大懸挑重載高支撐體系設計與方案比選★

楊國松

(江蘇滬寧鋼機股份有限公司，江蘇 宜興 214231)

大型場館項目屋蓋普遍采用鋼結構，結構形式采用桁架結構、網架結構或拱殼結構，其都具有安裝高度高、結構荷載大的特點。結構安裝時需設置臨時支撐體系，且結構安裝加載順序的不同，也會對結構最終成型應力和變形產生影響。因此根據工程特點需選擇合適的支撐體系和安裝順序，使鋼結構施工完成態盡量與結構設計態吻合。

1 工程概況

北京工人體育場位于北京朝陽區工人體育場內，為改造復建項目。新建項目堅持“傳統外觀、現代場館”設計理念，通過保持主體建筑橢圓形造型、立面形式和比例、特色元素與建設初期相比基本不變，恢復工人體育場原有風貌，新工體建筑效果如圖1所示。

體育場看臺主體結構為混凝土框架結構，地上6層，地下2層，采用樁筏基礎，采用下沉式主賽場，屋蓋為大開口空間單層拱殼鋼結構，整個體育場屋蓋結構體系包括隔震支座、外受拉環梁、內受壓環桁架、拱肋、次梁及內懸挑鋼梁等，結構體系清晰明了；受壓環桁架及屋面荷載通過主拱肋傳遞給底部的受拉環梁，而后向下傳遞至混凝土看臺框架結構，結構傳力路徑明確，其結構示意圖見圖2[1]。

本工程為大開口空間單層拱殼鋼結構，屋蓋最高點標高約46 m，主賽場為下沉式，標高-13.86 m，采用大型履帶吊在主賽場結構面進行屋蓋受壓環及主拱的吊裝方案，因此施工高度達59 m，結構剖面如圖3所示。受壓環分段位置需設置高度達56 m的高支撐，單個支撐點需承擔屋蓋施工荷載270 t。

2 支撐設計

受壓環為倒三角桁架結構，桁架寬度8 m～12 m，桁架上下弦高度11 m。大截面桁架弦桿分段位置設置臨時支撐，方案設計階段初步擬定兩種方案：

1)格構式組合支撐架。臨時支撐立柱采用格構式支撐柱，相鄰四個支撐柱通過水平桁架連接形成組合支撐架。

2)獨立管組合支撐架。臨時支撐立柱采用大截面圓鋼管，相鄰六個支撐柱通過斜向桁架和水平鋼管連接形成組合支撐架。

2.1 格構式組合支撐架

組合支撐架立柱布置在桁架上弦分段對接位置，采用格構式支撐立柱，立柱平面投影尺寸為1.5 m×1.5 m，由四根立桿及其間的斜腹桿組成，桿件之間采用法蘭螺栓連接。立桿截面尺寸為φ180 mm×10 mm，斜腹桿尺寸為φ102 mm×6 mm。

格構式支撐立柱底部設置預埋件固定于結構底板，頂部支撐屋蓋壓力環桁架上弦，立柱支撐高度約56 m，相鄰四個格構式支撐立柱通過一圈水平桁架連接成一個組合支撐架。水平桁架布置在35 m高度(約桁架高度的2/3位置)，水平桁架截面尺寸同立柱截面。支撐總體軸測如圖4所示。

壓力環桁架下弦通過在支撐立柱之間橫向設置一道水平桁架支撐，并在水平桁架下部設置四根斜撐傳遞荷載。支撐結構形式如圖5所示。

2.2 獨立管組合支撐架

倒三角形壓力環桁架上下弦均設置獨立管組合支撐架立柱，并且分段兩端均設置立柱，立柱規格φ609 mm×10 mm，因此單個組合支撐架立柱數量為6根。立柱之間設置斜向單片桁架，桁架傾斜角度為45°。桁架弦桿截面尺寸為φ180 mm×10 mm，斜腹桿尺寸為φ102 mm×6 mm。支撐總體軸測如圖6所示。

6根立柱分成兩個三角形格構柱，用鋼管連接相鄰三角形立柱形成組合支撐架，如圖7所示。

3 結構安裝順序

由于支撐設計為獨立式的支撐，沒有通過水平聯系將所有組合支撐架連接成一個環形支撐體系，因此屋蓋的壓力環桁架和主拱安裝順序的不同將會使屋蓋結構及支撐結構產生不同的內力及變形。經施工初步分析有如下兩種安裝思路：

1)壓力環分段和主拱結構同步安裝，即履帶吊吊裝定位壓力環分段后，立即將與之相連的主拱安裝定位，減小大型履帶吊在場地內的行走，對施工效率及有限場地施工組織布置有利。

2)先壓力環后主拱安裝順序，即壓力環先安裝成環后再進行主拱的對稱安裝，對結構變形控制有利。

4 計算分析

全過程施工仿真模擬是結構由支撐及主結構支座受力逐漸轉移為僅由主結構支座受力過程，在此過程中鋼屋蓋隨著支撐點位變化內力進行重新分布。施工過程中對結構安全有影響的因素很多：支撐結構的設計、主結構安裝順序和支撐卸載過程的有效控制等均對結構最終狀態產生較大影響[2]。

通過對兩種支撐架結構形式及相同支撐形式兩種安裝順序組合形成的三種方案進行結構安裝工況分析，而后對比分析屋蓋結構及支撐結構的變形及應力，比選有利于施工安全的方案。

4.1 格構式支架同步安裝法

本工法采用格構式裝配支撐進行施工，屋蓋壓力環桁架和主拱進行同步安裝，因全過程工況較多，下面選取5個典型安裝工況如圖8所示。

采用Midas Gen 2021對鋼屋蓋結構進行全過程施工仿真模擬計算，鋼屋蓋施工過程中，屋蓋最大豎向變形為490 mm、最大應力為146 MPa；臨時支架的最大應力為239 MPa，所有應力和變形均在設計允許范圍之內[3-4]。

4.2 獨立管支架同步安裝法

本工法采用獨立管支撐進行施工，屋蓋壓力環桁架和主拱進行同步安裝，選取5個典型安裝工況如圖9所示。

通過仿真模擬計算，鋼屋蓋施工過程中，屋蓋最大豎向變形為483 mm、最大應力為131 MPa；臨時支架的最大應力為181 MPa，所有應力和變形均在設計允許范圍之內。

4.3 獨立管支架先成環安裝法

本工法采用獨立管支撐進行施工，屋蓋壓力環桁架先安裝成環后再對主拱進行安裝，選取5個典型安裝工況,如圖10所示。

通過仿真模擬計算，鋼屋蓋施工過程中，屋蓋最大豎向變形為473 mm、最大應力為119 MPa；臨時支架的最大應力為174 MPa，所有應力和變形均在設計允許范圍之內。

4.4 各方案計算結果匯總

通過上述對三種安裝方案進行全過程模擬分析，分析結果匯總如表1所示。

表1 三種安裝方案分析結果匯總表

北京工體屋蓋鋼結構安裝方案[5]，通過三種不同的施工方案對比分析其變形與內力，獨立管支架先成環安裝法屋蓋結構最終成型后，結構最大變形、應力和支撐結構最大應力均最小，最終選定獨立管支架先成環的安裝方法。

5 結語

通過上節對三種方案比選分析，六立柱獨立管組合支撐架受力較為均衡，圓鋼管立柱傳遞豎向荷載，斜向桁架傳遞水平荷載。進行壓力環分段吊裝時，其水平荷載主要為風荷載，鏤空的桁架結構形式產生的風荷載較小，斜向桁架滿足受力要求。當壓力環安裝成型后再對稱安裝斜向主拱肋，此時壓力環與支撐形成一個封閉的環向支撐體系來承擔主拱肋的豎向及水平荷載，大大增加了支撐體系的抗側能力，此方法應用于重載高支撐結構體系中，大大減小了支撐使用量同時提高了支撐的整體剛度，在屋蓋現場安裝施工過程中，通過全站儀測量監測，支撐及屋蓋壓力環結構側向位移及豎向變形均滿足施工規范要求，結構應力與分析計算結果基本吻合，滿足設計要求。