上海新靜安體育中心鋼構(gòu)架施工關(guān)鍵技術(shù)

鄭祥杰

上海市機(jī)械施工集團(tuán)有限公司 上海 200072

1 概述

1.1 施工過程跟蹤分析的必要性

大跨度鋼結(jié)構(gòu)的施工過程是一個結(jié)構(gòu)體系及其力學(xué)性態(tài)隨著施工進(jìn)程非線性變化的復(fù)雜過程，是一個結(jié)構(gòu)由小到大、從簡單到復(fù)雜且體系和邊界不斷變化的發(fā)展過程[1]。結(jié)構(gòu)體系在每一階段的施工進(jìn)程中，都可能有結(jié)構(gòu)邊界條件的變化、結(jié)構(gòu)體系的變化、結(jié)構(gòu)施工環(huán)境溫度的變化以及預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)中預(yù)應(yīng)力的動態(tài)變化等。這一過程中，也可能出現(xiàn)幾何非線性、邊界條件非線性、材料非線性等現(xiàn)象。結(jié)構(gòu)體系在每一個施工階段中的力學(xué)性態(tài)（如內(nèi)力和位移）必然會對下一施工階段，甚至所有后續(xù)施工階段結(jié)構(gòu)的力學(xué)性態(tài)產(chǎn)生不可忽略的影響[2-4]。

1.2 施工監(jiān)測的必要性

不同的施工技術(shù)會對大跨度鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同的力學(xué)問題，因此，施工模擬分析是結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。然而，結(jié)構(gòu)數(shù)值分析模型通常是以設(shè)計圖和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，較為理想化，不同的材料、幾何條件、邊界條件等因素，使得數(shù)值分析結(jié)果與結(jié)構(gòu)實際狀況存在差異。為了把握現(xiàn)場結(jié)構(gòu)的實際受力狀況，有必要針對大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工監(jiān)測工作。

施工監(jiān)測是指通過監(jiān)測技術(shù)手段對施工過程的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行實時跟蹤，掌握其時程變化曲線，以便掌握控制施工質(zhì)量、影響施工安全的關(guān)鍵因素在施工過程中的發(fā)展變化狀態(tài)，并對下一步施工方案進(jìn)行預(yù)判和調(diào)整，以保證整個施工過程的順利完成。

2 工程概況

新靜安體育中心的鋼構(gòu)架平面形狀呈半圓形，如圖1所示。鋼構(gòu)架的橫向跨度約183.9 m，徑向跨度約112.7 m，建筑標(biāo)高42.8 m。

圖1 新靜安體育中心效果圖

構(gòu)架結(jié)構(gòu)支承系統(tǒng)包括以下內(nèi)容。

1）外圈落地15根混凝土框架柱呈圓形分布，間距約27 m，在9.6 m高位置設(shè)有鋼環(huán)梁用來支撐44根間距9 m的鋼柱，與屋蓋構(gòu)件剛接連接。柱頂標(biāo)高28.117～36.085 m不等，在柱頂設(shè)置1道剛性系桿。

2）第2圈柱同樣呈圓形分布，設(shè)有7根混凝土柱，柱間距約24 m，為了與下部體育館分開，中間2根柱間距約146 m。在大懸挑端設(shè)置一個V形分叉鋼柱，在另一端設(shè)置1根斜鋼柱。屋蓋構(gòu)件在柱頂鉸接連接。

3）內(nèi)圈柱為一道直線分布，共設(shè)有10根混凝土柱，柱間距為12.8～19.6 m不等，柱頂標(biāo)高31.221～34.408 m。屋蓋構(gòu)件在柱頂鉸接連接。

在第二圈柱頂設(shè)置倒三角圓管桁架，桁架上弦網(wǎng)格寬1.3 m，長約2 m，桁架高約2.5 m；在內(nèi)圈柱頂同樣設(shè)置倒三角圓管桁架，桁架上弦網(wǎng)格寬1 m，桁架高約2.5 m，上、下層網(wǎng)格定位與徑向桁架弦桿對應(yīng)，結(jié)合下部柱位進(jìn)行局部調(diào)整。

徑向桁架呈發(fā)散射線式分布，與外圈柱頂剛接并一一對應(yīng)，最大跨度93.7 m。采用平面桁架，桁架在屋脊以內(nèi)高約2.5 m。為保證徑向桁架面外的穩(wěn)定，等間距設(shè)置了6道環(huán)向次桁架，其中最內(nèi)圈一道為封邊桁架。為節(jié)省用鋼量，在徑向桁架受壓為主的上弦層額外設(shè)置了多道水平支撐。外圍徑向桁架高度稍小，約2 m，為保證其面外的穩(wěn)定，結(jié)合建筑外觀效果采用斜交方式設(shè)置了43道系桁架。由于系桁架不作為主要受力體系，出于經(jīng)濟(jì)性考慮，采用空腹桁架形式。只在大懸挑處（懸挑長度32.9 m）將其做成實腹式桁架并作為主受力構(gòu)件。體育中心構(gòu)架結(jié)構(gòu)體系構(gòu)成如圖2所示。

圖2 鋼構(gòu)架結(jié)構(gòu)三維

3 安裝技術(shù)路線探討

3.1 傳力路徑分析

從結(jié)構(gòu)描述可知，該鋼構(gòu)架為一空間桁架體系，豎向荷載最終通過桁架傳至三圈框架柱上。空間桁架的傳力路徑對于施工技術(shù)路線的制定尤為關(guān)鍵。

如果屋脊弧形桁架是徑向桁架之間的連系桁架，則整個鋼構(gòu)架的傳力路徑應(yīng)為：豎向荷載→環(huán)向次桁架和屋脊弧形桁架→徑向桁架→內(nèi)圈柱頂桁架、下方支承的框架柱。當(dāng)結(jié)構(gòu)完成若干榀徑向桁架、桁架間的連系桁架及屋脊弧形桁架時，結(jié)構(gòu)的豎向變形量值應(yīng)與結(jié)構(gòu)全部成形后的差不多。

通過比較結(jié)構(gòu)全部成形和結(jié)構(gòu)部分成形后的變形情況，發(fā)現(xiàn)兩者之間存在較大差異。結(jié)構(gòu)全部成形后的最大豎向變形值為306 mm，而結(jié)構(gòu)部分成形后的最大豎向變形值為445 mm，比全部成形時的最大變形值大50%。結(jié)構(gòu)全部成形后的結(jié)構(gòu)變形小，是因為屋脊弧形桁架并非徑向桁架之間的連系桁架，而是徑向桁架的支承桁架，因此整個鋼構(gòu)架的傳力路徑并不單一，對于結(jié)構(gòu)兩側(cè)區(qū)域，鋼構(gòu)架的傳力路徑為：豎向荷載→環(huán)向次桁架/屋脊弧形桁架→徑向桁架→內(nèi)圈柱頂桁架、下方支承的框架柱。對于結(jié)構(gòu)中間區(qū)域，鋼構(gòu)架的傳力路徑為：豎向荷載→環(huán)向次桁架→徑向桁架→屋脊弧形桁架、內(nèi)圈柱頂桁架、下方支承的框架柱。

3.2 徑向桁架安裝分區(qū)規(guī)劃

基于上述傳力路徑，徑向桁架支承于框架柱、內(nèi)圈柱頂桁架以及屋脊弧形桁架，應(yīng)先完成這些構(gòu)件的安裝工作，然后安裝徑向桁架、環(huán)向次桁架和斜交系桁架等構(gòu)件。受起重能力和現(xiàn)場拼裝條件的限制，桁架只能分段吊裝，故必須設(shè)置臨時支撐。當(dāng)結(jié)構(gòu)成形后還需經(jīng)歷1次支撐卸載過程，由于鋼構(gòu)架傳力路徑復(fù)雜，整體同步卸載應(yīng)當(dāng)優(yōu)先考慮。本工程的支撐點數(shù)量大，一起同步卸載顯然會給工程帶來極大的成本及風(fēng)險。

本工程擬對徑向桁架規(guī)劃3個吊裝分區(qū)，3個分區(qū)獨立吊裝，分區(qū)之間的環(huán)向桁架后補。當(dāng)所有分區(qū)的構(gòu)件安裝完成后，再對各分區(qū)進(jìn)行獨立的卸載工作，而各分區(qū)內(nèi)部采用所有支承點同步卸載的方法，降低卸載管理成本及風(fēng)險。

分區(qū)的規(guī)劃應(yīng)滿足以下2個原則：各分區(qū)在卸載后應(yīng)是穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)體系；各分區(qū)之間的豎向差異變形較小，確保后期環(huán)向次桁架在安裝就位時不會產(chǎn)生過大的裝配應(yīng)力。

3.3 施工技術(shù)路線

最終，鋼構(gòu)架的施工總體技術(shù)路線（圖3）如下：完成外圈鋼框架（包括屋脊弧形桁架、斜柱、外側(cè)徑向桁架與連系桁架）以及支承邊桁架的安裝工作→完成Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)以及Ⅲ區(qū)內(nèi)側(cè)徑向桁架的安裝工作→完成Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)以及Ⅲ區(qū)內(nèi)側(cè)徑向桁架的卸載工作→補缺分區(qū)間的連系桿件→完成屋脊弧形桁架的卸載工作→完成剩余結(jié)構(gòu)的安裝工作。

圖3 施工總體流程

構(gòu)架結(jié)構(gòu)在完成Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)以及Ⅲ區(qū)徑向桁架的安裝工作后，開展整個構(gòu)架結(jié)構(gòu)的卸載工作。卸載工作的具體流程如下：

1）進(jìn)行徑向桁架的卸載，跳幫卸載Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)以及Ⅲ區(qū)的支承點。

2）對徑向桁架剩余支承點進(jìn)行同步卸載工作。Ⅰ區(qū)共有8個支承點，Ⅱ區(qū)共有6個支承點，Ⅲ區(qū)共有6個支承點，以10 mm作為同步卸載的單級控制卸載量進(jìn)行多級同步卸載，直至支承點與徑向桁架脫開。

3）補缺各分區(qū)之間的連系桿件。

4）進(jìn)行屋脊弧形桁架的卸載，再卸載結(jié)構(gòu)柱之間的支承點。

5）對弧形桁架剩余支承點進(jìn)行同步卸載工作，共10個支承點，以10 mm作為同步卸載的單級控制卸載量進(jìn)行多級同步卸載，直至10個支承點與弧形桁架脫開。

4 施工過程跟蹤分析

4.1 施工階段模型

根據(jù)施工流程，包括結(jié)構(gòu)安裝流程和卸載流程，建立各施工階段模型。這里共建立38個施工階段，其中施工階段ST-1—3為第一階段鋼結(jié)構(gòu)安裝階段，施工階段ST-4—23為徑向桁架分區(qū)卸載階段，施工階段ST-24為Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)以及Ⅲ區(qū)之間的構(gòu)件補缺階段，施工階段ST-25—37為屋脊弧形桁架卸載階段，施工階段ST-38為第二階段鋼結(jié)構(gòu)安裝階段。

計算模型中，構(gòu)架結(jié)構(gòu)桿件采用梁單元模擬。桁架下方的臨時支撐采用千斤頂單元模擬，所謂千斤頂單元，實質(zhì)是一種自定義單元，屬于桁架單元，但材性特殊，該單元沒有容重，具有較大的彈性模量E，這里取E=1.0×108N/mm2，線膨脹系數(shù)1.0×10-3K-1，千斤頂單元長度統(tǒng)一取為1 000 mm。當(dāng)單元出現(xiàn)10 K的溫差時，對應(yīng)的伸長量為10 mm。

4.2 各支承點的反力變化規(guī)律及理論卸載級數(shù)

圖4給出了徑向桁架多級同步卸載支承點在構(gòu)架結(jié)構(gòu)施工過程中的反力情況。計算結(jié)果表明，所有支承點的反力均呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢，其中，在跳幫卸載時，反力值達(dá)到峰值，隨著同步卸載的進(jìn)行，支承點的反力均逐步減小直至消失。經(jīng)計算，Ⅰ區(qū)各支承點最多需要經(jīng)歷12級同步卸載，最少需要經(jīng)歷10級同步卸載；Ⅱ/Ⅲ區(qū)各支承點最多需要經(jīng)歷12級同步卸載，最少只需要經(jīng)歷2級同步卸載。

圖4 徑向桁架多級同步卸載支承點反力分布情況

圖5給出了弧形桁架多級同步卸載支承點在構(gòu)架結(jié)構(gòu)施工過程中的反力情況。計算結(jié)果表明，當(dāng)徑向桁架卸載完成后，支承點的反力達(dá)到峰值，隨著同步卸載的進(jìn)行，支承點的反力均逐步減小直至消失。以10 mm作為每一級同步卸載的卸載量，經(jīng)計算，各支承點最多需要經(jīng)歷16級同步卸載，最少只需要經(jīng)歷1級同步卸載。

圖5 弧形桁架多級同步卸載支承點反力分布

4.3 卸載不同步性對桿件內(nèi)力的影響

圖6給出了徑向桁架直腹桿、斜腹桿以及弧形桁架直腹桿、斜腹桿等關(guān)鍵桿件在施工全過程中的內(nèi)力變化情況。部分桿件的內(nèi)力在經(jīng)歷施工階段ST-15—18和施工階段ST-27—30時出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象。這是因為在這些階段中，各支承點之間存在卸載不同步的情況，卸載不同的量值為10 mm，部分支承點因相鄰支承點卸載過快而出現(xiàn)反力增大的情況，致使這些支承點對應(yīng)的桁架腹桿內(nèi)力增加；當(dāng)這些支承點卸載后其反力又有所減小，對應(yīng)桁架腹桿的內(nèi)力也會降低。

圖6 桁架腹桿在各施工階段下的內(nèi)力分布

4.4 構(gòu)件變形

構(gòu)架結(jié)構(gòu)在成形后的位移分布如圖7所示。經(jīng)計算，構(gòu)架結(jié)構(gòu)在成形后的最大豎向位移值出現(xiàn)在徑向桁架跨中，最大值為306.8 mm；構(gòu)架結(jié)構(gòu)在成形后的最大水平位移出現(xiàn)在屋脊弧形桁架懸臂段端部，最大值為55.0 mm。

圖7 構(gòu)架結(jié)構(gòu)成形后的位移分布

對于徑向桁架跳幫卸載支承點，在完成跳幫卸載后，支承點最大豎向位移為8.47 mm，在結(jié)構(gòu)成形后，支承點最大豎向位移為310.32 mm；對于徑向桁架同步卸載支承點，在完成同步卸載后，支承點最大豎向位移為108.39 mm，在結(jié)構(gòu)成形后，支承點最大豎向位移為310.26 mm；對于弧形桁架在結(jié)構(gòu)柱之間的支承點，在完成卸載后，支承點最大豎向位移為7.93 mm，在結(jié)構(gòu)成形后，支承點最大豎向位移為6.47 mm；對于弧形桁架同步卸載支承點，在完成卸載后，支承點最大豎向位移為152.82 mm，在結(jié)構(gòu)成形后，支承點最大豎向位移為152.82 mm。

Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)之間需要補缺構(gòu)件，當(dāng)3個分區(qū)卸載完成后，分區(qū)拼縫兩側(cè)節(jié)點的豎向變形差異值基本在5 mm以內(nèi)，滿足后補施工要求。同時也證明了安裝分區(qū)的劃分合理性。

5 施工監(jiān)測

5.1 測點布置

針對卸載施工開展現(xiàn)場應(yīng)力及變形監(jiān)測工作。其中應(yīng)力監(jiān)測測點主要布置在各分區(qū)徑向桁架桿件上、屋脊弧形桁架桿件上以及臨時支撐桿件上（圖8）；位移監(jiān)測測點布置在徑向桁架跨中位置、屋脊弧形桁架跨中位置（圖9）。

圖8 應(yīng)力監(jiān)測測點布置

圖9 位移監(jiān)測測點布置

5.2 應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果

圖10給出了Ⅰ區(qū)徑向桁架應(yīng)力測點的應(yīng)力變化情況。測點Ⅰ-2和測點Ⅰ-3對應(yīng)支承處的桁架直腹桿。從圖10中可以看出，當(dāng)跳幫卸載后，該處桿件應(yīng)力達(dá)到峰值，隨著卸載工作的實施，桿件應(yīng)力逐步減小，其間的振蕩體現(xiàn)了單級卸載過程中的不同步性，該變化趨勢與有限元分析結(jié)果一致。

圖10 Ⅰ區(qū)桿件應(yīng)力實測值

在整個施工過程中，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在Ⅳ-3測點，其值為169.79 MPa，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在Ⅳ-1-DOWN測點，其值為－189.85 MPa；在整個施工過程中，所有應(yīng)力測點應(yīng)力值均在安全范圍內(nèi)。

5.3 豎向變形監(jiān)測結(jié)果

豎向變形的監(jiān)測結(jié)果（表1）表明，Ⅰ區(qū)徑向桁架的跨中撓度是最大的，屋脊弧形桁架的跨中撓度是最小的，這與理論計算結(jié)果一致。但豎向變形的監(jiān)測結(jié)果均小于理論計算結(jié)果，其中屋脊弧形桁架和Ⅲ區(qū)徑向桁架的跨中撓度偏差值較小，在5%左右，而Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)徑向桁架的跨中撓度偏差值較大，在15%左右。

表1 結(jié)構(gòu)成形撓度

6 結(jié)語

1）新靜安體育中心鋼構(gòu)架的傳力路徑復(fù)雜，豎向荷載并非由徑向桁架直接傳至框架柱，在中間區(qū)域，部分豎向荷載先由徑向桁架傳至屋脊弧形桁架，再由屋脊弧形桁架傳至框架柱。因此在結(jié)構(gòu)安裝時，應(yīng)先安裝屋脊弧形桁架，再安裝徑向桁架；在結(jié)構(gòu)卸載時，應(yīng)先卸載徑向桁架，再卸載屋脊弧形桁架

2）通過劃分安裝分區(qū)，實現(xiàn)分區(qū)多級同步卸載，降低卸載的施工成本及管理風(fēng)險。劃分安裝分區(qū)時，應(yīng)遵循“分區(qū)內(nèi)的結(jié)構(gòu)體系應(yīng)保證自身的穩(wěn)定性，分區(qū)間的差異變形不應(yīng)過大”的原則。

3）施工監(jiān)測數(shù)據(jù)能反映出卸載不同步對桿件內(nèi)力產(chǎn)生的不利影響，為結(jié)構(gòu)卸載施工的安全提供了保障；監(jiān)測結(jié)果與理論分析結(jié)果基本一致，證明卸載流程合理可靠。