陕西法门寺合十舍利塔加强连接桁架卸载施工技术

摘要:法门寺合十舍利塔工程属异型钢骨混凝土组合结构，本文着重对其钢骨结构安装过程中临时加设的加强水平连接桁架的卸载施工技术进行介绍。

关键词:连接桁架 水平卸载热熔放张 许愿桥桁架 断开点

一、工程概况

法门寺合十舍利塔工程位于陕西省宝鸡地区扶风县城北约10公里的法门镇。合十舍利塔是法门寺文化景区建设主体结构的核心，属纪念性佛塔，是将来专门珍藏佛指舍利和供人们朝拜瞻仰的地方。

法门寺合十舍利塔采用型钢-混凝土组合结构形式。主塔总建筑高度为148米，为实现建筑造型，塔身结构在高度24米、44米（手背）、54米（手心）、74米分别设置塔体拐点，其中24米以下为规则竖直筒体，24～44米手背侧以14.8422度角向内倾斜，44～54米间手背侧及手心侧以双向倾斜面转换，44～74米手背侧（ 54～74米手心侧）以36度角向外倾斜，74～127米手背及74～104米手心以36度角向内倾斜，在109～117m处分别以四榀桁架将独立分开的两手掌衔接为连体结构，共同受力。整体结构为高耸倾斜、造型不规则结构。

由于该双手合十造型的不规则及结构形式复杂造成施工建造过程也十分复杂，重力荷载在结构施工过程中会引起结构平面变形以及结构完工后位形控制等问题，同时根据施工组织设计钢结构施工超前混凝土施工20米,使得施工过程中还存在超前钢结构的稳定问题。

基于以上工程特点聘请多位国内知名专家进行施工论证，最终专家们达成一致意见：甲方委托设计院进行主塔结构施工过程的全过程模拟分析，并且参照专家们的意见。设计院在《法门寺施工模拟计算及预变形分析报告》中提出在两手之间79～84米标高S、P、R、N轴增设四道加强钢管连接桁架。每个桁架设两根钢管格构式柱支承。

桁架上弦标高84米、下弦标高79米、支撑钢柱底部标高54米。

桁架弦杆为Φ711*16钢管；腹杆有Φ711*16、Φ600*20、Φ299*20钢管。支撑钢柱由Φ273*12、Φ168*12钢管组成。桁架上下弦支撑为Φ273*12钢管。

桁架位置布置如下图：

图1 连接桁架立面位置图 图2 连接桁架平面位置图

二、桁架卸载的总体思路

连接桁架是为了保证在施工过程中结构稳定而采取的一种加强连接措施，结构施工完成后其已经与结构主体形成了一个结构体系。桁架卸载的实质内容就是整个钢骨混凝土结构体系在增设的连接桁架拆除后应力及内力的重新分配，以及由此产生的混凝土裂纹、变形和局部应力变化对结构的影响。根据计算整个拆除过程中，合十舍利塔主塔结构体的位形变化很小，对拆除过程的卸载指导作用不明显，相比较而言，连接桁架卸载（断开点）位置两侧的相对变形较明显，因此将连接桁架卸载（断开点）位置的两侧作为位移（变形）监测重点。为了保证卸载工作的顺利进行以及对结构的影响在可控范围内，卸载的基本思路就是要逐级同步缓慢释放应力，要在卸载过程中全程监控控制点应力变化及位形变化并作出判定。主要的测量控制点为：桁架上下弦杆两端应力检测、桁架断开点位移测量、74米东西两侧手背拐点控制点位移测量、127米高程测量、许愿桥桁架应力检测、结构拐点混凝土裂缝检测。

三、施工技术方案

连接桁架卸载的指导思想就是对上下弦杆局部断面进行适当热熔后，使其强度降低，利用钢材的延伸性使其内存应力缓慢得到释放。把连接桁架所受应力及内力逐步平稳的转移到结构自身受力体系，转换到结构的设计状态。卸载过程是整个工程施工的极其重要和关键性的施工步骤。

连接桁架卸载是依据设计院对施工全过程的模拟分析计算，并结合本工程现场施工条件，结构自身特点，同时考虑卸载过程的可操作性。其具体做法是在断开点两边安装焊接法兰盘和装配Φ70螺栓利用“热熔放张法”逐步将加强连接桁架弦杆的内力缓慢释放。

1、施工准备

（1）、确定桁架割除位置、安装法兰盘及螺栓

根据桁架内力计算将桁架割除位置确定在桁架中间内力较小的位置，为了操作方便在一个方格内左右错开如下图。

图3桁架拆除（断开点）位置示意图

图4 法兰盘安装详图

桁架卸载前在桁架弦杆切割线后距线两侧150mm处焊接对穿螺栓环型钢板，并在环型钢板两侧焊接加劲板。此处焊缝要求全熔透一级焊缝并且要进行超声波检测。安装上、下弦对穿螺栓,并予拧紧。法兰盘为40mm厚的圆环，两环间距宽度300mm，其上8等分设置螺栓孔Φ75。螺栓经过计算确定为M70*600的精制螺栓。每个法兰盘8个螺栓均匀分布在法兰盘环带的中心圆上。

（2）、确定桁架应力测试点位置并测量此时的实际应力值

为了消除温度对桁架弦杆应力的影响桁架的应力测试片贴在下图所示的杆件1、6、7、14的上下表面。

图5 桁架应力测试点位置图

各控制杆件轴力如下表。

S、N轴弦杆件轴力列表（表1）（单位：kN）

施工步 杆件1 杆件6 杆件7 杆件14

结构安装完成时 1005 1013 5388 5400

桁架断开时 -2595 -2539 3612 3567

R、P轴上弦杆件轴力列表（表2）（单位：kN）

施工步 杆件1 杆件6 杆件7 杆件14

结构安装完成时 731 770 5372 5264

桁架断开时 -2683 -2548 3754 3597

（3）、割除对穿螺栓所在区格立面内和平面内交叉斜撑。

2、桁架热熔放张卸载

（1）、由于受库存材料限制原桁架设计弦杆由Φ530×16改为Φ711×16 ，因此为了便于热熔操作可以先行对桁架弦杆截面进行削弱，使其实际截面等于Φ530×16的截面积。削弱按螺栓分8个区域进行，具体做法是将每根螺栓在弦杆表面的投影位置割去一个100×70mm的条形孔。（Φ530×16的截面面积为258.365cm2, Φ711×16的截面面积为349.345cm2，两者的差值为90.98cm2，分8块削弱每块面积为11.3725cm2宽度为71mm。）

（2）、采用对弦杆分区热熔方法，逐步释放上下弦杆内力并转移至对穿螺栓内，将对穿螺杆范围内钢管截面分为四个区域，其热熔先后顺序依次为分区1分区2分区1分区2，当分区位置钢管软化即可。热熔过程中要用大号烘枪在划定的区域内沿切割线两侧各100mm范围内来回摆动加热，直到该部分钢材温度达到900℃。具体做法如下：（以一榀桁架一根弦杆为例）

同时用2把大号烘枪加热螺栓A所在钢管区域直至温度达到900℃后，再加热螺栓B所在钢管区域直至温度达到900℃。在加热过程中根据桁架弦杆变形情况松动螺栓的螺母，始终保证螺栓螺母与法兰盘环形板间距在2mm左右。重复第一步直至管体发生颈缩现象螺栓受力为止。逐步割除环板之间上下弦杆，将弦杆内力转移至对穿螺栓内桁架卸载完成。

图6截面削弱及热熔分区示意图

图7 桁架断开点位置示意图

（3）、应力释放的分级控制

为了保证桁架内力释放能在平稳缓慢可控的状态下进行，我们采用分级逐步卸载的方式控制卸载。根据计算桁架断开点最终的位移如下表。

连接桁架断开位置水平位移（表3）（单位：mm）

施工步 S轴上弦 S轴下弦 R轴上弦 R轴下弦

主体施工完成时 2.4 1.0 2.3 0.8

桁架卸载完成时 22.8 12.7 21.8 11.6

因此我们将断开点位移变化作为卸载过程中一个较为直观的控制指标。经过多方研究论证初步决定采用30%、30%、20%、20%的分级放张方案。

3、应力及位移变化测控

（1）、结构主移测控

位移变化控制点设在74米标高处东西各设4个点，具置在TRPM轴两端沿1119布置。具置见下图74米测控点布置示意图（图中A、C点为本次测量控制点）位移变化主要对74米设定的几个关键点进行相对位移测试，以验证设计计算和结构的实际位移变化是否相符。

（2）、应力测试

应力测试要全程进行，在卸载过程中的每一个阶段都要测试应力并且要和设计结果进行对比，用于指导下一步的卸载（热熔）。具体的应力测试选择在加强连接桁架和许愿桥桁架的弦杆上。许

图8 74米位移测控点布置示意图愿桥桁架应力测试主要为了实时监测加强连接桁架卸载过程中许愿桥桁架的应力变化是否满足设计要求。

应力测试按阶段分为卸载前、卸载过程、卸载后三个阶段进行。

卸载前要先测试许愿桥桁架测点位置的原始应力值以及加强连接桁架实际弦杆应力值。

（3）、卸载过程中混凝土结构裂缝检测

为了确定桁架卸载过程对主体混凝土的影响决定在主体结构的44米、54米、74米拐点部位的倾斜墙和79米到84米桁架部位的水平垂直墙体以及117米许愿桥桁架混凝土构件进行混凝土裂缝观察。首先在卸载前对现有结构已有裂缝进行检查做好标识、记录，并作石膏试饼观察点。在卸载过程中随时观察检查裂缝发展变化情况。

四、卸载施工安全措施

法门寺合十舍利塔属高耸倾斜对称连接结构，在施工过程中增设的加强连接桁架其受力特点是轴向应力值大，位移变化值小。对于这种型钢―混凝土组合结构的水平卸载在全国没有先例，如何做到“科学分级、同步控制、平稳缓慢”的应力释放原则，使卸载过程加强连接桁架的应力重新分配做到平稳缓慢，对结构体不造成任何破坏影响。其难度和安全风险都极大。

1、 卸载前对结构体进行了全面的检测

（1）、检查了塔体各层的砼强度报告，必须达到设计值C60。

（2）、检测了连接桁架上、下弦杆的应力值，许愿桥桁架的应力值。

（3）、测量了74m标高拐点的位移值，127m标高的高程值。

（4）、检测了结构所有拐点部位的砼裂缝记录，并作了标识。

2、为了做到平稳缓慢，每一步热熔放张后，都对所有检测和测量点进行全面检测，对检测数据结果进行认真分析，总结经验教训，确定调正施工工艺，使每一步的热熔放张施工都在可控的状态下进行。

3、对参与卸载施工的所有人员进行严格的认真的技术交底，从施工步骤到操作工艺，力求统一、准确，做到指令信息及时、通畅，令行禁止、步调一致，

4、制定预案措施。整个卸载过程都是基于理论计算分析的基础上制定的。在具体实施过程中，可能会出现和理论分析值不同的情况，对可能产生的各种非正常情况，都编制了相应的处理预案措施。

5、对所有卸载高空工作面进行认真检查，确保操作人员操作安全，检查操作架体的稳定情况、脚手板的铺设和紧固情况，利用结构体拉设通长安全绳。对操作工人进行安全教育，提高安全意识，确保安全措施落实到位，同时全面加强安全监督管理，作到人员到位，措施到位，使卸载过程中技术工作和安全工作同步落实。

五、结语

法门寺合十舍利塔连接桁架水平卸载施工的成功经验，说明对于这种特殊造型的型钢-混凝土组合结构，依据理论计算并结合结构特点，采用“置换热熔放张法”进行卸载施工是科学的、合理的、可行的，所采取的卸载原则和卸载步骤是正确的。为今后类似工程的施工积累了第一手资料，丰富了国内钢结构施工的经验。注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。