傾斜柱群及平面環桁架鋼結構卸載技術

王 洋 葛明偉 孫玉厚 李 彬

(北京城建集六建設集團有限公司 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、國內綜合比賽，總坐席數約 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,設計使用年限為 50 年。三亞體育場屋蓋系統采用先進的索膜結構，體育場以 V 型柱及受壓環梁為界分為內外結構，外圍結構采用外圍幕墻斜柱支撐+V 型柱支撐的單層網殼屋面，上方為金屬屋面結構；內圈結構采用輪輻式索-桁結構+膜結構組合形式，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

外圈鋼結構主要包括外立面幕墻斜柱支撐、外圍單層網殼屋面與受壓環梁和其下方 V 型柱連接；外側鋼結構最大跨度達42m。本工程大量采用平面環桁架，桁架未連成整體之前，穩定性較差。

(二)高空作業較多，安裝精度要求高

本工程為傾斜柱群及平面環桁架鋼結構，高空作業工作面較多，操作平臺設置困難，高空施工安全質量要求嚴格。

(三)焊接量大、焊縫質量要求高

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

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

屋蓋鋼結構支撐胎架整體同步卸載，安全拆除胎架，使主體鋼結構自身受力，獨立支撐，形成設計要求的受力體系。對于大跨度結構，當結構安裝完成后，臨時支撐結構體系的卸載順序對結構最終的成型狀態有較大的影響。因而鋼結構卸載需以體系轉換方案為原則，保證主體結構與臨時支撐結構內力、位移不對結構造成局部破壞。

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

(三)卸載方案比選

1.分析模型構成

鋼結構卸載模擬分析模型包括受壓內環梁、外環梁、外圍屋面網殼、內環 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計院于提供的整體結構零狀態位形進行建模，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構形式進行精細化建模，將其與整體結構模型一同進行卸載模擬分析計算。

2.合理的卸載順序：

按照鋼結構和支撐胎架在卸載過程中受力最優原則，根據本工程結構特點以及臨時支撐體系布置，將內外環臨時支撐體系分成東西南北四個區，每個區分為四個組，從而進行分區分組卸載。采用分區同步卸載方法，根據本工程的結構特點以及臨時支撐結構體系的布置，提出四種卸載方案進行對比優選。

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環胎架，最后再按照從東西到南北的順序卸載外環胎架。

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胎架，最后再按照從東西到南北的順序卸載內環胎架。

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環胎架，最后再按照從南北到東西的順序卸載外環胎架。

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的內外環胎架，最后從短軸方向附近開始逐步卸載東西側的內外環胎架，內外環胎架同步卸載。

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)卸載路徑優化分析

1.主體結構成型態對比

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，主體結構成型狀態的受力和變形趨勢基本一致，整體結構均未發生較大的變形，主體結構構件的應力均遠遠小于其設計強度，整體結構處于安全狀態。

表1 主體結構成型狀態對比表

2.卸載過程主體結構位移變化對比a

分別選取內外環梁關鍵點進行卸載過程主體結構的位移變化分析，關鍵點位置如下所示。

圖3 東西向關鍵點位移變化

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

對于東西向關鍵點，其豎向位移和 X 向位移的大幅度增加均發生在東西區內外環胎架卸載后，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。

圖4 南北向關鍵點Y向位移

對于南北向關鍵點，其位移變化主要體現在豎向位移和 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較為劇烈的拐點，即出現位移的劇增劇減，對于結構的安全更為不利，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。因此，從主體結構位移變化來看，方案四的位移變化更為平穩。

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，其內環胎架的豎向反力變化較小，但其外環胎架的豎向反力變化較大，尤其是東西向的外環胎架，最大反力變化達 400kN。

對于方案二，其外環胎架的豎向反力變化較小，而內環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，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，結構更為安全。

圖5 內外環胎架豎向反力

綜合幾種影響因素的計算結果，方案四的主體結構位移、主體結構豎向反力、臨時支撐體系支座豎向反力等變化更為平穩，且在卸載過程中主體結構應力均遠遠小于設計強度，臨時支撐體系結構的應力均滿足規范要求，結構處于安全受力狀態。

結論如下：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 始逐步卸載南北側的內外環胎架，最后從短軸方向附近開始逐步卸載東西側的內外環胎架，內外環胎架同步卸載。

五、結語

三亞體育中心體育場面積大，胎架同步卸載數量多，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構位移變化、胎架反力等影響分析，確定了合理的卸載方案。