高文光，趙文雁，孫玉厚，張堅洪，張?zhí)m芳，潘文智，張 兵

(1.北京城建六建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 101500；2.浙江精工鋼結(jié)構(gòu)集團(tuán)有限公司，浙江 紹興 312030)

0 引言

近年來，我國空間結(jié)構(gòu)得到長足發(fā)展，特別是21世紀(jì)以來，作為其重要分支的高性能預(yù)應(yīng)力空間結(jié)構(gòu)(張弦梁、弦支穹頂、索穹頂、索桁架等)，由于造型美觀、力學(xué)性能好、自重輕、節(jié)省用鋼量等特點，被廣泛應(yīng)用于大跨度空間結(jié)構(gòu)[1-3]。

索桁架結(jié)構(gòu)為其中一種結(jié)構(gòu)效率極高的預(yù)應(yīng)力空間結(jié)構(gòu)，由下凹承重索、上凸穩(wěn)定索和豎腹桿組成，上、下索間通過豎腹桿連接，通過張拉使索系繃緊，從而在索桁架中形成并保持足夠張力，使其具有穩(wěn)定形狀和較高承載力[4-5]。而雙層輪輻式索桁架結(jié)構(gòu)是目前體育場中應(yīng)用最多的形式之一，是由索桁架、環(huán)索和剛性受壓環(huán)梁組成的自平衡體系，其將索桁架輻射狀布置，每榀索桁架外側(cè)錨固在外環(huán)梁或外環(huán)桁架上，內(nèi)側(cè)與內(nèi)環(huán)索連接[6]。

索桁架支承結(jié)構(gòu)構(gòu)件加工制作及施工復(fù)雜因素均將導(dǎo)致其安裝后的幾何位置與設(shè)計要求產(chǎn)生偏差，而這些誤差必將影響索桁架張拉成型后的形狀及索力分布。相關(guān)研究表明，索桁架結(jié)構(gòu)拓?fù)潢P(guān)系決定了拉索長度、環(huán)梁節(jié)點板位形唯一時，成型狀態(tài)索力也唯一[7]。因此，輪輻式索桁架外圍支承結(jié)構(gòu)體系施工是影響成型狀態(tài)的一個關(guān)鍵因素。

1 工程概況

三亞市體育中心體育場項目位于三亞市吉陽區(qū)，為甲級大型體育場，總坐席數(shù)約4萬。體育場長邊長304.4m、短邊長268.2m，地上4層，建筑標(biāo)高為45.300m，占地面積31 670.8m2，如圖1所示。

圖1 體育場整體效果

體育場平面為不規(guī)則五邊形，下部為4層混凝土結(jié)構(gòu)看臺，上部為鋼結(jié)構(gòu)罩棚。罩棚以V形柱及受壓環(huán)梁為界，分為外圈鋼結(jié)構(gòu)和內(nèi)圈鋼結(jié)構(gòu)。

1)外圈鋼結(jié)構(gòu)主要包括受壓內(nèi)環(huán)梁、外環(huán)梁、交叉梁、內(nèi)環(huán)V形柱、外幕墻斜柱，如圖2所示。外圈鋼結(jié)構(gòu)最大跨度42m，內(nèi)環(huán)V形柱和外幕墻斜柱沿環(huán)向呈不同角度地向外傾斜，內(nèi)環(huán)V形柱與受壓內(nèi)環(huán)梁采用關(guān)節(jié)軸承連接，柱腳采用固定鉸支座與下方看臺混凝土結(jié)構(gòu)連接。受壓環(huán)梁為箱形截面，最大截面尺寸為1 300mm×1 500mm×60mm；內(nèi)環(huán)V形柱為圓管截面，截面尺寸為φ1 200×20。外圈鋼結(jié)構(gòu)上方為不銹鋼焊接金屬屋面。

圖2 體育場外圈鋼結(jié)構(gòu)示意

2)內(nèi)圈鋼結(jié)構(gòu)由52榀輪輻式索桁架和剛性受壓環(huán)桁架組成自平衡結(jié)構(gòu)，上方為PTFE膜材屋面。其中剛性受壓環(huán)桁架內(nèi)外圈弦桿間距為15～20m。

2 施工重難點分析

1)鋼結(jié)構(gòu)安裝位形確定 對于輪輻式索桁架結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)狀態(tài)分為零狀態(tài)、初始態(tài)及荷載態(tài)。零狀態(tài)位形為結(jié)構(gòu)安裝位形，初始態(tài)位形為結(jié)構(gòu)在自重及預(yù)應(yīng)力作用下的位形，而荷載態(tài)位形為結(jié)構(gòu)在自重、預(yù)應(yīng)力及外荷載作用下的位形。設(shè)計圖中的鋼結(jié)構(gòu)位形為設(shè)計初始態(tài)的位形，而根據(jù)設(shè)計院提供的整體結(jié)構(gòu)一次成型的計算結(jié)果，其設(shè)計初始態(tài)與鋼結(jié)構(gòu)放樣的零狀態(tài)位形有一定差距，其鋼結(jié)構(gòu)安裝位形的確定為其中一個重難點。

2)鋼結(jié)構(gòu)安裝精度控制 外幕墻斜柱及內(nèi)環(huán)V形柱均為傾斜狀態(tài)，且與環(huán)梁為關(guān)節(jié)軸承連接，對安裝精度的要求較高，而且鋼結(jié)構(gòu)安裝位形對索桁架成型態(tài)的索力與位形影響較大。因此，需對外圍鋼結(jié)構(gòu)安裝精度進(jìn)行嚴(yán)格控制。

3)臨時支撐體系設(shè)計 本工程土建結(jié)構(gòu)內(nèi)圈為圍繞體育場的看臺結(jié)構(gòu)，外圈為框架結(jié)構(gòu)。其外圍鋼結(jié)構(gòu)跨度及梁截面均較大，吊裝單元質(zhì)量大，底部混凝土結(jié)構(gòu)高低不平，對臨時支撐胎架承載力及底部工裝提出了更高要求。此外，V形柱、外幕墻斜柱均為傾斜且角度各不相同，支撐胎架頂部工裝設(shè)計也較為復(fù)雜。

4)重型構(gòu)件吊裝 本工程受壓環(huán)梁最大分段長度為22.2m，最大分段質(zhì)量為107t，吊裝單元跨度及質(zhì)量均較大，需選擇大型機(jī)械進(jìn)行吊裝，且需對吊裝工況下的主體結(jié)構(gòu)、吊繩等進(jìn)行詳細(xì)驗算，以確保吊裝安全。

5)臨時支撐體系卸載 臨時支撐體系卸載為結(jié)構(gòu)卸去支撐力、實現(xiàn)結(jié)構(gòu)正常受力的過程。對于大跨度結(jié)構(gòu)，當(dāng)結(jié)構(gòu)安裝完成后，臨時支撐結(jié)構(gòu)體系卸載將在結(jié)構(gòu)中引起較大的內(nèi)力重分布，對結(jié)構(gòu)最終成型狀態(tài)有較大影響。因此，需制定合理的卸載順序，保證結(jié)構(gòu)卸載過程中的安全。

3 施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 施工分區(qū)及總體施工工序

按施工流水段劃分，將外圍鋼結(jié)構(gòu)劃分為4個施工分區(qū)，如圖3所示。

圖3 施工分區(qū)

根據(jù)結(jié)構(gòu)特點及施工分區(qū)，按先南北區(qū)、后東西區(qū)順序，依次安裝鋼結(jié)構(gòu)預(yù)埋件、臨時支撐胎架、內(nèi)環(huán)梁、內(nèi)環(huán)V形柱、外環(huán)梁、外幕墻斜柱及屋面交叉梁等，整體鋼結(jié)構(gòu)吊裝并焊接完成后進(jìn)行臨時支撐體系卸載及拆除。

對于內(nèi)環(huán)V形柱，考慮本工程結(jié)構(gòu)特點及施工便捷性，南北區(qū)V形柱安裝順序為先V形柱后環(huán)梁，東西區(qū)V形柱安裝順序為先環(huán)梁后V形柱。

根據(jù)施工場地及構(gòu)件分段特點，吊裝主要選用2臺400t、2臺300t及1臺200t履帶式起重機(jī)。

總體安裝流程為：南北區(qū)胎架、內(nèi)環(huán)梁及內(nèi)環(huán)V形柱→東西區(qū)胎架、內(nèi)環(huán)梁及內(nèi)環(huán)V形柱→南北區(qū)外環(huán)梁及外幕墻斜柱→南北區(qū)屋面交叉梁→東西區(qū)外環(huán)梁及外幕墻斜柱→東西區(qū)屋面交叉梁→臨時支撐胎架卸載及拆除。

3.2 鋼結(jié)構(gòu)安裝零狀態(tài)位形確定

根據(jù)整體結(jié)構(gòu)一次成型計算結(jié)果，外圍鋼結(jié)構(gòu)初始態(tài)與放樣零狀態(tài)有一定差距，而設(shè)計圖紙?zhí)峁┙Y(jié)構(gòu)位形為初始態(tài)位形。為使預(yù)應(yīng)力張拉完成后結(jié)構(gòu)位形與設(shè)計的初始態(tài)位形一致，需對外圍鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行2個階段找形預(yù)偏。

1)階段1 基于外圍鋼結(jié)構(gòu)詳細(xì)施工仿真分析及預(yù)應(yīng)力張拉施工仿真分析結(jié)果，綜合考慮鋼結(jié)構(gòu)及預(yù)應(yīng)力張拉施工過程中結(jié)構(gòu)位形變化，確定預(yù)應(yīng)力張拉施工前外圍鋼結(jié)構(gòu)施工完成態(tài)位形。

2)階段2 結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)一次成型與施工模擬計算結(jié)果，在深化過程中對受壓環(huán)梁進(jìn)行再次找形預(yù)偏，使鋼結(jié)構(gòu)施工模擬所得結(jié)構(gòu)位形與一次成型位形一致。

3.3 地面拼裝精度控制

鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件為圓管及箱形截面，其中內(nèi)環(huán)梁、外環(huán)梁箱形截面構(gòu)件為彎曲構(gòu)件，為便于彎曲箱形構(gòu)件及圓管構(gòu)件工廠拼裝及現(xiàn)場安裝定位，在結(jié)構(gòu)模型中放樣出箱形梁構(gòu)件4條棱邊線及圓管構(gòu)件邊線在端口處的控制點(見圖4)，給出斷口邊線定位點的現(xiàn)場安裝整體坐標(biāo)、現(xiàn)場拼裝局部坐標(biāo)及工廠拼裝的局部坐標(biāo)，并在鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件端口位置打樣沖眼，以供現(xiàn)場各吊裝單元高空定位、現(xiàn)場各運(yùn)輸單元地面拼裝定位及工廠各零件地面拼裝定位。

圖4 構(gòu)件端口控制點

此外，由于吊裝單元結(jié)構(gòu)特殊性，對內(nèi)環(huán)梁吊裝單元拼裝胎架進(jìn)行設(shè)計及驗算，以保證地面拼裝精度。

3.4 有限元分析

本工程構(gòu)件跨度和質(zhì)量均較大，保證吊裝過程安全尤為關(guān)鍵。為此，對每個吊裝分塊進(jìn)行吊況分析，計算吊繩最大軸力，選用RH02型高強(qiáng)吊帶作為吊繩，并對構(gòu)件吊耳板進(jìn)行設(shè)計驗算。由于V形柱與內(nèi)環(huán)梁間為關(guān)節(jié)軸承連接，為進(jìn)一步確保構(gòu)件吊裝過程安全并控制構(gòu)件吊裝過程變形，采用工字鋼及異形卡板臨時加固吊裝單元，并建立精細(xì)化有限元分析模型，驗算吊裝工況下吊裝單元應(yīng)力及變形(見圖5)。

圖5 實體有限元分析結(jié)果

吊裝工況下，吊裝單元最大應(yīng)力為154.9MPa，最大豎向變形為3.4mm，均滿足吊裝精度要求。

3.5 臨時支撐體系設(shè)計

本項目采用分段吊裝方式，需設(shè)置3圈臨時支撐胎架，根據(jù)胎架受力及結(jié)構(gòu)特點，分為7種臨時支撐胎架，共126個。

對于南北區(qū)內(nèi)環(huán)胎架，由于V形柱向外傾斜角度較小，且胎架高度也相對較小，因此，采用單胎架形式；而對于東西區(qū)內(nèi)環(huán)胎架，由于V形柱向外傾斜角度較大，胎架高度也相對較大，需采用雙胎架形式，以保證胎架承載力及剛度。而對于外環(huán)胎架及中環(huán)胎架，胎架受力不大，可采用單胎架形式。此外，由于V形柱、外幕墻斜柱均為傾斜且角度各異，再加上混凝土結(jié)構(gòu)高低不平且局部高差較大，不僅需對不同傾斜角度構(gòu)件設(shè)計相應(yīng)的臨時支撐胎架頂部工裝，還需根據(jù)胎架底部支承條件設(shè)計不同底部工裝。此外，為使臨時支撐胎架頂部及底部工裝與構(gòu)件、下部混凝土結(jié)構(gòu)相匹配，建立上部鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)及胎架結(jié)構(gòu)的三維模型進(jìn)行碰撞檢查。

3.6 合龍縫設(shè)置及施工過程溫度效應(yīng)影響

根據(jù)施工分區(qū)設(shè)置4條合龍縫，如圖3所示，單條合龍縫由內(nèi)向外合龍。合龍縫部分桿件吊裝至高空后，通過臨時卡板及安裝螺栓固定，待合適的合龍時間再進(jìn)行桿件對接焊接。

為評估溫度及合龍縫對整體結(jié)構(gòu)的影響，選取整體結(jié)構(gòu)合龍前、后階段作為研究對象，分別研究升降溫及合龍縫對整體結(jié)構(gòu)的影響。

研究表明：升降溫對整體結(jié)構(gòu)變形及應(yīng)力有一定影響，但影響不大；通過沿對角方向設(shè)置4條合龍縫，可有效降低溫度效應(yīng)引起的不利結(jié)構(gòu)變形，有效釋放溫度效應(yīng)引起的結(jié)構(gòu)附加應(yīng)力。

3.7 臨時支撐體系卸載

本工程屬于大跨度空間結(jié)構(gòu)，當(dāng)結(jié)構(gòu)安裝完成后，臨時支撐結(jié)構(gòu)體系卸載將在結(jié)構(gòu)中引起較大內(nèi)力重分布，對結(jié)構(gòu)最終成型狀態(tài)有較大影響。根據(jù)工程結(jié)構(gòu)特點及臨時支撐結(jié)構(gòu)體系布置，提出4種卸載方案，并進(jìn)行卸載模擬分析，對比主體結(jié)構(gòu)成型狀態(tài)、卸載過程主體結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力和位移變化、卸載過程主體結(jié)構(gòu)支座反力變化及卸載過程臨時支撐胎架支座反力變化等。最終采用先卸載中柱胎架，然后從長軸方向附近開始逐步卸載南北側(cè)內(nèi)、外環(huán)胎架，最后從短軸方向附近開始逐步卸載東西側(cè)內(nèi)、外環(huán)胎架的同步卸載方案，卸載順序如圖6所示。

圖6 卸載順序

根據(jù)施工及卸載順序進(jìn)行施工仿真分析。如圖7所示，卸載過程中，各構(gòu)件應(yīng)力、結(jié)構(gòu)豎向位移及水平位移、臨時支撐胎架反力變化均較平穩(wěn)，變化曲線均未出現(xiàn)突變情況。卸載過程中構(gòu)件最大應(yīng)力為65.4MPa，遠(yuǎn)低于鋼材設(shè)計強(qiáng)度，處于安全狀態(tài)；施工完成態(tài)下，鋼結(jié)構(gòu)最大豎向位移為-44.6mm， 最大水平位移為41.1mm，與一次成型態(tài)位移基本一致，說明胎架剛度滿足安裝要求，施工及卸載工序合理。

圖7 卸載仿真分析結(jié)果

4 結(jié)語

1)施工分區(qū)及總體施工工序科學(xué)合理，保證了鋼結(jié)構(gòu)安裝過程安全，并有效縮短了項目工期。

2)通過構(gòu)件端口控制點標(biāo)記及拼裝胎架設(shè)計，有效控制了構(gòu)件地面拼裝精度。

3)所采用的臨時支撐體系，具有足夠承載力和剛度，有效適應(yīng)構(gòu)件及土建結(jié)構(gòu)變化，為鋼結(jié)構(gòu)安裝提供了足夠支承，有效減小了鋼結(jié)構(gòu)施工過程中的變形。

4)結(jié)合施工仿真分析結(jié)果，證明所提出的內(nèi)、外環(huán)胎架同步卸載的方案科學(xué)合理，有效保證了卸載過程中的結(jié)構(gòu)安全，卸載后的結(jié)構(gòu)受力及變形與一次成型態(tài)基本一致。

5)鋼結(jié)構(gòu)施工全過程中，最大豎向位移為-44.6mm， 最大水平位移為41.1mm，最大結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力為65.4MPa，均未達(dá)到屈服強(qiáng)度，處于安全狀態(tài)。