楊國松

(江蘇滬寧鋼機(jī)股份有限公司，江蘇 宜興 214231)

大型場館項(xiàng)目屋蓋普遍采用鋼結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)形式采用桁架結(jié)構(gòu)、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)或拱殼結(jié)構(gòu)，其都具有安裝高度高、結(jié)構(gòu)荷載大的特點(diǎn)。結(jié)構(gòu)安裝時(shí)需設(shè)置臨時(shí)支撐體系，且結(jié)構(gòu)安裝加載順序的不同，也會對結(jié)構(gòu)最終成型應(yīng)力和變形產(chǎn)生影響。因此根據(jù)工程特點(diǎn)需選擇合適的支撐體系和安裝順序，使鋼結(jié)構(gòu)施工完成態(tài)盡量與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)態(tài)吻合。

1 工程概況

北京工人體育場位于北京朝陽區(qū)工人體育場內(nèi)，為改造復(fù)建項(xiàng)目。新建項(xiàng)目堅(jiān)持“傳統(tǒng)外觀、現(xiàn)代場館”設(shè)計(jì)理念，通過保持主體建筑橢圓形造型、立面形式和比例、特色元素與建設(shè)初期相比基本不變，恢復(fù)工人體育場原有風(fēng)貌，新工體建筑效果如圖1所示。

體育場看臺主體結(jié)構(gòu)為混凝土框架結(jié)構(gòu)，地上6層，地下2層，采用樁筏基礎(chǔ)，采用下沉式主賽場，屋蓋為大開口空間單層拱殼鋼結(jié)構(gòu)，整個(gè)體育場屋蓋結(jié)構(gòu)體系包括隔震支座、外受拉環(huán)梁、內(nèi)受壓環(huán)桁架、拱肋、次梁及內(nèi)懸挑鋼梁等，結(jié)構(gòu)體系清晰明了；受壓環(huán)桁架及屋面荷載通過主拱肋傳遞給底部的受拉環(huán)梁，而后向下傳遞至混凝土看臺框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)傳力路徑明確，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖2[1]。

本工程為大開口空間單層拱殼鋼結(jié)構(gòu)，屋蓋最高點(diǎn)標(biāo)高約46 m，主賽場為下沉式，標(biāo)高-13.86 m，采用大型履帶吊在主賽場結(jié)構(gòu)面進(jìn)行屋蓋受壓環(huán)及主拱的吊裝方案，因此施工高度達(dá)59 m，結(jié)構(gòu)剖面如圖3所示。受壓環(huán)分段位置需設(shè)置高度達(dá)56 m的高支撐，單個(gè)支撐點(diǎn)需承擔(dān)屋蓋施工荷載270 t。

2 支撐設(shè)計(jì)

受壓環(huán)為倒三角桁架結(jié)構(gòu)，桁架寬度8 m～12 m，桁架上下弦高度11 m。大截面桁架弦桿分段位置設(shè)置臨時(shí)支撐，方案設(shè)計(jì)階段初步擬定兩種方案：

1)格構(gòu)式組合支撐架。臨時(shí)支撐立柱采用格構(gòu)式支撐柱，相鄰四個(gè)支撐柱通過水平桁架連接形成組合支撐架。

2)獨(dú)立管組合支撐架。臨時(shí)支撐立柱采用大截面圓鋼管，相鄰六個(gè)支撐柱通過斜向桁架和水平鋼管連接形成組合支撐架。

2.1 格構(gòu)式組合支撐架

組合支撐架立柱布置在桁架上弦分段對接位置，采用格構(gòu)式支撐立柱，立柱平面投影尺寸為1.5 m×1.5 m，由四根立桿及其間的斜腹桿組成，桿件之間采用法蘭螺栓連接。立桿截面尺寸為φ180 mm×10 mm，斜腹桿尺寸為φ102 mm×6 mm。

格構(gòu)式支撐立柱底部設(shè)置預(yù)埋件固定于結(jié)構(gòu)底板，頂部支撐屋蓋壓力環(huán)桁架上弦，立柱支撐高度約56 m，相鄰四個(gè)格構(gòu)式支撐立柱通過一圈水平桁架連接成一個(gè)組合支撐架。水平桁架布置在35 m高度(約桁架高度的2/3位置)，水平桁架截面尺寸同立柱截面。支撐總體軸測如圖4所示。

壓力環(huán)桁架下弦通過在支撐立柱之間橫向設(shè)置一道水平桁架支撐，并在水平桁架下部設(shè)置四根斜撐傳遞荷載。支撐結(jié)構(gòu)形式如圖5所示。

2.2 獨(dú)立管組合支撐架

倒三角形壓力環(huán)桁架上下弦均設(shè)置獨(dú)立管組合支撐架立柱，并且分段兩端均設(shè)置立柱，立柱規(guī)格φ609 mm×10 mm，因此單個(gè)組合支撐架立柱數(shù)量為6根。立柱之間設(shè)置斜向單片桁架，桁架傾斜角度為45°。桁架弦桿截面尺寸為φ180 mm×10 mm，斜腹桿尺寸為φ102 mm×6 mm。支撐總體軸測如圖6所示。

6根立柱分成兩個(gè)三角形格構(gòu)柱，用鋼管連接相鄰三角形立柱形成組合支撐架，如圖7所示。

3 結(jié)構(gòu)安裝順序

由于支撐設(shè)計(jì)為獨(dú)立式的支撐，沒有通過水平聯(lián)系將所有組合支撐架連接成一個(gè)環(huán)形支撐體系，因此屋蓋的壓力環(huán)桁架和主拱安裝順序的不同將會使屋蓋結(jié)構(gòu)及支撐結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同的內(nèi)力及變形。經(jīng)施工初步分析有如下兩種安裝思路：

1)壓力環(huán)分段和主拱結(jié)構(gòu)同步安裝，即履帶吊吊裝定位壓力環(huán)分段后，立即將與之相連的主拱安裝定位，減小大型履帶吊在場地內(nèi)的行走，對施工效率及有限場地施工組織布置有利。

2)先壓力環(huán)后主拱安裝順序，即壓力環(huán)先安裝成環(huán)后再進(jìn)行主拱的對稱安裝，對結(jié)構(gòu)變形控制有利。

4 計(jì)算分析

全過程施工仿真模擬是結(jié)構(gòu)由支撐及主結(jié)構(gòu)支座受力逐漸轉(zhuǎn)移為僅由主結(jié)構(gòu)支座受力過程，在此過程中鋼屋蓋隨著支撐點(diǎn)位變化內(nèi)力進(jìn)行重新分布。施工過程中對結(jié)構(gòu)安全有影響的因素很多：支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、主結(jié)構(gòu)安裝順序和支撐卸載過程的有效控制等均對結(jié)構(gòu)最終狀態(tài)產(chǎn)生較大影響[2]。

通過對兩種支撐架結(jié)構(gòu)形式及相同支撐形式兩種安裝順序組合形成的三種方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)安裝工況分析，而后對比分析屋蓋結(jié)構(gòu)及支撐結(jié)構(gòu)的變形及應(yīng)力，比選有利于施工安全的方案。

4.1 格構(gòu)式支架同步安裝法

本工法采用格構(gòu)式裝配支撐進(jìn)行施工，屋蓋壓力環(huán)桁架和主拱進(jìn)行同步安裝，因全過程工況較多，下面選取5個(gè)典型安裝工況如圖8所示。

采用Midas Gen 2021對鋼屋蓋結(jié)構(gòu)進(jìn)行全過程施工仿真模擬計(jì)算，鋼屋蓋施工過程中，屋蓋最大豎向變形為490 mm、最大應(yīng)力為146 MPa；臨時(shí)支架的最大應(yīng)力為239 MPa，所有應(yīng)力和變形均在設(shè)計(jì)允許范圍之內(nèi)[3-4]。

4.2 獨(dú)立管支架同步安裝法

本工法采用獨(dú)立管支撐進(jìn)行施工，屋蓋壓力環(huán)桁架和主拱進(jìn)行同步安裝，選取5個(gè)典型安裝工況如圖9所示。

通過仿真模擬計(jì)算，鋼屋蓋施工過程中，屋蓋最大豎向變形為483 mm、最大應(yīng)力為131 MPa；臨時(shí)支架的最大應(yīng)力為181 MPa，所有應(yīng)力和變形均在設(shè)計(jì)允許范圍之內(nèi)。

4.3 獨(dú)立管支架先成環(huán)安裝法

本工法采用獨(dú)立管支撐進(jìn)行施工，屋蓋壓力環(huán)桁架先安裝成環(huán)后再對主拱進(jìn)行安裝，選取5個(gè)典型安裝工況,如圖10所示。

通過仿真模擬計(jì)算，鋼屋蓋施工過程中，屋蓋最大豎向變形為473 mm、最大應(yīng)力為119 MPa；臨時(shí)支架的最大應(yīng)力為174 MPa，所有應(yīng)力和變形均在設(shè)計(jì)允許范圍之內(nèi)。

4.4 各方案計(jì)算結(jié)果匯總

通過上述對三種安裝方案進(jìn)行全過程模擬分析，分析結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表1 三種安裝方案分析結(jié)果匯總表

北京工體屋蓋鋼結(jié)構(gòu)安裝方案[5]，通過三種不同的施工方案對比分析其變形與內(nèi)力，獨(dú)立管支架先成環(huán)安裝法屋蓋結(jié)構(gòu)最終成型后，結(jié)構(gòu)最大變形、應(yīng)力和支撐結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力均最小，最終選定獨(dú)立管支架先成環(huán)的安裝方法。

5 結(jié)語

通過上節(jié)對三種方案比選分析，六立柱獨(dú)立管組合支撐架受力較為均衡，圓鋼管立柱傳遞豎向荷載，斜向桁架傳遞水平荷載。進(jìn)行壓力環(huán)分段吊裝時(shí)，其水平荷載主要為風(fēng)荷載，鏤空的桁架結(jié)構(gòu)形式產(chǎn)生的風(fēng)荷載較小，斜向桁架滿足受力要求。當(dāng)壓力環(huán)安裝成型后再對稱安裝斜向主拱肋，此時(shí)壓力環(huán)與支撐形成一個(gè)封閉的環(huán)向支撐體系來承擔(dān)主拱肋的豎向及水平荷載，大大增加了支撐體系的抗側(cè)能力，此方法應(yīng)用于重載高支撐結(jié)構(gòu)體系中，大大減小了支撐使用量同時(shí)提高了支撐的整體剛度，在屋蓋現(xiàn)場安裝施工過程中，通過全站儀測量監(jiān)測，支撐及屋蓋壓力環(huán)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移及豎向變形均滿足施工規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)應(yīng)力與分析計(jì)算結(jié)果基本吻合，滿足設(shè)計(jì)要求。