鹽城體育館鋼屋蓋支撐卸載過程及模擬分析

周 蓉（中鐵建設集團華東工程有限公司，江蘇 昆山 215332）

目前發展較快的結構類型主要是大跨度空間鋼結構，其跨度以及規模因人們的需要在不斷擴大，新材料、新技術的應用也使得其利用廣泛，結構形式越來越豐富。鹽城體育館是大跨度空間鋼結構，位于鹽城鹽南科教城，建筑性質為乙級體育建筑，采用的是鋼結構罩棚。

1 工程概況

鹽城體育館的桁架平面尺寸為 135.5 m×103.3 m。其桁架的頂標高為 26.265 m，相對高度尺寸為 3 956 mm。桁架鋼管最大規格Φ450 mm×20 mm，最大跨度單榀主桁架重量 48.3 t。

鹽城體育場采用“地面拼裝成段，大跨分段吊裝，高空對接合龍”的施工技術。當下部混凝土及支座預埋件安裝完成且具備吊裝條件后，桁架進行拼裝、吊裝。主桁架分三段吊裝，采用從屋面的側邊向另一側安裝。由于鋼屋架跨度較大，會使安裝順序對內力分布和結構位移影響較大。

在桁架吊裝和焊接構件后，需對臨時支撐進行拆除。考慮到施工安全的因素，拆除臨時支撐會導致結構位移以及內力重分布，體系的最終狀態會因拆除臨時支撐的方案受到很大影響。鹽城體育場鋼屋架為大跨度鋼結構，在模擬分析中需劃分卸載模擬步、對卸載單元進行分析。通過軟件模擬分析，卸載過程會影響到支撐反力、結構內力和位移變形。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 鋼屋蓋臨時支撐

臨時支撐采用 1 m×1 m 的截面，搭設高度為 21 m，弦桿采用 L 90 mm×8 mm，材質為 Q 235，腹桿為 L 60 mm×5 mm，材質為 Q 235，頂部采用 H 200 mm×200 mm×5 mm×5 mm 和 100 mm×100 mm×8 mm 方管，材質為Q 235 作為支座平臺，焊接連接。

2.2 卸載方案

采取方案：所有臨時支撐采用逐級等距卸載方案，從兩端向中間逐個對稱卸載; 在每一固定長度位移的卸載結束后，開始下一級位移卸載，脫離全部支撐即卸載結束。

本工程屋面桁架跨度大，根據各區域桁架主桁架方向，采取分段吊裝桁架。其中，施工 B 區橫向主桁架分三段吊裝，臨時支撐位于桁架下弦分段處兩側各布置一個（雙支撐），支撐位于豎向次桿件正下方。臨時支撐高度 21 m，共需布置 24 根臨時支撐。施工 A 區、施工 C 區懸挑部位桁架布置臨時支撐（高度 16 m），共需布置 16 根臨時支撐。

2.3 卸載工藝

本工程屋面桁架最大下撓位移 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，對桁架卸載工藝進行分析。

在格構支撐架上方，桁架下弦桿下方設置 2 臺 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 組支撐墊塊對桁架進行支撐，千斤頂配合，移除桁架支墊型鋼，2 臺千斤頂同步操作，使桁架下弦脫離支撐墊塊，然后移除第 1 個墊塊，千斤頂緩慢回落，2 臺千斤頂同步操作，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使用，成本較低，施工過程方便，現場施工階段管理也相當簡單。

2.4 千斤頂抗傾覆措施

在桁架下方對應千斤頂位置處點焊一個托架，千斤頂上面套 1 個墊板，墊板與托架接合處涂抹黃油，桁架位移時，與千斤頂摩擦力降到最小。

2.5 臨時支撐拆除

在桁架吊裝施工過程中，為便于穿插施工，在 B 區安裝完成 50% 及 100% 后拆除格構組中的一根格構柱。

內側格構柱在所在軸線主，次桁架焊接完成后，用 25 t 汽車吊進行拆除。25 t 汽車吊先將格構支撐架用吊繩吊牢，再拆除 2 道纜風繩，最后慢慢放倒至地面。待格構支撐架完全卸載后，采用 25 t 汽車吊進行拆除。25 t 汽車吊先將格構支撐架用吊繩吊牢，再拆除 2 道纜風繩，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行分析。模擬采用大型商業有限元軟件 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，且對施工要求較高。為保證施工安全，所以需對施工過程進行驗算，分析結構位移和桿件的應力比，為安全施工提供數據參考。設荷載僅為自重（含節點自重），考慮動荷載系數 1.2。模擬分析表明，桁架反力中部大、兩端小，所有支撐點的初始豎向位移為39～57 mm。結構的位移和桿件應力比很小，符合施工要求規范。在分析過程中，為了防止結構體系的塑形變形，將對桿件進行調整，并保證其方便拆除，在施工過程中安全可靠。

鹽城體育館的施工過程分析與方案設計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，假設混凝土徐變較小，且不考慮鋼結構的缺陷。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不同的施工步。臨時支撐卸載完成后的狀態設置為施工階段的最終狀態。每一個施工分析步基于前面所有的分析步結束后的影響上進行。

3.2 邊界條件

為了保證分析結果的可靠性，將鋼屋蓋支座與下部框架結構的連接設置為固結，臨時支撐與鋼屋蓋的連接設置為鉸結。邊界約束條件如圖 1 所示。

圖1 邊界約束

3.3 卸載步分析

鹽城體育館結合現場的施工條件及受力性能，從吊裝到卸載臨時支撐共分為 35 個分析步，其中步驟 1 至步驟32 為吊裝，步驟 33 和步驟 34 為卸載過程，步驟 35 為卸載完成。

施工卸載臨時吊裝的三個分析步：首先拆去鋼屋蓋外側 16 個臨時支撐，其變形最大位移為 39 mm，下撓預警值78 mm，應力比最大值 0.26。其次拆除中部 24 個臨時支撐，變形最大位移為 52 mm，下撓預警值 104 mm，應力比最大值 0.42。最后拆除完成，其變形最大位移為 57 mm，下撓預警值 114 mm，應力比最大值 0.48。支撐點處的位移和內力、構件的應力比都很低，具有足夠的安全儲備。

（3）鹽城體育館鋼桁架施工跨度大、施工場地環境復雜。通過研究，提出了“地面拼裝成段”，合理劃分施工區域和順序，采用“大跨分段吊裝”的方法。為克服施工場地空間小的限制，“高空對接合龍”解決了鋼結構桁架的施工難題，保障了施工的效率，有限元的模擬為施工安全做出了保障，為社會與經濟提供了良好的效益。

4 結 語

（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。該分析結果表明，構件的最大位移、支座反力、應力比與預警值相差較大，說明其材料有足夠的安全儲備。

（2）鹽城體育館為大跨度復雜結構，施工的模擬分析步是安全施工的重要保障，通過有限元軟件分析模型最不利的因素，并進行優化，合理調整設計施工方案，為施工的安全做出了重要的保證。