傾斜柱群及平面環(huán)桁架鋼結(jié)構(gòu)卸載技術(shù)

王 洋 葛明偉 孫玉厚 李 彬

(北京城建集六建設(shè)集團有限公司 北京 101500)

一、工程概況

三亞市體育組中心體育場，作為2020年亞洲沙灘運動會體育場館，主要承接賽事類型包括國際單項比賽、國內(nèi)綜合比賽，總坐席數(shù)約 4 萬座，占地面積31670.8m2，地上四層，最高點高度為 45.3m，地上建筑面積 87897m2,設(shè)計使用年限為 50 年。三亞體育場屋蓋系統(tǒng)采用先進的索膜結(jié)構(gòu)，體育場以 V 型柱及受壓環(huán)梁為界分為內(nèi)外結(jié)構(gòu)，外圍結(jié)構(gòu)采用外圍幕墻斜柱支撐+V 型柱支撐的單層網(wǎng)殼屋面，上方為金屬屋面結(jié)構(gòu)；內(nèi)圈結(jié)構(gòu)采用輪輻式索-桁結(jié)構(gòu)+膜結(jié)構(gòu)組合形式，其上方屋面覆蓋 PTFE 膜材。

圖1 三亞體育場效果

二、施工難點

(一)桁架跨度大、斷面高，吊裝難度大

外圈鋼結(jié)構(gòu)主要包括外立面幕墻斜柱支撐、外圍單層網(wǎng)殼屋面與受壓環(huán)梁和其下方 V 型柱連接；外側(cè)鋼結(jié)構(gòu)最大跨度達42m。本工程大量采用平面環(huán)桁架，桁架未連成整體之前，穩(wěn)定性較差。

(二)高空作業(yè)較多，安裝精度要求高

本工程為傾斜柱群及平面環(huán)桁架鋼結(jié)構(gòu)，高空作業(yè)工作面較多，操作平臺設(shè)置困難，高空施工安全質(zhì)量要求嚴格。

(三)焊接量大、焊縫質(zhì)量要求高

本工程高空焊接作業(yè)量大，多數(shù)采用對接全熔透一級焊縫，焊接難度較大，對焊縫質(zhì)量要求較高。

三、胎架臨時支撐體系總體布置

本工程胎架用于臨時支撐v柱、幕墻柱及頂部平面環(huán)桁架，截面高2.0m，寬2.0m，立桿截面為180×7mm，腹桿截面為80×5mm，最大高度達26m，總計126個支撐胎架。

圖2 胎架布置模擬圖

四、支撐胎架卸載

(一)卸載難點

由于在胎架支撐頂部用火焰切割卸載方式，卸載工作需在高空進行操作，操作工人的人身安全措施難度大。支撐胎架數(shù)量眾多，卸載面積廣，重量較大，針對分級卸載計劃，需選擇大噸位卸載機械，且滿足承載力要求。

(二)胎架卸載分析

屋蓋鋼結(jié)構(gòu)支撐胎架整體同步卸載，安全拆除胎架，使主體鋼結(jié)構(gòu)自身受力，獨立支撐，形成設(shè)計要求的受力體系。對于大跨度結(jié)構(gòu)，當結(jié)構(gòu)安裝完成后，臨時支撐結(jié)構(gòu)體系的卸載順序?qū)Y(jié)構(gòu)最終的成型狀態(tài)有較大的影響。因而鋼結(jié)構(gòu)卸載需以體系轉(zhuǎn)換方案為原則，保證主體結(jié)構(gòu)與臨時支撐結(jié)構(gòu)內(nèi)力、位移不對結(jié)構(gòu)造成局部破壞。

本工程鋼結(jié)構(gòu)長304m，寬268m，屬于大跨空間結(jié)構(gòu)。大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)的卸載主要涉及兩方面的問題：一方面是主體結(jié)構(gòu)在卸載前、卸載過程中以及卸載完成后的結(jié)構(gòu)安全性，卸載過程中結(jié)構(gòu)的變形是否協(xié)調(diào)以及局部變形是否過大、結(jié)構(gòu)的內(nèi)力重分布是否滿足設(shè)計要求等；另一方面是臨時支撐體系在卸載過程中的結(jié)構(gòu)安全性。

(三)卸載方案比選

1.分析模型構(gòu)成

鋼結(jié)構(gòu)卸載模擬分析模型包括受壓內(nèi)環(huán)梁、外環(huán)梁、外圍屋面網(wǎng)殼、內(nèi)環(huán) V 型柱、外立面幕墻斜柱支撐、以及支撐胎架。

分析計算模型按照設(shè)計院于提供的整體結(jié)構(gòu)零狀態(tài)位形進行建模，考慮臨時支撐體系的卸載過程，并按照實際施工中的具體胎架結(jié)構(gòu)形式進行精細化建模，將其與整體結(jié)構(gòu)模型一同進行卸載模擬分析計算。

2.合理的卸載順序：

按照鋼結(jié)構(gòu)和支撐胎架在卸載過程中受力最優(yōu)原則，根據(jù)本工程結(jié)構(gòu)特點以及臨時支撐體系布置，將內(nèi)外環(huán)臨時支撐體系分成東西南北四個區(qū)，每個區(qū)分為四個組，從而進行分區(qū)分組卸載。采用分區(qū)同步卸載方法，根據(jù)本工程的結(jié)構(gòu)特點以及臨時支撐結(jié)構(gòu)體系的布置，提出四種卸載方案進行對比優(yōu)選。

方案一：先卸載中柱胎架，然后按照從東西到南北的順序卸載內(nèi)環(huán)胎架，最后再按照從東西到南北的順序卸載外環(huán)胎架。

方案二：先卸載中柱胎架，然后按照從東西到南北的順序卸載外環(huán)胎架，最后再按照從東西到南北的順序卸載內(nèi)環(huán)胎架。

方案三：先卸載中柱胎架，然后按照從南北到東西的順序卸載內(nèi)環(huán)胎架，最后再按照從南北到東西的順序卸載外環(huán)胎架。

方案四：先卸載中柱胎架，然后從長軸方向附近開始逐步卸載南北側(cè)的內(nèi)外環(huán)胎架，最后從短軸方向附近開始逐步卸載東西側(cè)的內(nèi)外環(huán)胎架，內(nèi)外環(huán)胎架同步卸載。

針對以上四種臨時支撐體系卸載方案，進行卸載模擬分析。

(四)卸載路徑優(yōu)化分析

1.主體結(jié)構(gòu)成型態(tài)對比

通過采用大型通用有限元軟件 Midas/Gen 進行建模計算，不同卸載方案下，主體結(jié)構(gòu)成型狀態(tài)的受力和變形趨勢基本一致，整體結(jié)構(gòu)均未發(fā)生較大的變形，主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件的應力均遠遠小于其設(shè)計強度，整體結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

表1 主體結(jié)構(gòu)成型狀態(tài)對比表

2.卸載過程主體結(jié)構(gòu)位移變化對比a

分別選取內(nèi)外環(huán)梁關(guān)鍵點進行卸載過程主體結(jié)構(gòu)的位移變化分析，關(guān)鍵點位置如下所示。

圖3 東西向關(guān)鍵點位移變化

卸載過程中，南北向關(guān)鍵點主要發(fā)生豎向位移和 Y 向位移，其 X 向位移較小，而東西向關(guān)鍵點主要發(fā)生豎向位移和 X 向位移，其 Y 向位移相對較小。

對于東西向關(guān)鍵點，其豎向位移和 X 向位移的大幅度增加均發(fā)生在東西區(qū)內(nèi)外環(huán)胎架卸載后，但其位移的增長過程不一致。方案一與方案三主要分為兩個明顯的增長段，經(jīng)歷一段水平段，再增長至34.6mm；方案二僅有一個明顯的增長段，而方案四均勻地分三個階段。綜合四個方案的位移變化過程，方案二的位移變化最劇烈，方案四的位移變化最為平穩(wěn)。

圖4 南北向關(guān)鍵點Y向位移

對于南北向關(guān)鍵點，其位移變化主要體現(xiàn)在豎向位移和 Y 向位移上，綜合四個方案的位移變化過程，方案一、二、三均在變化過程中出現(xiàn)較為劇烈的拐點，即出現(xiàn)位移的劇增劇減，對于結(jié)構(gòu)的安全更為不利，而方案四在變化過程中雖然呈先增后減的趨勢，但較為緩和，位移變化最為平穩(wěn)。因此，從主體結(jié)構(gòu)位移變化來看，方案四的位移變化更為平穩(wěn)。

3.載過程支撐體系支座豎向反力變化對比

對于方案一和方案三，其內(nèi)環(huán)胎架的豎向反力變化較小，但其外環(huán)胎架的豎向反力變化較大，尤其是東西向的外環(huán)胎架，最大反力變化達 400kN。

對于方案二，其外環(huán)胎架的豎向反力變化較小，而內(nèi)環(huán)胎架的豎向反力變化相對略大，最大反力變化近 200kN。

對于方案四，總體來說各胎架在卸載過程中的反力變化均較小，胎架反力變化較為平穩(wěn)，最大反力變化接近 100kN。因此，從臨時支撐體系支座豎向反力的變化來看，方案四的支座反力變化更為平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)更為安全。

圖5 內(nèi)外環(huán)胎架豎向反力

綜合幾種影響因素的計算結(jié)果，方案四的主體結(jié)構(gòu)位移、主體結(jié)構(gòu)豎向反力、臨時支撐體系支座豎向反力等變化更為平穩(wěn)，且在卸載過程中主體結(jié)構(gòu)應力均遠遠小于設(shè)計強度，臨時支撐體系結(jié)構(gòu)的應力均滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)處于安全受力狀態(tài)。

結(jié)論如下：本工程采用的卸載順序，即先卸載中柱胎架，然后從長軸方向附近開 始逐步卸載南北側(cè)的內(nèi)外環(huán)胎架，最后從短軸方向附近開始逐步卸載東西側(cè)的內(nèi)外環(huán)胎架，內(nèi)外環(huán)胎架同步卸載。

五、結(jié)語

三亞體育中心體育場面積大，胎架同步卸載數(shù)量多，要求精度高，施工難度級大。本文應用了有限單元模型建模計算，對臨時支撐胎架卸載過程進行主體結(jié)構(gòu)位移變化、胎架反力等影響分析，確定了合理的卸載方案。