鹽城體育館鋼屋蓋支撐卸載過(guò)程及模擬分析

周 蓉（中鐵建設(shè)集團(tuán)華東工程有限公司，江蘇 昆山 215332）

目前發(fā)展較快的結(jié)構(gòu)類型主要是大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)，其跨度以及規(guī)模因人們的需要在不斷擴(kuò)大，新材料、新技術(shù)的應(yīng)用也使得其利用廣泛，結(jié)構(gòu)形式越來(lái)越豐富。鹽城體育館是大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)，位于鹽城鹽南科教城，建筑性質(zhì)為乙級(jí)體育建筑，采用的是鋼結(jié)構(gòu)罩棚。

1 工程概況

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(biāo)高為 26.265 m，相對(duì)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(chǎng)采用“地面拼裝成段，大跨分段吊裝，高空對(duì)接合龍”的施工技術(shù)。當(dāng)下部混凝土及支座預(yù)埋件安裝完成且具備吊裝條件后，桁架進(jìn)行拼裝、吊裝。主桁架分三段吊裝，采用從屋面的側(cè)邊向另一側(cè)安裝。由于鋼屋架跨度較大，會(huì)使安裝順序?qū)?nèi)力分布和結(jié)構(gòu)位移影響較大。

在桁架吊裝和焊接構(gòu)件后，需對(duì)臨時(shí)支撐進(jìn)行拆除?？紤]到施工安全的因素，拆除臨時(shí)支撐會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)位移以及內(nèi)力重分布，體系的最終狀態(tài)會(huì)因拆除臨時(shí)支撐的方案受到很大影響。鹽城體育場(chǎng)鋼屋架為大跨度鋼結(jié)構(gòu)，在模擬分析中需劃分卸載模擬步、對(duì)卸載單元進(jìn)行分析。通過(guò)軟件模擬分析，卸載過(guò)程會(huì)影響到支撐反力、結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移變形。模擬分析后，將制定出合理的卸載方案。

2 鋼屋蓋支撐卸載分析

2.1 鋼屋蓋臨時(shí)支撐

臨時(shí)支撐采用 1 m×1 m 的截面，搭設(shè)高度為 21 m，弦桿采用 L 90 mm×8 mm，材質(zhì)為 Q 235，腹桿為 L 60 mm×5 mm，材質(zhì)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(zhì)為Q 235 作為支座平臺(tái)，焊接連接。

2.2 卸載方案

采取方案：所有臨時(shí)支撐采用逐級(jí)等距卸載方案，從兩端向中間逐個(gè)對(duì)稱卸載; 在每一固定長(zhǎng)度位移的卸載結(jié)束后，開(kāi)始下一級(jí)位移卸載，脫離全部支撐即卸載結(jié)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(shí)支撐位于桁架下弦分段處兩側(cè)各布置一個(gè)（雙支撐），支撐位于豎向次桿件正下方。臨時(shí)支撐高度 21 m，共需布置 24 根臨時(shí)支撐。施工 A 區(qū)、施工 C 區(qū)懸挑部位桁架布置臨時(shí)支撐（高度 16 m），共需布置 16 根臨時(shí)支撐。

2.3 卸載工藝

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(duì)桁架卸載工藝進(jìn)行分析。

在格構(gòu)支撐架上方，桁架下弦桿下方設(shè)置 2 臺(tái) 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(duì)桁架進(jìn)行支撐，千斤頂配合，移除桁架支墊型鋼，2 臺(tái)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(gè)墊塊，千斤頂緩慢回落，2 臺(tái)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(gè)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(fù)使用，成本較低，施工過(guò)程方便，現(xiàn)場(chǎng)施工階段管理也相當(dāng)簡(jiǎn)單。

2.4 千斤頂抗傾覆措施

在桁架下方對(duì)應(yīng)千斤頂位置處點(diǎn)焊一個(gè)托架，千斤頂上面套 1 個(gè)墊板，墊板與托架接合處涂抹黃油，桁架位移時(shí)，與千斤頂摩擦力降到最小。

2.5 臨時(shí)支撐拆除

在桁架吊裝施工過(guò)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(gòu)組中的一根格構(gòu)柱。

內(nèi)側(cè)格構(gòu)柱在所在軸線主，次桁架焊接完成后，用 25 t 汽車吊進(jìn)行拆除。25 t 汽車吊先將格構(gòu)支撐架用吊繩吊牢，再拆除 2 道纜風(fēng)繩，最后慢慢放倒至地面。待格構(gòu)支撐架完全卸載后，采用 25 t 汽車吊進(jìn)行拆除。25 t 汽車吊先將格構(gòu)支撐架用吊繩吊牢，再拆除 2 道纜風(fēng)繩，最后慢慢放倒至地面。

3 鋼屋蓋支撐卸載模擬分析

3.1 施工階段有限元分析

施工階段采用大型通用有限元軟件進(jìn)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(duì)施工要求較高。為保證施工安全，所以需對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行驗(yàn)算，分析結(jié)構(gòu)位移和桿件的應(yīng)力比，為安全施工提供數(shù)據(jù)參考。設(shè)荷載僅為自重（含節(jié)點(diǎn)自重），考慮動(dòng)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(diǎn)的初始豎向位移為39～57 mm。結(jié)構(gòu)的位移和桿件應(yīng)力比很小，符合施工要求規(guī)范。在分析過(guò)程中，為了防止結(jié)構(gòu)體系的塑形變形，將對(duì)桿件進(jìn)行調(diào)整，并保證其方便拆除，在施工過(guò)程中安全可靠。

鹽城體育館的施工過(guò)程分析與方案設(shè)計(jì)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(shè)混凝土徐變較小，且不考慮鋼結(jié)構(gòu)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(gè)不同的施工步。臨時(shí)支撐卸載完成后的狀態(tài)設(shè)置為施工階段的最終狀態(tài)。每一個(gè)施工分析步基于前面所有的分析步結(jié)束后的影響上進(jìn)行。

3.2 邊界條件

為了保證分析結(jié)果的可靠性，將鋼屋蓋支座與下部框架結(jié)構(gòu)的連接設(shè)置為固結(jié)，臨時(shí)支撐與鋼屋蓋的連接設(shè)置為鉸結(jié)。邊界約束條件如圖 1 所示。

圖1 邊界約束

3.3 卸載步分析

鹽城體育館結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的施工條件及受力性能，從吊裝到卸載臨時(shí)支撐共分為 35 個(gè)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(guò)程，步驟 35 為卸載完成。

施工卸載臨時(shí)吊裝的三個(gè)分析步：首先拆去鋼屋蓋外側(cè) 16 個(gè)臨時(shí)支撐，其變形最大位移為 39 mm，下?lián)项A(yù)警值78 mm，應(yīng)力比最大值 0.26。其次拆除中部 24 個(gè)臨時(shí)支撐，變形最大位移為 52 mm，下?lián)项A(yù)警值 104 mm，應(yīng)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(yù)警值 114 mm，應(yīng)力比最大值 0.48。支撐點(diǎn)處的位移和內(nèi)力、構(gòu)件的應(yīng)力比都很低，具有足夠的安全儲(chǔ)備。

（3）鹽城體育館鋼桁架施工跨度大、施工場(chǎng)地環(huán)境復(fù)雜。通過(guò)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(chǎng)地空間小的限制，“高空對(duì)接合龍”解決了鋼結(jié)構(gòu)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(huì)與經(jīng)濟(jì)提供了良好的效益。

4 結(jié) 語(yǔ)

（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(jié)果表明，構(gòu)件的最大位移、支座反力、應(yīng)力比與預(yù)警值相差較大，說(shuō)明其材料有足夠的安全儲(chǔ)備。

（2）鹽城體育館為大跨度復(fù)雜結(jié)構(gòu)，施工的模擬分析步是安全施工的重要保障，通過(guò)有限元軟件分析模型最不利的因素，并進(jìn)行優(yōu)化，合理調(diào)整設(shè)計(jì)施工方案，為施工的安全做出了重要的保證。