大跨度雙曲面管桁架鋼結(jié)構(gòu)屋蓋施工受力性能研究
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徐 琳1，張 軍2
（1．江蘇工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程學(xué)院，江蘇南通 226007；2．江蘇中南建筑產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，江蘇南通 226100）
[摘要]淮安體育館鋼結(jié)構(gòu)屋蓋是由雙曲面桁架鋼管拱及桁架拱之間的連接桁架組成的折板體系，屋蓋以桁架鋼管拱為主要受力結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)屋蓋采用分段吊裝施工方法，通過(guò)有限元方法對(duì)吊裝施工過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，驗(yàn)算桁架在吊裝過(guò)程中支架和主體結(jié)構(gòu)的安全性。
[關(guān)鍵詞]體育館；鋼結(jié)構(gòu)；屋蓋；安裝；數(shù)值模擬
[中圖分類號(hào)] TU323.4 [文章編號(hào)]1002-8498(2016)08-0064-03
1 工程概況
淮安體育館鋼結(jié)構(gòu)屋蓋是由雙曲面桁架鋼管拱及桁架拱之間的連接桁架組成的折板體系，最大跨度為119. 53m，彎曲矢高30. 4m，工程效果如圖1所示。
屋蓋桁架和拱構(gòu)件均為鋼管截面，包括2榀四弦桿大跨度空間雙曲管桁架結(jié)構(gòu)和10榀兩弦桿平面拱桁架，屋面檁條為H型鋼結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年，體育館屋蓋結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)y=1.1。屋蓋主結(jié)構(gòu)如圖2所示。
2 屋面鋼結(jié)構(gòu)安裝方法
根據(jù)鋼屋蓋結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，提出了高空分單元拼裝的總體安裝方法，即在硬化后的地面上設(shè)拼裝胎架現(xiàn)場(chǎng)拼裝，空間雙曲管桁架和平面拱桁架均在地面整體組裝焊接完成，拆分成若干吊裝單元后，分單元進(jìn)行順序吊裝，最大限度降低管桁架結(jié)構(gòu)在空間作業(yè)過(guò)程中資源的投入，有效降低施工成本。
3鋼桁架結(jié)構(gòu)安裝和卸載順序
1)鋼結(jié)構(gòu)屋蓋采用分段吊裝法施工，在桁架吊裝之前臨時(shí)鋼支架必須搭設(shè)完畢，平臺(tái)作業(yè)面、千斤頂?shù)裙ぷ魅客瓿珊蠓娇善鸬�。結(jié)構(gòu)拼裝步驟為先吊裝中間空間雙曲拱桁架，再吊裝其他各榀平面桁架。
2)鋼桁架吊裝采用對(duì)稱、順序的安裝方法①第1步：從支座至跨中，對(duì)稱安裝空間雙曲管桁架及之間的次桁架和桿件；②第2步：根據(jù)設(shè)計(jì)文件要求，選定合適的合龍環(huán)境溫度進(jìn)行空間雙曲管桁架的合龍，安裝合龍?zhí)帢?gòu)件及之間的次桁架和桿件；③第3步：對(duì)稱安裝空間雙曲管桁架兩側(cè)的單榀平面拱桁架及之間的連接桿件，單榀拱桁架的安裝順序也是由支座至跨中，依據(jù)設(shè)計(jì)文件進(jìn)行合龍；④第4步：順序安裝各單榀平面拱桁架，直至鋼屋蓋安裝完成；⑤第5步：卸載、完成鋼屋蓋受力體系轉(zhuǎn)換，結(jié)構(gòu)成型。鋼屋蓋桁架安裝順序如圖3所示。
3)鋼桁架卸載 為了保證卸載時(shí)相鄰支撐胎架的受力不會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的變化，同時(shí)保證結(jié)構(gòu)體系的桿件內(nèi)力不超出規(guī)定的容許應(yīng)力，避免支撐胎架內(nèi)力或結(jié)構(gòu)體系的桿件內(nèi)力過(guò)大而出現(xiàn)破壞現(xiàn)象，保證結(jié)構(gòu)體系可靠、穩(wěn)步形成。該工程先卸載空間雙曲管桁架的中間部分胎架，再卸載其兩端胎架，然后依次卸載兩側(cè)單榀平面拱桁架至卸載完成。采用分區(qū)分級(jí)卸載的方法，每級(jí)同步卸載5mm。
4 臨時(shí)支撐設(shè)置
臨時(shí)鋼支架平面布置如圖4所示，設(shè)置支架的地方即桁架的分段點(diǎn)。支架可用于構(gòu)件在吊裝就位的臨時(shí)固定，為空中拼裝和焊接提供便利。
臨時(shí)組合支撐胎架現(xiàn)場(chǎng)組裝，鍍鋅螺栓連接，間距8m，在臨時(shí)組合支撐胎架4個(gè)角設(shè)置1層鋼絲繩+緊線器校正收緊，鋼絲繩與地面連接處設(shè)置地錨，連接牢固，安裝完成后測(cè)量鋼支架的垂直度及上口標(biāo)高，通過(guò)緊線器調(diào)整就位。
臨時(shí)組合支撐胎架頂部設(shè)置可調(diào)式桁架擱置支撐點(diǎn)，可以對(duì)支撐擱置點(diǎn)標(biāo)高尺寸在一定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)。對(duì)于尺寸偏差較大，不符合臨時(shí)組合支撐胎架標(biāo)準(zhǔn)節(jié)模數(shù)的位置，通過(guò)調(diào)整臨時(shí)組合支撐胎架底座鋼支架的高度來(lái)調(diào)節(jié)臨時(shí)組合支撐胎架的支撐高度。
5 單榀桁架起吊驗(yàn)算
取跨度最大的一片桁架進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全驗(yàn)算。根據(jù)吊裝方案設(shè)計(jì)，在吊點(diǎn)位置分別設(shè)置2個(gè)連桿模擬吊鉤。由于結(jié)構(gòu)吊裝持續(xù)時(shí)間較短，吊裝時(shí)只考慮自重和風(fēng)荷載作用。風(fēng)荷載按施工控制風(fēng)速考慮，基本風(fēng)壓取值為0. 2kN/m2，計(jì)算結(jié)果表明：構(gòu)件無(wú)屈服現(xiàn)象，變形滿足吊裝剛度要求。吊裝過(guò)程中，最大吊點(diǎn)反力為27kN，單榀鋼桁架的吊裝索具滿足要求。
6鋼屋蓋施工全過(guò)程力學(xué)分析
根據(jù)上述擬定的吊裝方法和吊裝順序．對(duì)鋼屋蓋的吊裝全過(guò)程進(jìn)行力學(xué)分析，提取鋼屋蓋在施工過(guò)程中的變形、桿件應(yīng)力等，確保整個(gè)鋼屋蓋安裝過(guò)程中的結(jié)構(gòu)安全性。
6.1荷載說(shuō)明
由于結(jié)構(gòu)吊裝持續(xù)時(shí)間較短，且僅有鋼結(jié)構(gòu)工程。故本次施工只考慮自重和風(fēng)荷載。風(fēng)荷載按施工控制風(fēng)速考慮，基本風(fēng)壓取值為0.2k N/m2。施工階段的主要荷載組合取為：①組合1：1.2自重+1. 4x向風(fēng)荷載；②組合2：1.2自重+1.4y向風(fēng)荷載。6.2驗(yàn)算結(jié)果
吊裝階段和卸載驗(yàn)算時(shí)，支撐架和鋼管桁架結(jié)構(gòu)底部約束均為固定鉸支座，計(jì)算結(jié)果如表1和圖5所示。
根據(jù)上述施工全過(guò)程力學(xué)分析結(jié)果可得：①吊裝階段主體結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力比為0. 496，結(jié)構(gòu)最大撓度為36. 8mm，整個(gè)吊裝過(guò)程符合安全要求。②卸載階段主體結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力比為0. 519，結(jié)構(gòu)最大撓度為42. 1mm，整個(gè)支架卸載過(guò)程符合安全要求。
7 結(jié)語(yǔ)
本文依托淮安體育中心體育館工程的工程實(shí)踐，對(duì)由大跨度空間雙曲拱桁架、單榀平面拱桁架作為主受力體系的空間鋼屋蓋結(jié)構(gòu)安裝、卸載等施工方法進(jìn)行研究與分析，結(jié)論如下。
1)針對(duì)空間大跨度鋼結(jié)構(gòu)安裝方法的選取，應(yīng)結(jié)合結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，合理選擇安裝方法。對(duì)于空間雙曲管桁架、平面拱桁架的安裝，可采用分單元吊裝方法，可避免采用搭設(shè)滿堂腳手架的傳統(tǒng)施工工藝，減少高空作業(yè)的資源投入。
2)對(duì)于空間鋼結(jié)構(gòu)而言，應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)的整體吊裝過(guò)程、卸載過(guò)程進(jìn)行施工力學(xué)分析計(jì)算，根據(jù)主體結(jié)構(gòu)變形、桿件應(yīng)力比等要求優(yōu)化吊裝和卸載方案，確保整個(gè)吊裝和卸載過(guò)程的安全性。
3)空間鋼結(jié)構(gòu)的卸載應(yīng)根據(jù)擬定的卸載方案進(jìn)行，確保成型后結(jié)構(gòu)的受力、變形等滿足設(shè)計(jì)要求。
