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南昌国际体育中心体育场大悬挑钢桁架施工关键技术

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2015-10-30 施工技术

  [摘要]针对南昌国际体育中心体育场钢结构工程的大悬挑、大跨度、单向斜撑等结构特点和施工难度,详细介绍了高空分块安装法、结构合龙、整体卸载等关键技术及难点,并通过对施工全过程有限元仿真分析证明,该技术高效、合理,保证了工程质量和施工安全,并为此类体育场馆的施工提供了一定的参考。

  1、工程概况

  南昌国际体育中心体育场占地面积67 248㎡ ,总建筑面积82 742㎡,体育场最多可容纳观众约6万人,为1座圆形建筑见图1)

图1 南昌国际体育中心体育场

图1 南昌国际体育中心体育场

  体育场钢结构屋盖罩棚平面投影为环形,外环呈圆形,内环呈椭圆形,南北方向呈马鞍形,结构为双轴对称。外环直径为287. 8m,内环长向南北向,y)212m,短向东西向,) 141.7m。体育场钢结构采用96 榀径向主桁架、榀环桁架、部分收边桁架、“V”形支撑和单向斜撑、192 只铸钢件节点等组成空间管桁架结构见图2a) ,径向主桁架最大宽度为7. 0m( 见图2b) ,最小宽度为2. 0m,径向桁架最大悬挑47m,桁架最高点标高为51. 85m。桁架杆件为圆钢管,材质主要为Q345B,整个体育场钢结构用钢量约为8 000t

  2、工程特点及难点

  南昌国际体育中心体育场罩棚钢桁架顶棚线条流畅,宛如旋转的水流星,要体现这一建筑效果,保证钢结构外形曲线平滑是本工程的关键技术之一。主体育场结构高度高,最高点标高为51. 85m,最低点标高34.50m,其上部结构由96 形柱支撑,东西向径向桁架最大悬挑达47m,南北向径向桁架悬挑长度达27m,同时罩棚又是一个封闭式结构,全周长约800m,且顶棚桁架上下弦间斜撑单向布置。这种大悬挑、大跨度、单向斜撑组成的空间管桁架结构,给结构施工技术提出了较高要求。

图2 体育场结构

图2 体育场结构

  结合该工程的特点,通过对各种施工方案对比分析,选用高空分块吊装法进行施工。结构施工难点主要包括:

  罩棚钢桁架结构悬挑跨度大,竖向变形大,为保证结构外型尺寸线条流畅,需对结构预起拱设计;

  本工程地面拼装量大,地面的拼装量约占整个工程的75% ,因此,地面拼装精度保证是工程的重点;

  结构高度高,吊装分块重量大,吊装时稳定性难以控制,对临时支撑的要求高;

  分块构件安装就位前的变形难以控制,测量定位困难,容易影响安装精度;

  该结构连续长度大且又为全封闭,要充分考虑环形结构安装误差的累积,同时钢结构罩棚与下部混凝土柱采用支座固定,如果结构整体施工不设置伸缩缝,施工过程中温差变化会对安装精度和结构使用阶段的安全性不利,因此罩棚合龙缝及合龙温度控制至关重要;

  悬挑结构的整体卸载,大悬挑结构自重作用下结构的变形大,卸载不当会造成结构和支撑架的破坏,为了使罩棚结构逐渐进入设计受力状态,卸载过程支撑架荷载增加,需要分步、分级卸载,因此卸载过程的施工仿真分析和卸载顺序控制是本工程的施工控制关键。

  3、高空分块吊装分析

  3. 1 高空分块吊装法的优缺点

  优点: ①钢构件地面拼装,减少了高空作业量以及高空操作脚手架用量,提高了施工质量、工作效率及施工安全性,有利于文明施工,并便于发现问题和处理问题;

     扩大了钢结构主体施工面,提高了机械的使用效率,加快施工进度。

  缺点: ①分割吊装分块时,必须保证分块应是几何不变体系,起吊后刚度、受力情况及变形变化较小;

     吊装分块重量大,对起重机的要求较高;

     施工过程中,要进行多次坐标转换,地面拼装增加了测量难度,提高了对场地的要求,同时需要增加临时安装胎架,预先计算各类变形量,并采取反变形措施;

     增加吊装难度,由于吊装分块杆件多,重心难以把握,对掉点位置、数量、绑扎方式以及吊绳尺寸等必须通过计算才能实施。

  3. 2 桁架地面拼装见图3)

图3 桁架地面拼装

图3 桁架地面拼装

  本工程的拼装焊接量大,是后续钢结构安装得以顺利进行的重要前提和保障,如何保证钢构件地面拼装精度至关重要。因此针对本工程钢结构的特点,桁架的拼装须做好以下控制:

  拼装场地的设置须满足要求,要能满足构件堆放、起重机和货车的通行。拼装场地布置合理与否,将直接关系到施工进度的快慢和安全文明施工管理水平的高低。

  拼装胎架的设置主要满足强度、稳定性、方便现场拼装及通用性等几个原则。根据构件体型特征设置不同的拼装胎架,经分析本工程主要拼装胎架共有种形式:场外组合单元拼装胎架、场外临时搁置胎架、场外平面桁架拼装胎架、场内组合单元拼装胎架及场内临时搁置胎架。拼装胎架设置后要根据施工图核对胎模具的位置、弧度、角度等情况,复测后进行构件拼装。

  桁架现场拼装流程按照先下弦、上弦、腹杆,最后两榀平面桁架间次桁架及系杆的顺序安装,为减小吊装过程中桁架的变形及保护母材,在桁架端部以抱箍的形式设置临时加强杆。并采用全站仪对桁架各个节点的坐标进行精确定位。桁架在胎架上拼装完成后,解除桁架上的所有约束,使桁架处于自由状态,并在此状态下测量桁架的各项尺寸,进行分段验收。

  3. 3 桁架分块吊装工况

  该体育场钢结构顶棚由96 榀径向主桁架组成,为了保证吊装分块在吊装过程中的整体稳定性以及变形情况,并考虑分段点距离节点位置500 ~ 800mm,采用以每两榀主桁架为一组装整体,每一组装整体根据吊装重量以及构件多少分为见图4a)见图4b) 吊装单元,逐步实现各单元高空扩散安装。

图4 桁架分块示意

图4 桁架分块示意

  体育场钢结构工程中最复杂的第1 段外环吊装单位空间尺寸宽8m,高28m,重量达22t,吊绳按最不利工况设置4 个吊点。采用有限元软件Midas /Gen 分析计算,结果表明,吊装单位在起吊过程中最大应力76. 4N /mm2 ,远小于容许应力310N /mm2 ,说明分块单元在吊装过程中处于弹性变形阶段,满足应力要求,结构安全。此吊装方法给安装带来一定困难,尤其是图4a 中的外环第2 分块单元在高空定位时既要与外环第1 分块单元对接,又要和其下的V 形柱连接,可能产生错口现象,因此必须采取一定的措施调整分块单元自由端的位置偏差,保证杆件高空定位的精确度,方便定位焊接,使杆件安装质量满足相关质量验收规范要求。为达到最好的安装效果,所有分块单元吊装过程中采用倒链辅助控制,所有外环第1 分块单元在初步安装后增设缆风绳,从而减少变形,提高安装精度。

  根据上述分段,场外桁架主要吊装设备为200t 履带式起重机,场内桁架主要吊装设备为300t 履带式起重机。依据钢结构施工图,体育场分为区,区,区和见图5)。经分析本工程钢结构安装总体顺序为:1 区,区同步先行施工;区和区后续施工。

图5 体育场的施工顺序

图5 体育场的施工顺序

  3. 4 临时支撑设计

支撑架的设计与布置主要考虑:

结构吊装过程的安全因素及结构卸载时所承受的最不利工况;

结合土建现场情况布置,应尽量设置在混凝土柱头上。

综合以上钢结构安装分段和结构受力特点,在内环每榀主桁架底部均设置临时支撑96 个,支撑架选择本公司专利产品“装配式格构承重支架的标准节。首先用千斤顶进行调整桁架位置,并根据设计验算对内环桁架做预起处理,调整完毕后,可抽出千斤顶,由两侧定位装置对桁架进行固定,对于支撑点不在竖向立杆位置时,应加设临时加强杆见图6 )。在体育场主体钢结构安装、合龙完成,并成功卸载后方可对支撑架进行拆除。

图6 临时支撑胎架

图6 临时支撑胎架

  3. 5 结构合龙

  根据钢结构吊装总体施工顺序,罩棚钢结构吊装时,采用从中间向南北两端即从东西向的结构最大标高位置向南北向的结构最低标高方向的施工顺序,罩棚钢结构连续长度约为800m,且场内悬挑,罩棚最大宽度64m,最大悬挑47m,结构连续长度大且又为全封闭,同时钢结构罩棚与下部混凝土柱采用支座固定,如果结构整体施工不设置伸缩缝,施工过程中温差变化会对安装精度和结构使用阶段的安全性不利。

  罩棚合龙缝设置在结构南北向的标高最低点,根据计算,该处杆件的应力相对较小,合龙温度控制在20 ~ 25℃ ,结构在安装过程中,产生的初始应力最小。

  4、整体卸载

  支撑拆除过程是一个结构体系转换的过程,结构变形及内力重新分配,支撑胎架的支点反力也会随着卸载方案及卸载顺序不同而发生变化,为了使结构逐渐进入设计受力状态及支撑架在卸载过程中不发生破坏,必须选择合理的卸载顺序及卸载等级,并对卸载阶段结构的安全性进行计算分析。拆撑卸载的原则是:以结构计算为依据,以结构和支撑安全为宗旨,以变形协调为核心,以实时监测为手段。根据这一原则,通过计算确定卸载方法。卸载方法分为等比法和等距法。可采用液压千斤顶、螺旋千斤顶、气垫等实现。

  体育场罩棚钢结构在吊装时,是在每一径向主榀桁架下设置临时支撑胎架支承的空间结构体系,在主体钢结构安装完成,并完成所有的焊接工作,罩棚合龙后,对已经形成的主结构和次结构进行整体同步卸载。支撑架的卸载方式采用分步、分级方式进行。根据有限元软件Midas /Gen 对卸载过程进行仿真分析得知,结构在完全卸载后最大竖向位移为66mm,发生在内环短向端的临时支撑处,内环长向端支撑处的竖向位移相对较小,仅28mm。本工程利用千斤顶采用等距法进行卸载见图7a) ,按照约定的10mm / 次的卸载量,96个千斤顶同时进行卸载。总体同步卸载原则为:统一指挥、分步有序、实时反馈。当千斤顶行程不够时,利用两边固定装置进行转换,重复以上过程,直到桁架底面与千斤顶和两侧固定装置全部脱离,卸载完成见图7b)

图7 整体卸载

图7 整体卸载

  5、施工监测

  施工监测的目的是为了实时跟踪结构施工过程中关键部位的变形、应力变化,以及振动、温度等影响。通过实时收集到信息,判断原有的预期和实际发生的是否一致,以便及时调整,使结构实施的准确性和安全性得到保证。

  变形监测包括轴线和标高监测。轴线监测是观测已施工结构轴线位置相对于预定轴线位置的偏差,使用全站仪进行测量。标高监测是观察结构高度是否达到设计标高,采用精密水准仪进行测量。该体育场顶棚线条流畅,且存在大量的多管相贯节点,因此要求安装精度极高。监测遵循由整体到局部的原则,采用内、外结合控制法,建筑物定位轴线允许偏离理论轴线量为L /20 000 ( L 为定位轴线长,且不应大于3.0mm,纵横向桁架高度允许偏差10mm,跨中垂直度允许偏差为10mm( 相对误差)

  应力监测是施工中非常重要的内容,其目的是掌握施工过程中关键构件应力变化情况。并及时发现问题,采取措施,使关键部位构件应变不超过规定数值,保证结构安全,应力监测部位一般设置在最大应力点、应力变化最大点、施工关键节点和体现环境特征的点。本工程在结构整体卸载过程中,通过分析实测应变数据,与理论数据进行对比发现,两组数据基本吻合,卸载方案安全、合理。

  6、结语

  针对南昌国际中心体育场钢结构工程的大悬挑、大跨度、单向斜撑等结构特点,应用高空分块安装的施工方案合理、高效,比原定工期缩短35d,确保工程质量和施工安全,同时为此类体育场馆的施工提供了一定的参考。

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