異形大跨度鋼結構臨時支撐施工技術

上海市機械施工集團有限公司 上海 200072

1 工程概況

上海東方體育中心工程位于黃浦江以東、川楊河以南、濟陽路以西，總用地面積3.48×105m2，投資約20億元人民幣。

整個工程包括綜合體育館、游泳館、室外跳水池、服務中心、大平臺及室外大平臺等單體工程。其中綜合體育館結構高43 m，長166 m，寬172 m。地下2層，地上3層。鋼結構體系主要由10榀跨度達151 m的鋼架組合而成，10榀鋼架截面均為空間倒三角形，單榀鋼架質量逾550 t。整個綜合體育館工程總用鋼量約6 000 t。綜合體育館效果圖、三維結構模型如圖1所示。

2 總體施工技術路線

綜合體育館鋼架結構采用2臺大型履帶吊跨外分段節(jié)間綜合安裝，跨中鋼架分段則采用地面原位拼裝、逐段提升到位。鋼架分段臨時支撐根據(jù)結構特點采用格構式組合剛性支撐。

圖1 綜合體育館效果圖及三維結構模型

大跨度異形鋼架分成5～7段由兩端向跨中對稱安裝。鋼架分段由鋼架柱、鋼架梁分段組成，如圖2所示。

圖2 鋼架分段示意

鋼架柱為鋼管交匯而成的棱臺形鋼架，頭重腳輕，質量最大分段達148 t；鋼架梁為空間倒三角管桁架，質量最大分段達68 t。

3 工程的特點、難點及應對措施

1）鋼架柱、鋼架梁構件分段均超大、超寬、超重，構件無法由工廠預制直接運輸至現(xiàn)場吊裝，必須設置拼裝胎架在現(xiàn)場臥拼。其中鋼架柱構件為空間不規(guī)則棱臺，高重心且偏心，臨時支撐設置難度相當大。因此，必須精確計算每1榀鋼架柱的重心位置，并結合已完成的平臺結構設計做出既滿足豎向穩(wěn)定又滿足側向穩(wěn)定的支撐體系。同時還要考慮支撐系統(tǒng)無法事先設立，須隨鋼架柱吊裝同步設置的特點。臨時支撐點受力亦須采用計算軟件分析，并采用受力轉換手段來確保平臺結構的安全性。

2）鋼架梁為空間異形倒三角桁架體系，安裝時，構件一端與已完成的鋼架柱或鋼架梁上下弦桿對接，另一端采用臨時支撐系統(tǒng)擱置。由于看臺結構已經(jīng)完成，臨時支撐的設計難度相當大。因臨時支撐之下利用看臺結構架設，支撐高度高低不一，最大支撐高度達33.80 m，故臨時支撐下部構造須架設轉換鋼平臺，將豎向受力傳遞至看臺柱上，其上部構造還須滿足構件進檔和標高控制的要求。

3）受看臺結構的影響和部分桁架梁提升的要求，臨時支撐的設計須類型多樣，分成二肢格構體系、三肢格構體系以及四方架格構體系。格構體系的設計既要滿足自身的強度要求，又要確保其臨時穩(wěn)定。因此，結合計算軟件分析，對應設計的臨時支撐側向拉結需與看臺結構梁有效連接。

4）臨時支撐系統(tǒng)卸載是實現(xiàn)結構由施工工況向設計要求的最終轉換，結構受力將重分布。支撐卸載是一個復雜的受力過程，不合理的卸載順序容易導致結構局部應力超大、支撐受力過大等不利工況。因此，必須采用有限元施工模擬軟件進行多工況的反復比對，以確定最優(yōu)方案。同時采用應力應變檢測的方法實時掌握支撐卸載過程中的變形和受力的動態(tài)[1,2]。

4 異形大跨度鋼結構臨時支撐施工技術

4.1 異形鋼架柱臨時支撐設置

因單榀鋼架柱安裝時，構件頭重腳輕且向內側偏心，故臨時支撐設置既要考慮構件的豎向穩(wěn)定，又要考慮構件的側向穩(wěn)定。因此，支撐體系設置成為由豎向支撐和側向斜支撐組成的空間格構剛性支撐體系。

臨時支撐的上部節(jié)點采用刀板與鋼架主弦桿焊接固定，根部節(jié)點則通過路基箱將力傳遞至混凝土平臺梁柱上。

4.2 異形鋼架梁臨時支撐設置

鋼架跨度從中間向兩邊次第減小，自136 m減小至73 m，其中中間8榀覆蓋整個場館2層看臺區(qū)域，邊上2榀覆蓋結構平臺區(qū)域。鋼架梁臨時支撐設置須滿足以下要求：滿足鋼架梁臨時穩(wěn)定要求；滿足局部鋼架梁提升要求；由于看臺結構已經(jīng)完成，支撐點須通過合理轉換傳力至看臺柱上；臨時支撐自身結構須滿足強度和穩(wěn)定要求。

根據(jù)以上要求，結合異形鋼架結構特點以及看臺結構形式，我們有針對性地設計了由φ609 mm鋼管和20#槽鋼組成的雙肢、三肢、四肢格構式鋼支撐。

支撐分為ZC1、ZC2兩種類型。ZC1為四肢格構式鋼支撐，ZC2為雙肢格構式鋼支撐。鋼架梁支撐立面布置如圖3所示。

圖3 TR6、TR1鋼架梁支撐立面布置

由于臨時支撐受力點作用在已完成的結構看臺上，因此須設計轉換鋼平臺，將受力傳遞至看臺柱上。轉換鋼平臺由1 300 mm×700 mm×12 mm×25 mm鋼箱梁與400 mm×408 mm的H型鋼梁組成。ZC1轉換鋼平臺如圖4所示，ZC1格構式鋼支撐施工如圖5所示[3-5]。

圖4 ZC1轉換鋼平臺構造

圖5 ZC1格構式鋼支撐施工示意

4.3 臨時支撐卸載要求

本工程共設置54組支撐點，其中20組支撐點為外圍支撐，采用單根φ609 mm鋼管支撐，剩余34組支撐點為由φ609 mm鋼管組合成的格構柱。通過采用Madis有限元施工計算軟件進行施工全過程模擬分析，最終確定了臨時支撐的總體卸載流程：即臨時支撐整體卸載順序為從軸中向兩側對稱卸載，單跨鋼架卸載順序為從根部往跨中對稱卸載。卸載順序如圖6所示[6-8]。

圖6 臨時支撐卸載流程

5 結語

在本工程施工時，結構卸載過程采用全站儀觀測和布置應變計相結合，分析結構卸載完成后的變形及應力狀況。綜合體育館卸載完成后，結構最大應力為64 MPa，位于跨度最大的TR1跨中；結構最大豎向變形為76 mm，位于TR1跨中。從觀測結果可以看出：結構應力及變形值均滿足設計要求。