周 蓉(中鐵建設集團華東工程有限公司,江蘇 昆山 215332)
目前發(fā)展較快的結構類型主要是大跨度空間鋼結構,其跨度以及規(guī)模因人們的需要在不斷擴大,新材料、新技術的應用也使得其利用廣泛,結構形式越來越豐富。鹽城體育館是大跨度空間鋼結構,位于鹽城鹽南科教城,建筑性質為乙級體育建筑,采用的是鋼結構罩棚。
鹽城體育館的桁架平面尺寸為 135.5 m×103.3 m。其桁架的頂標高為 26.265 m,相對高度尺寸為 3 956 mm。桁架鋼管最大規(guī)格Φ450 mm×20 mm,最大跨度單榀主桁架重量 48.3 t。
鹽城體育場采用“地面拼裝成段,大跨分段吊裝,高空對接合龍”的施工技術。當下部混凝土及支座預埋件安裝完成且具備吊裝條件后,桁架進行拼裝、吊裝。主桁架分三段吊裝,采用從屋面的側邊向另一側安裝。由于鋼屋架跨度較大,會使安裝順序對內力分布和結構位移影響較大。
在桁架吊裝和焊接構件后,需對臨時支撐進行拆除??紤]到施工安全的因素,拆除臨時支撐會導致結構位移以及內力重分布,體系的最終狀態(tài)會因拆除臨時支撐的方案受到很大影響。鹽城體育場鋼屋架為大跨度鋼結構,在模擬分析中需劃分卸載模擬步、對卸載單元進行分析。通過軟件模擬分析,卸載過程會影響到支撐反力、結構內力和位移變形。模擬分析后,將制定出合理的卸載方案。
臨時支撐采用 1 m×1 m 的截面,搭設高度為 21 m,弦桿采用 L 90 mm×8 mm,材質為 Q 235,腹桿為 L 60 mm×5 mm,材質為 Q 235,頂部采用 H 200 mm×200 mm×5 mm×5 mm 和 100 mm×100 mm×8 mm 方管,材質為Q 235 作為支座平臺,焊接連接。
采取方案:所有臨時支撐采用逐級等距卸載方案,從兩端向中間逐個對稱卸載; 在每一固定長度位移的卸載結束后,開始下一級位移卸載,脫離全部支撐即卸載結束。
本工程屋面桁架跨度大,根據(jù)各區(qū)域桁架主桁架方向,采取分段吊裝桁架。其中,施工 B 區(qū)橫向主桁架分三段吊裝,臨時支撐位于桁架下弦分段處兩側各布置一個(雙支撐),支撐位于豎向次桿件正下方。臨時支撐高度 21 m,共需布置 24 根臨時支撐。施工 A 區(qū)、施工 C 區(qū)懸挑部位桁架布置臨時支撐(高度 16 m),共需布置 16 根臨時支撐。
本工程屋面桁架最大下?lián)衔灰?57 mm,墊片整體厚度取 60 mm,一組墊片包含 5 塊厚度 12 mm 鋼板,選取其中一跨為例,對桁架卸載工藝進行分析。
在格構支撐架上方,桁架下弦桿下方設置 2 臺 20 t 螺旋千斤頂。千斤頂配合,放入 2 組支撐墊塊,每組 5 塊板,為厚度 12 mm 鋼板。由 2 組支撐墊塊對桁架進行支撐,千斤頂配合,移除桁架支墊型鋼,2 臺千斤頂同步操作,使桁架下弦脫離支撐墊塊,然后移除第 1 個墊塊,千斤頂緩慢回落,2 臺千斤頂同步操作,使桁架下弦脫離支撐墊塊,然后移除第 2 個墊塊,千斤頂緩慢回落。之后按照上述相同的步驟,至此桁架完全脫離支撐墊塊,完成桁架卸載。
上述卸載方案千斤頂能夠重復使用,成本較低,施工過程方便,現(xiàn)場施工階段管理也相當簡單。
在桁架下方對應千斤頂位置處點焊一個托架,千斤頂上面套 1 個墊板,墊板與托架接合處涂抹黃油,桁架位移時,與千斤頂摩擦力降到最小。
在桁架吊裝施工過程中,為便于穿插施工,在 B 區(qū)安裝完成 50% 及 100% 后拆除格構組中的一根格構柱。
內側格構柱在所在軸線主,次桁架焊接完成后,用 25 t 汽車吊進行拆除。25 t 汽車吊先將格構支撐架用吊繩吊牢,再拆除 2 道纜風繩,最后慢慢放倒至地面。待格構支撐架完全卸載后,采用 25 t 汽車吊進行拆除。25 t 汽車吊先將格構支撐架用吊繩吊牢,再拆除 2 道纜風繩,最后慢慢放倒至地面。
施工階段采用大型通用有限元軟件進行分析。模擬采用大型商業(yè)有限元軟件 Midas GEN 分析鹽城體育館鋼屋蓋桁架的施工方案。由于工程跨度較大,且對施工要求較高。為保證施工安全,所以需對施工過程進行驗算,分析結構位移和桿件的應力比,為安全施工提供數(shù)據(jù)參考。設荷載僅為自重(含節(jié)點自重),考慮動荷載系數(shù) 1.2。模擬分析表明,桁架反力中部大、兩端小,所有支撐點的初始豎向位移為39~57 mm。結構的位移和桿件應力比很小,符合施工要求規(guī)范。在分析過程中,為了防止結構體系的塑形變形,將對桿件進行調整,并保證其方便拆除,在施工過程中安全可靠。
鹽城體育館的施工過程分析與方案設計需要考慮到施工階段。下部混凝土支座已建成,在支撐卸載階段,假設混凝土徐變較小,且不考慮鋼結構的缺陷。在施工模擬分析中建立單元、荷載,施加邊界條件,按施工方案劃分為多個不同的施工步。臨時支撐卸載完成后的狀態(tài)設置為施工階段的最終狀態(tài)。每一個施工分析步基于前面所有的分析步結束后的影響上進行。
為了保證分析結果的可靠性,將鋼屋蓋支座與下部框架結構的連接設置為固結,臨時支撐與鋼屋蓋的連接設置為鉸結。邊界約束條件如圖 1 所示。
圖1 邊界約束
鹽城體育館結合現(xiàn)場的施工條件及受力性能,從吊裝到卸載臨時支撐共分為 35 個分析步,其中步驟 1 至步驟32 為吊裝,步驟 33 和步驟 34 為卸載過程,步驟 35 為卸載完成。
施工卸載臨時吊裝的三個分析步:首先拆去鋼屋蓋外側 16 個臨時支撐,其變形最大位移為 39 mm,下?lián)项A警值78 mm,應力比最大值 0.26。其次拆除中部 24 個臨時支撐,變形最大位移為 52 mm,下?lián)项A警值 104 mm,應力比最大值 0.42。最后拆除完成,其變形最大位移為 57 mm,下?lián)项A警值 114 mm,應力比最大值 0.48。支撐點處的位移和內力、構件的應力比都很低,具有足夠的安全儲備。
(3)鹽城體育館鋼桁架施工跨度大、施工場地環(huán)境復雜。通過研究,提出了“地面拼裝成段”,合理劃分施工區(qū)域和順序,采用“大跨分段吊裝”的方法。為克服施工場地空間小的限制,“高空對接合龍”解決了鋼結構桁架的施工難題,保障了施工的效率,有限元的模擬為施工安全做出了保障,為社會與經濟提供了良好的效益。
(1)模型采用的是理想情況,忽略了材料的缺陷以及偶然工況。該分析結果表明,構件的最大位移、支座反力、應力比與預警值相差較大,說明其材料有足夠的安全儲備。
(2)鹽城體育館為大跨度復雜結構,施工的模擬分析步是安全施工的重要保障,通過有限元軟件分析模型最不利的因素,并進行優(yōu)化,合理調整設計施工方案,為施工的安全做出了重要的保證。