T 字頭，T 字頭厚度不大于25mm，即不超出蓋板面。砂箱頂部設置蓋板25mm，在螺桿位置為T
字頭開設放置孔。砂箱卸砂閥門在裝砂前進行打磨、潤滑及防水密封處理，保證閥門正常閉合及開
啟功能。
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5、砂箱外環加強處理和排砂口節點設計，在砂箱外筒外壁設置環向鋼板和豎向加勁肋，增加砂
箱使用時的安全性；排砂口排砂傾斜角度應盡量接近自然堆積角25°，本例采用M16 螺栓絲扣進退
實現砂箱排砂，同時將套筒加工成錐形體，與在排砂筒上開設的ø10mm 小孔共同作用，實現控制排
砂速度和防止鑄鋼丸進入絲扣間隙。
4.2.2砂箱預壓和卸載實驗
1、試驗目的：確保砂箱須滿足最佳卸載速率，同時測定砂箱在各種作用狀態下的技術參數，通
過對試驗數據的對比分析，找出最接近卸載技術目標的成果數據，為卸載提供技術支撐。以此保證
砂箱具有良好的單孔排砂效果和受載后砂箱未發生破壞和明顯變形。
2、試驗內容：包括砂箱卸載用砂選定、砂箱承載力及可操作性、鑄鋼丸壓縮后的變形量
1）步驟一、通過計算機仿真施工模擬計算。根據施工模擬各階段工況的計算結果，取臨時支撐
體系頂部（即砂箱）最不利工況下的最大受荷值為預壓值，隨機抽取所有砂箱中的1～2 個進行預壓
試驗，按荷載最大計算值的1.3 倍進行豎向預壓和卸載試驗。
2）步驟二：砂體壓縮變形量試驗。其工作原理是利用“土的壓縮特性”。利用土體在外力壓
縮下，隨著土體顆粒之間的孔隙減小，土體逐漸趨于密實狀態，直至穩定。不同壓力下，土體趨于
穩定過程的壓縮量同，壓力越大其壓縮量越大，但都會趨于穩定。不同土體在同樣的壓力下其壓縮
量各不相同，即不同土體的變形模量（E）不同。其中砂的變形模量相對較高，即其在很大的壓力下，
壓縮量很小，便于標高控制。利用干鋼丸便于流動，能降低高度的等功能等，實現砂箱承載、控制
標高，卸載、降低標高以達到支撐的拆卸要求。經過對《GB/T 18838.3-2008/ISO 11124-3；1993 涂
覆涂料鋼材表面處理噴射清理用金屬磨料的技術要求第三部分:高碳鑄鋼丸和砂》選擇。
3）經試壓后發現砂箱壓縮量小，如本例在采用2000kN 荷載壓力下，壓縮豎直僅為1-1.5mm。
砂箱活載下沉的速度基本與千斤頂施加外力大小成正比，外力為2000kN 時活塞下沉的平均速率
0.52mm/min，基本符合砂箱卸載的最佳卸載速率0.5mm/min。
4.2.3臨時支撐胎架、預壓后的砂箱、下掛鋼梁結構和首道環帶轉換桁架安裝
臨時支撐胎架、預壓后的砂箱、下掛鋼梁結構和首道環帶轉換桁架安裝。
4.2.4分級同步砂箱卸載
因為大跨度結構受力特點，安裝時需在下掛鋼梁結構吊柱下部設置臨時支撐胎架以保證整體結
構的施工階段穩定性。當主體鋼結構安裝全部完成后，可對支撐架進行卸載，卸載時應考慮結構本
身的受力特點，盡量減少溫度應力對結構的影響。
在胎架頂部設置砂箱，通過排砂，逐步降低桁架下弦支點，實現荷載由胎架向結構本體的平穩
過渡。卸載方法為“分階段整體分級同步卸載”，為確保砂箱卸載均勻，將各分布卸載量劃分為2
輪，每一輪釋放2~4mm，每步卸載量越大，排砂輪數越多。每兩輪排砂后，檢查砂箱下沉的同步情
況，若發現同步誤差超過1mm 偏差時，在下一輪排砂進行調整，使得同步卸載的誤差控制在2mm 內。
按卸載量的50%、100%進行分級每完成一個卸載階段，進行卸載過程中的應變和變形監測，驗證實
測值和理論值的差異。
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卸載過程中，下掛鋼梁結構及首道環帶轉換桁架因自重等因素影響下，產生豎向位移。卸載砂
箱通過分批排砂降低砂箱高度從而實現卸載。
1、根據卸載的次序安排，每個卸載點設置柱頂操作平臺且安排2 名工人，共用1 名指揮，同時
配備對講機等通訊工具，保持設備和工具的良好使用性能。
2、第一級卸載量按總卸載量50%控制。每個卸載操作平臺安排2 名人工，首先松開螺桿、拆除
防水玻璃膠。然后聽從指揮，同時排砂卸載。通過排砂法（根據排砂時間和排砂量雙重控制）卸載，
根據試驗數據，理論卸載速率0.5mm/min，根據卸載速率計算卸載施工時間安排。在卸載過程中，
由于壓力逐漸變小，需要用量杯對排砂體積進行輔助校核。
3、根據監測反饋的測量數據，判斷結構的變化值是否在控制范圍內。當監測數據顯示主體結構
應力增量和卸載量呈現明顯的比例關系，主體結構應力變化情況呈現雙軸對稱性，與主體結構對稱
性一致。
4、若符合要求，重復第2 步進行第二級卸載，直到卸載砂箱與主體結構脫離接觸，至此臨時支
撐卸載完畢，關閉閥門。
4.2.5卸載監測
1、位移監測
位移監測包括水平位移監測和豎向位移監測。水平位移監測應測定建筑物在規定平面位置上隨
時間變化的位移量和位移增長速度，豎向位移監測應測定建筑物的豎向位移量、豎向位移差，并計
算豎向位移速度和建筑物傾斜度。
圖4.2.5-1 二維面陣激光位移計示意圖
鋼結構水平位移和沉降（撓度監測）采用二維面陣激光位移計進行監測。首先在穩固的柱子上
安裝激光發射器，在需測量桁架位移的部位安裝接收光靶，盡量使得激光點落在激光靶中部。在光
靶接收到激光發射器發射的激光時，光靶記錄激光點在光靶上的初始位置，并將這個位置的坐標進
行初始化為（X0,Y0），當桁架產生位移時，光靶接收到激光點的位置發射變化，該位置和初始位置
在豎直方向的距離即為桁架的位移。采集的數據通過4G 無線通訊技術傳輸至采集平臺，在整個階段
中監測頻率采用1 秒/次，以確保整個構建處于安全可控的狀態。
本例在4 層及11 層外框柱底設置豎向位移監測點共8 個，進行豎向位移監測以評估核心筒整體
平整度及標高變化。結構施工期間每增加2~4 層監測一次豎向位移，結構封頂至竣工期間每三個月
監測一次，交付前監測一次，交付后每6 個月監測一次。環帶桁架施工期間監測頻次應為日常監測
頻次的兩倍，胎架拆除期間進行連續監測。
砂箱卸載時，應隨時監測桁架各控制點的變形情況，并與計算值進行對照，監測的結果應及時
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向有關部門報告。
圖4.2.5-2 位移監測點布設圖（本例下掛區L4 層首節吊柱）
圖4.2.5-3 位移監測點布設圖（本例下掛區L10 層首節吊柱）
2、內力監測
振弦式應變計由前后端座、不銹鋼護管、信號傳輸電纜、振弦及激振電磁線圈等組成。當被測
結構物內部的應力發生變化時，應變計同步感受變形，變形通過前、后端座傳遞給振弦轉變成振弦
應力的變化，從而改變振弦的振動頻率。電磁線圈激振振弦并測量其振動頻率，頻率信號經電纜傳
輸至智能無線數據采集終端，再經由4G 移動通訊技術將數據發送至計算機數據采集平臺進行解算，
即可測出被測結構物內部的應變量。
通過本例首道桁架結構及下掛鋼結構的形式分析，在結構卸載施工過程中，首道桁架由支撐拆
除前的小跨度簡支梁單元轉換成支撐拆除后的懸臂梁單元，此過程的應力變化量最大，為保證卸載
過程結構的安全需要對構件應力進行監測。胎架的安裝與拆除會引起結構的邊界條件的變化，且存
在上部結構的后裝構件，需對結構的內力及應變監測。故在桁架上弦、下弦以及腹桿設置監測點共
10 個。
圖4.2.5-4 BGK-4000 振弦式應變計結構示意圖、實物及使用示意圖
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圖4.2.5-5 應力監測點布置圖（本例桁架層上下弦及腹桿）
4.2.6臨時支撐胎架和砂箱拆除
臨時支撐胎架拆除部分包含砂箱、環向水平支撐、環向斜支撐、徑向水平支撐、徑向斜支撐和
胎架立柱，均采用25 噸汽車吊進行拆卸。
每個胎架柱頂操作平臺安排2 名工人，工人先將砂箱頂部25mm 蓋板與主體結構的臨時連接焊縫
割開，然后砂箱進行排砂卸載，待砂箱頂部與主體結構完全脫開和應力應變位移監測完成即砂箱卸
載完成后；其中，胎架支撐與核心筒連接方式為焊接，胎架立柱與連梁連接方式為栓焊節點，因此
在拆除時需由工人先進行切割再拆除螺栓方可進行起吊拆除。待砂箱排砂后將內外筒的螺桿擰緊，
然后使用卸扣將砂箱環向加勁肋的螺栓孔與25 噸汽車吊鋼絲繩連接，將砂箱與胎架立柱連接的螺栓
進行拆除，利用25 噸汽車吊將砂箱吊起拆除，再使用25 噸汽車吊由中間往兩側進行拆除，先拆除
跟胎架立柱相連的的徑向斜支撐、徑向水平撐、環向支撐和環向斜支撐，然后從上往下拆除胎架立
柱。其中支撐胎架側工人通過攀爬立柱上至，核心筒連接位置通過升降車進行切割。
5. 材料與設備（參考廠家）
5.1 材料
表5.1.1 主要材料表
序號材料名稱規格主要指標用途
1 砂箱裝置
Ø609外筒+ Ø 545內筒
+M24拉結螺栓+M16止
砂螺栓
砂箱裝置預壓200t
材質為Q355B
螺栓為10.9S
鋼結構卸載工具
2 鑄鋼丸S550 粒徑0.8～1.2mm大小砂箱裝置中空部分填充物
3 圓管立柱Ø 800*20 材質為Q355B 臨時支撐胎架
4 連系梁H型梁材質為Q355B 臨時支撐胎架
2 鑄鋼丸S660 粒徑2mm大小砂箱裝置中空部分填充物
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5.2 設備
5.2.1主要設備表
序號設備名稱規格技術指標用途
1 二維面陣激光位移計廣聯達位移監測設備LRK-DL630 監測鋼結構位移變化量
2 振弦式應變計
廣聯達應力應變監測設
備
BGK4000/4000X/4000HP
標準量程：3000με
監測鋼結構應力應變變
化量
3 智能無線數據采集終端廣聯達數據采集設備LRK-DZ622A
用于監測數據的自動化
采集
6. 效益計算分析
相對于液壓整體提升逆轉法，減少了拼裝胎架費用、整體提升費用、拆分鋼梁增加安裝焊接費
用、下掛拉索幕墻后裝增加費用、汽車吊費用；增加了臨時支撐胎架及砂箱租賃費用、地腳螺栓安
裝、臨時支撐胎架安拆費用、地腳螺栓、臨時支撐胎架水平撐及斜撐重復加工制作及運輸費用。節
約10+40+5+10+（15-10）-10-24-5.5=30.5 萬元。
表6-1 效益計算分析表
新技術類別計價指標
效益計算公式
(萬元)
新技術
工藝類
回收（節約）物資類，08
成本降低X0803
（節約的資金）
4
環境影響X0809 鋼構件回收利用
減少事故（包括質量）類，15
信譽提高X1505 降低卸載危險
成本降低X1803
（節約的資金）
-
減少作業費用類，16
成本降低X1803
（節約的資金）
10+5+10-9.5=15.5
節約設備和基建投資類，18
成本降低X1803 40+15-10-24-10=11
社會效益X1809
保障整體工期，獲得深
圳市質監站、業主、監
理單位的高度好評，同
時在土木在線論壇、蘭
格鋼鐵網站等多個網
絡平臺廣泛傳播
總計30.5
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7. 應用實例（典型照片）
圖7-1 砂箱預壓卸載試驗圖圖7-2 臨時支撐胎架柱頂砂箱安裝
圖7-3 下掛區臨時支撐胎架砂箱卸載圖圖7-4 下掛區臨時支撐胎架砂箱流砂圖
圖7-5 應力應變監測儀器圖圖7-6 卸載砂箱拆除圖
8. 技術咨詢服務單位聯系方式
技術提供單位中國建筑一局（集團）有限公司華北公司
中國建筑一局（集團）有限公司
主要完成人何志遠、戚金有、賀茂軍、周海軍、趙鵬、申海輝
技術咨詢聯系人何志遠聯系電話13926064562

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