基于有限元模擬分析的綜合體育館鋼屋架滑移施工技術(shù)

卜繼斌

（廣州珠江建設(shè)發(fā)展有限公司 廣州510075）

0 引言

對于場館類項(xiàng)目，屋蓋結(jié)構(gòu)一般是造型最為復(fù)雜的部分，對施工吊運(yùn)及安裝的要求較高，鋼屋蓋結(jié)構(gòu)常用的施工方法有整體提升法［1］，累積滑移法［2-4］，不少學(xué)者在大型鋼結(jié)構(gòu)受力體系方面進(jìn)行了深入的研究［5-8］，本文旨在對滑移法施工時(shí)所遇到的施工空間狹小、支撐荷載過大等問題提出相應(yīng)的解決方案，以供類似工程的施工參考和借鑒。

1 工程概況

本項(xiàng)目綜合體育館由體育館、游泳館和綜合訓(xùn)練館組成，主體結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土框架/框架剪力墻結(jié)構(gòu)，外圍布置有一圈鋼框架建筑造型，場館間采用連接構(gòu)架連通。體育館主體結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土框架/框架剪力墻結(jié)構(gòu)；體育館的比賽館及熱身館上部屋架為鋼桁架結(jié)構(gòu)，由鋼管相貫連接形成的平面桁架正交而成；比賽館屋面鋼桁架投影尺寸為88.8 m×79.6 m，桁架高度最高4.4 m，支承在標(biāo)高23.2 m、24.1 m 的支座上；桁架弦桿截面規(guī)格φ402×16，腹桿截面規(guī)格φ203×8、φ402×16、φ402×18；熱身館屋面鋼桁架投影尺寸43.2 m×39.6 m，桁架高度2.3 m，桁架弦桿截面規(guī)格φ299×12，腹桿截面規(guī)格φ168×8、φ402×18。其中，體育館屋面桁架軸測圖如圖1所示。

圖1 體育館屋面鋼桁架軸測圖Fig.1 The Axonometric Drawing of Gymnasium Roof Steel Truss

2 施工重難點(diǎn)分析及措施

體育館上部屋架為跨度達(dá)88.8 m 的鋼桁架體系，支承在標(biāo)高22.6 m土建結(jié)構(gòu)上，桁架下方存在看臺(tái)，采用分段吊裝時(shí)，場內(nèi)拼裝區(qū)域隨施工進(jìn)度逐漸減小，施工難度逐漸增大，結(jié)構(gòu)分階段卸載時(shí)，支撐架荷載較大。

體育館鋼桁架采用滑移方案，桁架采用2 臺(tái)280 t履帶吊在場外進(jìn)行分段吊裝，場內(nèi)搭設(shè)支撐架和腳手架施工平臺(tái)，結(jié)構(gòu)采用累積滑移施工，然后整體卸載。解決了現(xiàn)場施工空間隨施工進(jìn)度減小、支撐架荷載過大的問題，同時(shí)采用的累計(jì)滑移施工技術(shù)具有減少安全隱患、縮短工期、質(zhì)量可靠的優(yōu)點(diǎn)。

3 施工過程仿真分析

綜合體育館桁架共12 榀，桁架施工為10 次滑移和1次原位吊裝?，F(xiàn)場設(shè)置3條滑移軌道，軌道位于2軸、7 軸和13 軸，邊跨滑移軌道下方設(shè)置軌道梁H550×350×20×30，軌道梁設(shè)置在屋面層小短柱側(cè)，施工時(shí)在小短柱側(cè)預(yù)埋埋板，然后焊接軌道梁（梁頂標(biāo)高23.2 m），軌道梁材質(zhì)為Q345B，滑移軌道下方設(shè)置10榀支撐架，支撐架之間采用小桁架進(jìn)行連接。

3.1 邊界條件

首榀滑移單元約束DX、DY（垂直軌道方向的微小的彈性約束）和DZ，其余鋼柱約束DZ；桁架與桁架之間的連桿、桁架上方的檁條釋放梁端約束。首榀桁架滑移狀態(tài)和最終狀態(tài)如圖2、圖3所示。

圖2 首榀桁架滑移狀態(tài)Fig.2 The First Sliding State

圖3 最終狀態(tài)Fig.3 The Final State

3.2 累積滑移施工過程分析

桁架滑移過程中，考慮自重DL，荷載組合形式采用標(biāo)準(zhǔn)組合（1.0DL）以及基本組合（1.3DL）。通過Midas-Gen［9］有限元軟件分析每一榀滑移單元在拼裝及卸載過程中的各向位移及應(yīng)力，其具體數(shù)值如表1～表3和圖4所示。

表1 滑移單元回頂各向位移及應(yīng)力Tab.1 Displacement and Stress of Sliding Element

表2 安裝、拆卸結(jié)構(gòu)支座各向位移及應(yīng)力Tab.2 Displacement and Stress in Each Direction of Installation and Disassembly of Structural Support

表3 各狀態(tài)最大位移、最大應(yīng)力Tab.3 Maximum Displacement and Stress in Each State

圖4 Z向位移及應(yīng)力圖（Z向位移最大處）Fig.4 Z-direction Displacement Diagram（The Maximum Displacement in Z Direction）

滑移過程中豎向變形較小，支撐架卸載后桁架變形與一次成型誤差為1.6%＜12%，結(jié)構(gòu)變形合理?；七^程、卸載過程（非胎架位置）和一次成型的桿件應(yīng)力誤差為6.3%＜12%，胎架位置處桿件的應(yīng)力為179.9 N/mm2＜305.0 N/mm2，桿件安全不需換桿，結(jié)構(gòu)受力滿足要求。

4 施工流程

4.1 滑移單元拼裝

現(xiàn)場施工時(shí)，構(gòu)件在拼裝區(qū)域搭設(shè)拼裝工裝進(jìn)行桁架拼裝，如圖5所示。預(yù)拼裝時(shí)，整體桁架的跨中預(yù)起拱75 mm，拼裝機(jī)械為25 t履帶吊，桁架拼裝順序?yàn)閺囊粋?cè)向另一側(cè)進(jìn)行，拼裝后的焊接是從中間向兩邊進(jìn)行［10］。

圖5 桁架拼裝完成Fig.5 The Truss Assembly Completed

將結(jié)構(gòu)的外輪廓線和軸向投影線用墨斗線彈在已硬化的拼裝場地上，安裝拼裝胎架?拼裝滑移單元一桁架上弦桿?拼裝滑移單元?桁架下弦桿?拼裝滑移單元一桁架部分腹桿?拼裝滑移單元一桁架剩余部分腹桿?滑移單元一桁架拼裝完成。

4.2 分段吊裝

單榀桁架分為3段，如圖6所示，采用2臺(tái)280 t履帶吊（塔式，33 m+42 m+75°）吊裝，桁架單元支撐在支撐架上，桁架施工順序?yàn)閺闹虚g向兩邊進(jìn)行吊裝，采用2臺(tái)25 t汽車吊進(jìn)行主、次桁架拼裝。

圖6 桁架分段Fig.6 Truss Segment

4.3 滑移施工總體思路

現(xiàn)場施工時(shí)，在Ⅱ-B軸～Ⅱ-D軸搭設(shè)腳手架施工平臺(tái)（只上人），平臺(tái)尺寸為14.95 m×79.50 m，作為主桁架之間的次桁架和連接桿件的施工平臺(tái)。跨中設(shè)置1條通長滑移軌道，軌道落在支撐胎架上部，滑移軌道布置如圖7所示。

滑移區(qū)域施工時(shí)，Ⅱ-B～Ⅱ-P 滑移方向?yàn)椋孩?B?I-P。II-B～I(xiàn)I-P共12榀桁架，分為10次滑移單元和1次原位吊裝單元，如圖8所示。

4.4 滑移施工工藝流程

步驟一：土建交付工作面，鋼結(jié)構(gòu)埋件隨土建施工進(jìn)行，進(jìn)場2臺(tái)25 t汽車吊拼裝桁架。

圖7 滑移軌道布置Fig.7 The Layout of Sliding Track

圖8 滑移單元分塊示意圖Fig.8 The Block Diagram of Slip Unit

步驟二：采用90 汽車吊安裝Ⅱ-2、Ⅱ-13 軌道梁H550×350×20×30、安裝Ⅱ-2、Ⅱ-13 滑移軌道（軌道鋼），以及配合人工安裝跨中支撐架和支撐架上方的軌道梁H500×350×20×30和滑移軌道。

步驟三：25 t汽車吊配合人工安裝腳手架施工平臺(tái)。

步驟四：進(jìn)場2 臺(tái)280 t 履帶吊（塔式）組裝，吊裝Ⅱ-P軸第一桁架單元以及吊裝Ⅱ-M軸兩端的第二桁架單元。

步驟五：吊裝Ⅱ-P 和Ⅱ-M 軸第一吊裝單元中間的次桁架，以及吊裝跨中Ⅱ-P 和Ⅱ-M 軸第二吊裝單元的主、次桁架。

步驟六：吊裝Ⅱ-P和Ⅱ-M軸第三吊裝單元，滑移單元一拼裝完成。

步驟七：安裝頂推器，并使頂推器加載20%、40%、60%、80%和90%，準(zhǔn)確無誤后進(jìn)行滑移。

步驟八：首榀桁架滑移以及安裝Ⅱ-L 軸線桁架以及頂推滑移單元一和滑移單元二。

步驟九：繼續(xù)拼裝和頂推（Ⅱ-P～I(xiàn)I-G）滑移單元和拼裝和頂推（Ⅱ-G～Ⅱ-C）滑移單元，原位吊裝桁架Ⅱ-B和Ⅱ-B與Ⅱ-C之間的次桁架。

步驟十：桁架就位后卸載，90 t 汽車吊配合人工拆除支撐架、腳手架和軌道梁，安裝體育館鋼架構(gòu)。

步驟十一：體育館Ⅱ-A～Ⅱ-P軸鋼結(jié)構(gòu)施工完成。

體育館屋面桁架最終效果如圖9所示。

圖9 最終效果Fig.9 The Final Renderings

5 總結(jié)

滑移施工可以較少支撐架體量、平臺(tái)移動(dòng)快速、施工措施成本低、大大縮短工期，具有良好的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益。本文分別對綜合體育館鋼結(jié)構(gòu)的累計(jì)滑移、拆卸支座進(jìn)行了有限元分析，并統(tǒng)計(jì)了各個(gè)階段鋼結(jié)構(gòu)的各向位移以及應(yīng)力，分析了滑移施工技術(shù)過程中的狀態(tài)，確保了滑移施工技術(shù)的安全應(yīng)用。