廈門新體育中心體育館雙曲異形鋼屋蓋施工技術(shù)

文／陳娜茹、陳景鎮(zhèn)、藍明紅、蔣晨、王源興 中國建筑第四工程局有限公司/中建四局建設(shè)發(fā)展有限公司福建廈門 361000

1、工程概況

新體育中心工程II標段體育館建筑主體結(jié)構(gòu)為混凝土框架+鋼屋蓋結(jié)構(gòu)（即主體結(jié)構(gòu)為混凝土框架結(jié)構(gòu)，屋蓋為鋼屋蓋）。體育館通過鋼桁架連接體與配套綜合訓練館相連。體育館鋼結(jié)構(gòu)屋蓋結(jié)構(gòu)如圖1所示。體育館屋蓋為帶加勁肋桁架的空間雙曲網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，該部分主要分為內(nèi)網(wǎng)殼和外網(wǎng)殼兩部分。內(nèi)網(wǎng)殼主要包括倒三角管桁架、平面桁架、雙曲網(wǎng)殼三部分；外網(wǎng)殼主要為雙曲網(wǎng)殼鋼架，內(nèi)外部分通過網(wǎng)殼環(huán)梁連接。縱向最大跨度為217m，橫向最大跨度為170m。連接體為大跨度鋼桁架結(jié)構(gòu)。主要由主桁架、次桁架及桁架柱組成。

圖1 體育館屋蓋鋼結(jié)構(gòu)效果圖

2、工程難點分析

2.1 安裝工況分析

本工程鋼屋蓋結(jié)構(gòu)體系復雜，屋面為曲面異型結(jié)構(gòu)，空間中不共面弧形桿件交匯；鋼屋蓋包含空間三角管桁架、平面桁架、雙曲網(wǎng)殼等，結(jié)構(gòu)體系復雜；鋼屋蓋跨度大，屋蓋安裝時合攏困難；鋼屋蓋施工過程受力體系轉(zhuǎn)換復雜，鋼屋蓋安裝工況分析困難。

2.2 安裝精度控制

鋼屋蓋結(jié)構(gòu)跨度長、自重大，構(gòu)件自然支撐的狀態(tài)下產(chǎn)生較大的變形。屋蓋組成構(gòu)件多、各構(gòu)件在空間穿插，安裝過程中易產(chǎn)生安裝誤差及變形累積，影響構(gòu)件間的對接，安裝進度不易控制。此外安裝過程中環(huán)境溫度產(chǎn)生的溫度應(yīng)力、焊接產(chǎn)生的殘余應(yīng)變等次生應(yīng)力，導致構(gòu)件的累積變形增大。

2.3 建筑場地氣候環(huán)境

項目位于東南沿海地區(qū)，夏秋季節(jié)臺風頻發(fā)。鋼屋蓋的吊裝處于臺風季，鋼構(gòu)件安裝受強風天氣的影響大，增大構(gòu)件吊裝的難度，施工時必須考慮風荷載對鋼屋蓋安裝的影響，采取有效的臨時固定措施，確保強風條件下屋蓋吊裝的順利進行。根據(jù)工程結(jié)構(gòu)特點、場地平面情況，合理確定構(gòu)件分段和吊裝位置是鋼屋蓋安裝的難點。

3、屋蓋吊裝方案

3.1 體育館整體安裝

比賽館屋蓋鋼結(jié)構(gòu)主要包括雙曲內(nèi)網(wǎng)殼、屋蓋外鋼架兩部分。外圈鋼架共77榀，倒三角桁架跨度約117m，寬8m，最大高度約12m。將內(nèi)網(wǎng)殼及外鋼架部分為5個區(qū)域，編號分別為BN-1～BN-5、BW-1～BW-5，比賽館屋蓋分區(qū)情況見圖2。

圖2 體育館屋蓋結(jié)構(gòu)分區(qū)

安裝方案采用環(huán)梁外部鋼架原位拼裝+場芯整體提升技術(shù)。外部環(huán)梁屋蓋部分，采用兩臺800t和2臺150t履帶吊，從兩側(cè)同時進行7字鋼架主桿件安裝，左側(cè)依次從BW-1區(qū)安裝至BW-2區(qū)，右側(cè)次從BW-3、區(qū)安裝至BW-5區(qū)，完成7字鋼架主桿件安裝。每跨主桿件安裝完畢后輔以塔吊及時進行嵌補桿件安裝。安裝外圍鋼架的同時，在比賽館內(nèi)進行場芯提升區(qū)部分的地面拼裝，待外圍鋼架安裝完成及提升區(qū)構(gòu)件拼裝就位，采用四吊點場芯同步提升技術(shù)，將場芯整體提升至設(shè)計標高位置。提升就位后，按順時針方向依次完成BN-1區(qū)～BN-4區(qū)外鋼架與場芯合攏段網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的安裝。至此完成體育館的安裝。

3.2 環(huán)梁安裝方案

比賽館環(huán)梁采用2臺800t履帶吊分別從東西兩側(cè)由南向北安裝，環(huán)梁首次吊裝長度大于支座間的距離，此后每段環(huán)梁延伸至支座端。環(huán)梁為等截面均值構(gòu)件，為確保吊裝過程的安全性，吊點位置的設(shè)置應(yīng)使各截面受力均勻，保持各危險截面彎矩大致相等；在吊裝過程中，應(yīng)確保構(gòu)件的穩(wěn)定性，防止構(gòu)件發(fā)生反轉(zhuǎn)、滑動；采用多吊點起吊構(gòu)件時，應(yīng)最大程度控制吊索合力作用方向通過構(gòu)件質(zhì)心。

環(huán)梁分段形式共有曲線型和直線型兩種，直線型構(gòu)件采用兩點吊裝，曲線型構(gòu)件采用三點吊裝。鋼絲繩與構(gòu)件的水平夾角α控制在45～60°之間。環(huán)梁吊點位置如圖3、圖4所示。

圖3 直線型環(huán)梁吊點設(shè)置

圖4 曲型環(huán)梁吊點設(shè)置

直線環(huán)梁吊裝時，吊點對稱設(shè)置在構(gòu)件兩端。為確保構(gòu)件受力均勻，防止起到過程中構(gòu)件局部應(yīng)力集中，吊裝構(gòu)件單位長度的自重為q，令構(gòu)件提升點A處負彎矩MA的絕對值（見公式1）與跨中B處正彎矩MB（見公式2）相等，可得吊點距構(gòu)件端部的距離a（見公式3)。

式中：M、M——吊點A、B彎矩；

q——吊裝構(gòu)件單位長度的自重；

a——吊點距構(gòu)件端部的距離；

L——起吊構(gòu)件長度。

曲線型環(huán)梁吊裝時，采用三點吊裝，中間吊點居中布置，兩邊對稱布置，兩端吊點距離端部的距離為a。1/4圓環(huán)梁吊裝時分8段吊裝。中心吊點距曲線型構(gòu)件重心的距離為y（見公式4），吊點距離重心最大的距離為0.006R。其中，θ為曲線環(huán)梁繞圓心所轉(zhuǎn)過的角度，R為曲線環(huán)梁的半徑。不考慮環(huán)梁的形狀的影響，采用環(huán)梁兩端連線作為內(nèi)力計算模型。吊點A、B產(chǎn)生的負彎矩分別為MA(見公式5)、MB(見公式6)。令構(gòu)件提升點A處彎矩MA與構(gòu)件中點B處彎矩MB相等可得到吊點距構(gòu)件端部的距離a(見公式7)。

式中：y——中心吊點距曲線型構(gòu)件重心的距離

R——曲線環(huán)梁曲線環(huán)梁的半徑

3.3 外鋼架安裝方案

7字鋼架最大重量37.3t，高度36m，寬度39m，采用350t履帶吊在36m主臂和66m副臂的工況下，28m吊裝半徑內(nèi)起重量為51.4t，吊裝安全系數(shù)為1.38，滿足屋蓋吊裝需求。根據(jù)現(xiàn)場場地條件以及混凝土結(jié)構(gòu)情況，將外鋼架分為整榀安裝及柱、梁先后安裝2種方式。針對7字鋼架斜柱斜度較大情況，采取胎架支撐斜柱的方式進行安裝。當鋼架網(wǎng)殼下方無支撐胎架條件，先安裝斜柱子時，斜柱頂端位移＜30mm，采用先裝斜柱，后裝橫梁方式；對于無條件對斜柱進行胎架支撐，但有條件對橫梁進行支撐的，采取胎架支撐橫梁的措施，同時對先裝的橫梁進行頂端加固，減少滑動支座的移動。梁柱分開吊裝斜柱位移較大時，采用整榀吊裝方式，整榀吊裝如圖5所示。整榀吊裝時，采用雙重加強措施，一道為7字鋼架柱梁之間采用型鋼HN450×200×9×4進行剛性連接，防止梁柱節(jié)點應(yīng)力集中，增強結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；一道為鋼絲繩搭配葫蘆的柔性加固措施，以鋼絲繩的抗拉性能限制7字鋼架梁柱間的相對位移，確保鋼架安裝的精度。7字鋼架吊裝就位后，梁端與圓管環(huán)梁進行連接，同時考慮到支座為滑動支座，在梁端節(jié)點處設(shè)置“丁”字型工字鋼與勁性環(huán)梁進行剛性連接。

圖5 整榀安裝措施圖

3.4 場芯整體提升技術(shù)

采用場芯整體提升技術(shù)即場芯結(jié)構(gòu)在地面拼裝成整體后，采用“超大型液壓同步提升施工技術(shù)”將其整體提升到設(shè)計標高，再與環(huán)梁外部鋼架進行對口處的桿件焊接。從場芯、外部鋼架兩個部位向空間網(wǎng)殼邊緣BN區(qū)進行合攏實現(xiàn)體育館鋼屋蓋的封閉。場芯整體提升較普通單向安裝技術(shù)，降低現(xiàn)場高空的施工質(zhì)量和施工難度，減小鋼屋蓋安裝時的懸臂長度及變形累加，提高體育館屋蓋安裝的精度。場芯提升點的設(shè)置應(yīng)根據(jù)提升結(jié)構(gòu)的剛度及結(jié)構(gòu)使用階段的受力情況，使提升過程結(jié)構(gòu)的受力情況較為均勻。本工程根據(jù)場芯結(jié)構(gòu)特點對稱設(shè)置4個起吊點。

提升支架采用三角形的格構(gòu)式支架，支架頂部設(shè)置上下小梁作為分配梁。提升吊點由上下吊點組成，下吊點連接提升吊環(huán)，提升吊環(huán)穿過提升點投影處的下弦桿連接屋蓋，上吊點通過在提升梁跨中布置液壓提升器，上下吊點通過鋼絞線連接。提升梁作為反力梁為屋蓋提升提供支點，提升過程中，提升梁將屋蓋的重力傳遞至三角形格構(gòu)式支架。提升下吊點如圖6所示。

圖6 下吊點構(gòu)造圖

在鋼架結(jié)構(gòu)的設(shè)計位置正下方投影地面對提升胎架、提升器、吊具等進行拼裝，而后進行調(diào)試。提升過程中各提升點間的隨機位移差，引起提升結(jié)構(gòu)內(nèi)部桿件的應(yīng)力變化。不考慮結(jié)構(gòu)自重及施工荷載的影響，則可知任意提升點產(chǎn)生位移差時提升結(jié)構(gòu)的平衡方程為（公式8）：

式中：n的取值為1、2、3、4，Δi為節(jié)點i產(chǎn)生的位移，Kij為吊點j單位位移作用下在吊點i產(chǎn)生的附加約束力，F(xiàn)i為吊點i位置作用的外力。由式8可知，起吊過程中各吊點位移差導致起吊結(jié)構(gòu)桿件受壓發(fā)生屈曲或產(chǎn)生附加應(yīng)力，各點位移差間的關(guān)系相互影響，當位移差超過限值時，會使提升結(jié)構(gòu)產(chǎn)生局部失穩(wěn)或破壞。起吊過程中，應(yīng)嚴格控制各吊點的提升位移，提升過程中，應(yīng)放慢提升速度，連續(xù)測量吊點間的高差，緩慢提升到鋼架結(jié)構(gòu)設(shè)計位置，鎖緊液壓提升器，復測各吊點提升高度，確保達到設(shè)計要求。場芯提升就位后，安裝鋼架的候補合攏段、上下弦桿對口連接，檢測其焊接質(zhì)量，質(zhì)檢合格后，鋼架結(jié)構(gòu)荷載逐步轉(zhuǎn)移至鋼骨柱結(jié)構(gòu)，拆除液壓提升器、承重鋼絞線等提升設(shè)備設(shè)施提升工作完成。

4、屋蓋結(jié)構(gòu)安裝過程模擬分析

4.1 屋蓋安裝有限元分析

根據(jù)擬定的鋼屋蓋施工方案，應(yīng)用有限元軟件Midas Gen建立屋蓋整體模型，對屋蓋吊裝過程進行全過程模擬，分析安裝過程中結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移。體育館計算模型為整體模型。按照擬定施工步驟將結(jié)構(gòu)構(gòu)件、支座約束、荷載工況劃分為組，按照施工步驟、工期進度進行施工階段定義。模型采用僅受壓單元模擬各施工工況鋼屋蓋的應(yīng)力及變形。計算荷載考慮1.1倍結(jié)構(gòu)自重作用。屋蓋安裝有限元分析結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖7 屋蓋位移云圖

圖8 屋蓋應(yīng)力云圖

屋蓋主梁、桁架在永久和可變荷載標準值作用下產(chǎn)生的撓度不應(yīng)超過跨度的1/400，由計算結(jié)果可知，體育館鋼屋蓋安裝過程中各構(gòu)件的變形和內(nèi)力均未超過規(guī)范限值。胎架卸落前，各構(gòu)件最大豎向位移及桿件最大應(yīng)力發(fā)生于內(nèi)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)與整體提升部位合攏完畢時，鋼屋蓋最大位移出現(xiàn)在南側(cè)倒三角桁架跨中部位，位移值為45.2mm，支撐胎架全部卸落后，場芯最大豎向位移為110.6mm。鋼屋蓋桿件最大應(yīng)力為場芯整體提升部位，桿件最大應(yīng)力達148.8N/mm，支撐胎架全部卸落后，屋蓋構(gòu)件最大應(yīng)力為156.2N/mm。屋蓋安裝時最大應(yīng)力均小于規(guī)范中Q355B鋼材的強度要求。

4.2 場芯整體提升有限元分析

采用Midas Gen針對體育館場芯整體提升施工工藝進行有限元模擬，計算模型取自設(shè)計模型，荷載考慮1.1倍結(jié)構(gòu)自重，并考慮兩個垂直方向風荷載作用的影響。根據(jù)有限元計算結(jié)果所示，場芯提升過程中，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)最大位移位置在提升區(qū)中心區(qū)域，最大位移達40.1mm，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為72.3MPa，最大應(yīng)力滿足規(guī)范規(guī)定的材料強度設(shè)計值。屋蓋提升過程中，提升架最大應(yīng)力為181.1MPa，滿足提升架鋼材的強度要求。通過對鋼屋蓋整體提升系統(tǒng)進行屈曲分析，提升系統(tǒng)整體臨界荷載系數(shù)為130＞1，滿足穩(wěn)定性要求。綜上所述，采用整體提升施工工藝，場芯提升區(qū)域結(jié)構(gòu)強度及整體穩(wěn)定性滿足要求。場芯提升有限元模型及結(jié)果。

結(jié)語：

綜上所述， 采用原位安裝+整體提升技術(shù)鋼屋蓋安裝技術(shù)，整個提升過程安全可靠；原位安裝+整體提升技術(shù)從內(nèi)、外進行鋼屋蓋同步安裝，減小鋼屋蓋安裝時的懸臂長度及變形累加，提高體育館屋蓋安裝的精度；構(gòu)件吊裝時，直線型構(gòu)件采用兩點吊裝，吊點距離構(gòu)件端部0.207L，曲線型構(gòu)件采用三點吊裝，中間吊點居中布置，兩邊對稱布置，兩端吊點距離端部0.145L；采用鋼屋蓋整體提升技術(shù)，通過提升設(shè)備擴展組合，提升重量、跨度、面積不受限制，適宜于在狹小空間或室內(nèi)進行大噸位構(gòu)件提升。