非對稱大跨度桁架拼裝分析與卸載控制實例

林　飛，謝偉樹

(1.連江縣城市建設(shè)發(fā)展有限公司，福建 福州 350500;2.福建農(nóng)林大學(xué) 交通與土木工程學(xué)院，福建 福州 350002)

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非對稱大跨度桁架拼裝分析與卸載控制實例

林飛1，謝偉樹2

(1.連江縣城市建設(shè)發(fā)展有限公司，福建 福州 350500;2.福建農(nóng)林大學(xué) 交通與土木工程學(xué)院，福建 福州 350002)

某體育館屋蓋為非對稱大跨度桁架結(jié)構(gòu)，經(jīng)研究采用兩側(cè)分段吊裝施工方案。為確保順利施工與精確控制，做好拼裝節(jié)段的應(yīng)力變形分析與卸載控制是關(guān)鍵。通過midas/civil軟件分別對吊裝節(jié)段、臨時豎撐進行了應(yīng)力和變形分析，并制定了卸載方案及施工監(jiān)控措施。結(jié)果表明：安裝過程中結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力均安全可靠，變形滿足規(guī)范要求，取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟效果，可供同類工程參考。

大跨度；非對稱桁架；分段吊裝；拼裝；卸荷

1　工程概況

連江縣體育公園，位于福建省福州市連江縣江南新城，其主體建筑之一的綜合館，是全國第一屆青年運動會比賽場館之一，福州市重點建設(shè)項目，建成后的體育公園將成為連江縣的新地標(biāo)性建筑。該綜合館地上3層，地下1層，總建筑面積為21 653.7 m2，其中地下4 891.5 m2，地上16 762.2 m2，建筑總高度22.15 m。主體采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，屋蓋為非對稱鋼管桁架結(jié)構(gòu)，鋼材Q345B，最大跨度65.2 m，其建筑剖面如圖1所示。

圖1　綜合館剖面圖

鋼管桁架屋蓋平面尺寸為120.1 m×81 m，由14榀倒三角主桁架組成，桁架上弦桿為Φ203×12～Φ273×12鋼管，下弦桿為Φ351×12～Φ402×24鋼管，腹桿為Φ114×4～Φ180×10鋼管。主桁架之間由Φ140×4.5～Φ203×12鋼管聯(lián)系桿連成一體，如圖2所示。

圖2　鋼管桁架屋蓋透視圖

2　拼裝與卸載施工方案

2.1主桁架吊裝拼接方案

根據(jù)現(xiàn)場條件，場館的南北兩側(cè)可作為吊裝施工作業(yè)場地，同時由于綜合館下部為地下室，且場館內(nèi)有看臺及樓層結(jié)構(gòu)，場館內(nèi)不宜布置施工吊裝機械，故將場館的南北兩側(cè)作為主桁架拼裝場地，場館內(nèi)部作為其他構(gòu)件的堆放、拼裝場地。采用履帶式起重機進行分段外吊裝，施工方案為：將主桁架分為三個節(jié)段，各節(jié)段在地面拼裝完成后，采用履帶起重機在場館外側(cè)直接吊裝，吊裝順序為第一段→第二段→第三段，其中在第二、第三段桁架對接處設(shè)置鋼結(jié)構(gòu)臨時豎撐，如圖3所示。待吊裝就位并校準(zhǔn)無誤后焊接拼裝為一體[1-3]。

第一節(jié)段重約120 kN，吊機可直接靠近吊裝(吊機在右側(cè))；第二節(jié)段桁架重約100 kN，吊臂的工作半徑約為32 m(吊機在右側(cè))；第三段桁架重約180 kN，吊臂的工作半徑約為42 m(吊機在左側(cè))。據(jù)此選用型號CC2000履帶式起重機，該吊機主臂長度78 m，當(dāng)工作半徑為32 m時，吊重為300 kN；當(dāng)工作半徑為42 m時，吊重為199 kN。均滿足吊裝技術(shù)要求，且經(jīng)濟合理。

2.2主桁架卸載方案

卸載是指在三個節(jié)段拼接完成，且相關(guān)準(zhǔn)備工作就緒后，逐步拆除第二段與第三段主桁架對接處的臨時豎撐，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換。其主要技術(shù)及工藝如下[4-5]：

(1)在臨時豎撐頂部定位胎架處，設(shè)置由20a工字鋼制作的轉(zhuǎn)換胎架，如圖4所示。

(2)在轉(zhuǎn)換胎架頂部安裝2個螺旋調(diào)節(jié)千斤頂，其中一個為支撐千斤頂，另一個為置換千斤頂(防止千斤頂行程不足)。當(dāng)千斤頂與桁架下弦頂緊后，將支撐頂部的桁架定位胎架割除，然后通過千斤頂實現(xiàn)逐級卸載和結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換，如圖5所示。

圖3　主桁架分段吊裝拼接圖

為使卸載時結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換平穩(wěn)，采用分級卸荷方式。首先通過有限元分析，求出每榀桁架在卸載控制點處自然撓度值，進而根據(jù)安裝高程求出每個卸載控制點的卸載總位移，然后按照每次下?lián)现挡怀^10 mm實施等步降法卸荷[6]。

為了控制卸載速度和同步性，由指揮吹哨進行卸載操作，指揮吹哨后，工人按照哨聲指令同步進行卸載操作，每卸載一輪后，均進行標(biāo)高測量，發(fā)現(xiàn)偏差及時調(diào)整。待重新得到卸載指令后，方可開始下一輪卸載操作。

圖4　頂部轉(zhuǎn)換胎架

圖5　定位胎架割除

3　施工應(yīng)力變形分析

3.1節(jié)段應(yīng)力變形分析

根據(jù)施工方案，主桁架分為3個節(jié)段進行吊裝。為確保各節(jié)段吊裝施工安全和工程質(zhì)量，采用midas/civil有限元軟件對各節(jié)段分別進行建模，分析各節(jié)段吊裝就位時的應(yīng)力和變形[7-8]。因ZHJ7主桁架跨度最大，故選擇ZHJ7主桁架的3個節(jié)段進行分析。分析時，考慮到動力系數(shù)及模型建立過程中未考慮的吊裝耳板、螺栓等重量，取自重荷載增大系數(shù)為1.1[9]。

經(jīng)建模分析，3個節(jié)段吊裝就位時應(yīng)力和變形均完全滿足要求，具體結(jié)果見表1。

表1　節(jié)段吊裝就位時應(yīng)力和變形

由表1可見，ZHJ7主桁架各節(jié)段吊裝就位時的應(yīng)力應(yīng)變，均是第三節(jié)段的最大，其桁架腹桿的最大拉應(yīng)力為9.4 MPa，最大壓應(yīng)力為8.3 MPa；桁架弦桿的最大拉應(yīng)力為12.4 MPa，最大壓應(yīng)力為11.9 MPa，均遠小于鋼材的強度設(shè)計值[10]。第三節(jié)段的懸臂端部上弦桿和腹桿的變形最大，達2.6 mm，明顯小于規(guī)范限值，即圓管鋼桁架構(gòu)件安裝允許變形值10 mm[6]。

3.2豎撐應(yīng)力變形分析

臨時豎撐選用某公司專用產(chǎn)品，由若干標(biāo)準(zhǔn)節(jié)通過法蘭連接而成，鋼材Q235，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)尺寸為1m×1m×1.5m(高)，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主肢為φ89×4鋼管，安全承載力為450 kN(圖6)。此外，該標(biāo)準(zhǔn)節(jié)易于拆卸，運輸極為方便。

圖6　豎撐標(biāo)準(zhǔn)節(jié)

由第二、三節(jié)段受力分析可知：它們作用在豎撐塔架上的豎向力分別為64.1 kN、90.6 kN，合力154.7 kN，小于安全承載力。同樣采用midas/civil有限元軟件對豎撐塔架進行建模，分析其在豎向力及橫向風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值(1.87 kPa)[9]作用下的應(yīng)力和變形。

經(jīng)計算，臨時豎撐的最大壓應(yīng)力為154.1 MPa，最大拉應(yīng)力為105.3 MPa，均小于鋼材的設(shè)計強度[10]，滿足要求；計算的最大變形值為19.6 mm，小于規(guī)范允許值 (塔架高度H的1/400～1/600，即41.7～62.5 mm)[11]，滿足要求。

4　施工監(jiān)測

4.1主桁架安裝監(jiān)測

首先做好激光控制點位布設(shè)，并建立測量工作面。激光控制點位布設(shè)，系根據(jù)土建測放的建筑軸線，利用直角坐標(biāo)法，選定若干激光控制點，并在相關(guān)位置做好標(biāo)記。為保證測量儀器架設(shè)時的穩(wěn)定性及測量精度，需在空間桁架上架設(shè)測量平臺，建立測量工作面。

主桁架安裝監(jiān)測主要做好以下工作[4-5]：

(1)線形控制?？紤]到三角鋼管桁架僅一條下弦桿，便于直線度控制，本工程以主桁架的下弦桿進行線形控制，以此為基準(zhǔn)控制整個桁架線形。

(2)垂直度控制。在線形控制基礎(chǔ)上，采用平移法對主桁架的垂直度進行控制。

(3)標(biāo)高控制。在胎架承重穩(wěn)定后即可進行。在地面上架設(shè)水準(zhǔn)儀，后視水準(zhǔn)基點，采用鋼尺配S3水準(zhǔn)儀，將設(shè)計標(biāo)高傳送至胎架上，作為標(biāo)高控制點位。

(4)變形控制。對主桁架成為獨立承重結(jié)構(gòu)前后的控制點標(biāo)高進行測量，掌控主桁架的變形情況。

4.2主桁架卸載撓度監(jiān)測

首先按照±0.000標(biāo)高線，每榀桁架在卸載前分別取三個點進行標(biāo)高測量，即H、G、E軸與桁架交叉節(jié)點的標(biāo)高(圖1)，并作記錄；然后在卸載完成后，再次對上述控制點標(biāo)高進行測量，并作記錄。根據(jù)前后兩次的測量記錄，即可計算桁架下?lián)现担Y(jié)果見表2。

表2　桁架卸載撓度監(jiān)測值表

由表2可知，H軸控制點安裝標(biāo)高與設(shè)計標(biāo)高最大偏差為+6 mm、-16 mm，G軸控制點安裝標(biāo)高與設(shè)計標(biāo)高最大偏差為+9 mm、-10 mm，E軸控制點安裝標(biāo)高與設(shè)計標(biāo)高最大偏差為+3 mm、-17 mm，均在規(guī)范允許值(±22 mm)[6]范圍內(nèi)，符合要求。H軸控制點卸載撓度最大值為57 mm，G軸控制點卸載撓度最大值為81 mm，E軸控制點卸載撓度最大值為67 mm， 均小于設(shè)計允許值180 mm，完全符合設(shè)計要求。

5　結(jié)語

(1)大跨度鋼結(jié)構(gòu)的安裝施工，需針對工程結(jié)構(gòu)特點和環(huán)境條件，因地制宜地制定技術(shù)方案，這是施工順利實施的根本保證。開展必要的應(yīng)力變形分析，以及施工測量監(jiān)控，直接關(guān)系到工程質(zhì)量和施工安全、進度、成本。

(2)連江縣體育公園綜合館鋼結(jié)構(gòu)屋蓋屬于非對稱大跨度桁架，所制定的兩側(cè)分段吊裝施工方案，符合結(jié)構(gòu)特點和施工現(xiàn)場條件，所選起重機械不僅較好地滿足吊裝技術(shù)要求，而且經(jīng)濟合理。通過midas/civil軟件對吊裝節(jié)段、臨時豎撐進行建模分析，結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力安全可靠，變形滿足規(guī)范要求。制定的卸載方案及施工監(jiān)控措施，有力地保障了吊裝施工方案的順利實施，主桁架的線形、垂直度、標(biāo)高以及卸載撓度等均符合有關(guān)規(guī)范和設(shè)計要求。

(3)連江縣體育公園綜合館是全國首屆青運會的武術(shù)套路比賽場館，在趕工期施工條件下，能提前竣工驗收交付使用，而且被評為市優(yōu)質(zhì)工程項目，并符合創(chuàng)省優(yōu)工程條件，關(guān)鍵在于對非對稱大跨度屋蓋桁架的吊裝施工技術(shù)進行了充分研究與論證。

[1]翁凱.大跨度鋼管桁架結(jié)構(gòu)的施工技術(shù)研究[D].天津：天津大學(xué)，2012.

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[9]建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范：GB 50009-2011[S].

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[11]公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范：JTG D60-2004[S].

Case study on assembling analysis and unloading control of asymmetric large-span trusses

LIN Fei1，XIE Wei-shu2

(1.LianjiangUrbanConstructionDevelopmentCo.,LTD，F(xiàn)uzhou350500,China;2.FujianAgricultureandForestryUniversity,Fuzhou350002,China)

A stadium roof with asymmetric large-span truss structure adopted both side’s segmental hoisting construction scheme.In order to ensure the smooth construction and precise control,the stress and deformation analysis and unloading control are the key to the assembly section.The stress and deformation analysis of hoisting and temporary vertical support were carried out by midas/civil software, and the unloading plan and construction control measures were worked out.The results show that the structural members are safe and reliable in the process of installation,and the deformation meets the requirements of the specification,and has achieved good technical and economic results,which can be referenced by similar engineering.

large-span;asymmetric truss;segmental hoisting;assembly;unloading

2016-06-23

國家自然科學(xué)基金項目(51308121)

林飛(1977—)，男，福建福清人，工程師。

1674-7046(2016)05-0029-06

10.14140/j.cnki.hncjxb.2016.05.006

TU745.2

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