某体育中心钢结构工程施工技术.docx
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某体育中心钢结构工程施工技术
靖江市体育中心钢结构工程施工技术
摘要:
通过靖江市体育中心钢结构工程,系统介绍其4个结构单元的结构形式和施工总体思路,详细分析体育馆张弦桁架张拉施工、平台和游泳馆网架提升施工中的关键技术,同时也较全面地说明了施工过程中有限元仿真分析的重要性及其在本工程中应用,可为类似工程提供借鉴和参考。
关键词:
网架结构;张弦桁架;累积提升;仿真分析
1工程背景
靖江市体育中心位于靖江市滨江新城,总规划用地面积22hm2,总建筑面积95000m2,是集体育馆、游泳馆、室外平台及配套用房为一体的综合性公共建筑,如图1所示。
1-游泳馆;2-配套用房;3-平台;4-体育馆
图1结构三维轴测
体育馆钢结构主要由6榀张弦桁架和屋面钢梁组成,如图2所示。
结构顶标高约25.000m,单榀桁架长74.2m,高2.3~4.4m,宽2.4m,质量约42t。
a-张弦桁架;b-次桁架;c-体育馆钢结构;
d-屋面钢架;e-屋面支撑
图2体育馆钢结构分解示意
平台钢结构连接体育馆和游泳馆,由以螺栓球为主的双层网架和4根菱形格构柱组成,如图3所示。
网架矢高3m,上、下弦高差4.6m,整体呈弯扭状,结构顶标高约25.000m。
a-平台钢结构;b-网架结构;c-格构柱
图3平台钢结构分解示意
a-游泳馆钢结构;b-网架结构;c-格构柱
图4游泳馆钢结构分解示意
游泳馆钢结构由屋面网架结构和14根格构柱组成,如图4所示。
其中网架结构由一榀面积约为6200m2的水平网架和一榀面积约920m2的倾斜网架连接而成;网架顶标高约21.000m,矢高2~3.3m不等,以螺栓球节点为主;网架底部共50个支座,其中置于格构柱柱顶14个,混凝土柱柱顶36个。
配套用房钢结构主要为屋面H型钢梁和角钢支撑,如图5所示。
结构顶标高约21.000m;由于钢梁跨度较大,其最大截面高度为1000mm。
a-配套用房结构;b-钢梁结构
图5配套用房钢结构分解
2施工总体思路
本工程钢结构由4个结构单元组成,它们之间相互独立,可以单独施工。
2.1体育馆
体育馆张弦桁架安装时,因场地限制,将张弦桁架从中间分成两段,采用地面拼装、空中对接的施工方案,跨中搭设支撑架,如图6所示;周边钢梁采用汽车吊分段吊装方式施工,如图7所示。
张弦桁架的预应力施工在6榀桁架及周边钢梁安装完成后进行。
图6体育馆张弦桁架施工示意
图7体育馆钢梁施工示意
2.2平台
根据吊机的起吊能力,平台格构柱分为两段,采用地面拼装,分段吊装施工,如图8所示;网架结构采用地面拼装、整体提升的施工技术,如图9所示。
该方法可以在地面进行檩条安装及油漆喷涂,避免高空作业。
图8平台格构柱施工示意
图9平台网架施工示意
2.3游泳馆
游泳馆格构柱的施工同平台格构柱。
游泳馆网架结构的施工,综合考虑现场场地条件和网架结构特点以及经济方面因素,采用部分提升和部分原位拼装的施工方法。
如图10所示,游泳馆网架钢结构总体施工分为3个施工区域,区域1采用累积提升法,区域2采用整体提升法,区域3采用脚手架原位拼装法。
总体施工顺序为先累积提升区域1,再整体提升区域2,区域3与前两个区域施工同时进行,待区域1和区域2提升安装完毕,最后拆除区域3脚手架。
1-区域1;2-区域2;3-区域3
图10游泳馆网架施工分区示意
如图11所示,区域1因AC网架分块和BD网架分块标高不同,且CD网架分块下有混凝土看台,故采用累积提升施工,即首先提升A网架分块到一定标高,与B网架分块对接后,一起提升AB网架分块;然后,对接C网架分块后,再一起提升ABC网架分块;最后,对接D网架分块后,一起提升ABCD网架到设计标高。
图11区域1网架累积提升示意
2.4配套用房
配套用房钢结构主要为截面较大的H型钢梁,安装时采用汽车吊及塔吊进行吊装。
因跨度较大,且配套用房一侧连接游泳馆,只能从两侧吊装;考虑塔吊的吊重及汽车吊的作业半径,将跨度较大的钢梁进行分段,并搭设圆管支撑进行施工,如图12所示。
图12配套用房钢结构施工示意
3施工关键技术
3.1张弦桁架施工[1]
体育馆共有6榀张弦桁架,各桁架之间通过次桁架、圆管支撑及十字撑连接,如图13所示。
1-次桁架;2-圆管支撑;3-十字支撑
注:
①-⑥为构件编号。
图13体育馆张弦桁架平面布置
对于群索结构,一般均不可能对所有拉索同时同步施加预应力,通常采取分批分级的办法来实现。
拉索分批分级张拉会因张拉先后顺序和张拉力级别的不同,导致群索之间的索力相互影响较大。
批数少、同批根数多,则先后张拉批之间的索力相互影响小、张拉工期短,但需要投入较多的张拉机具和人员;批数多、同批根数少,存在先后张拉批的索力相互影响的问题。
因此,需要根据本工程的特点,在先后张拉索力相互影响、张拉机具和人员以及工期之间,寻求合理的张拉方案。
考虑多方面因素对比及有限元分析结果,本工程采用分阶段、分批、按一定顺序张拉的方案,其张拉顺序依次为:
①-⑥-⑤-②-③-④。
拉索张拉控制采用双控原则:
控制索力和变形,其中以控制索力为主,控制竖向变形为辅。
控制索力通过控制张拉油泵实现,图14为张拉设备及施工方式。
桁架的变形控制通过在张拉过程中用全站仪监测,监测点为桁架的四分点,如图15所示。
图14体育馆张弦桁架张拉设备
图15体育馆张弦桁架监测点平面
3.2网架提升施工
3.2.1提升架[2]
平台网架和游泳馆网架均采用提升施工技术,在提升过程中,需搭设提升架放置提升器。
提升架的设置需遵循以下原则:
1)提升架的强度及稳定性满足提升力的需求;2)提升架的设置需保证在提升过程及补装杆件过程中,不与提升结构及补装杆件干涉;3)提升架定位要精确,以防提升时钢绞线倾角对提升架产生较大的水平力,导致提升结构产生较大的水平位移。
平台网架提升共设置了4个提升架,分别置于4个菱形格构柱顶,每个提升架有2个提升吊点。
因提升吊点位置选择需保证各提升吊点反力相差不可过大,经有限元分析得到提升吊点位置相对比较固定,同时需考虑提升架避免与提升结构和补装杆件的干涉,使得提升架的设置很困难;平台提升架采用在格构柱顶悬挑出钢梁、在悬挑钢梁上设置提升架的方式,如图16所示。
图16平台提升架形式
游泳馆提升架主要有两种,一种设置于混凝土柱顶或格构柱顶,提升架顶部钢梁为箱型截面,立柱及侧向支撑为H型钢,如图17所示。
另一种为设置于区域1网架中间部位,该提升架采用对三角格构式形式,如图18所示,该对三角格构式提升架中间三角区域无腹杆,可以将吊点设置于该三角区域中,与工程中常规使用的门式提升架相比,具有受力性能好、用钢量小、经济性好、对施工影响小等优点[3]。
图17游泳馆柱顶提升架形式
a-整体形式;b-单元形式
1-腹杆;2-立杆
图18对三角格构式提升架形式
3.2.2提升吊点
提升吊点可以选择结构原有的焊接球节点,但很多情况下结构原有焊接球不适合做提升吊点,如焊接球节点距离提升架太远、钢绞线与主体结构干涉等。
本工程提升吊点由3根提升吊杆和1个提升吊球连接而成,其中2根提升吊杆与网架上弦球相连,1根与网架下弦球相连,使得其形成一个锥形的四面体形状,如图19所示;该吊点设置方式可以将提升力较均匀的传递到附近的节点上,大大减少了因提升力的集中而需增加补强或替换杆件的数量。
1-提升吊球;2-提升吊杆
图19提升吊点形式
提升吊球为焊接球,其与提升器通过钢绞线和地锚连接在一起,其连接方式主要有以下两种:
当焊接球上部没有焊接空间时,在焊接球中部开设圆孔,钢丝绳通过圆孔穿过焊接球,在焊接球下部焊接肋板固定地锚,如图20所示;当焊接球上部有焊接空间时,采用图21所示箱型构造,在箱型中部焊接一块肋板固定地锚[4]。
图20穿孔式吊点连接
图21箱型吊点连接
提升器设置在提升架顶部的提升钢梁上,提升钢梁为箱型截面。
根据提升器在提升梁上的相对位置,钢梁承载提升器的方式有两种,如图22所示。
a-提升器设于梁端;b-提升器设于梁中
1-开孔补强板;2-钢绞线孔
图22提升梁承载方式
3.2.3累积提升
游泳馆是以螺栓球为主的网架结构,区域1采用了累积提升施工技术,在累积提升过程中,需进行相邻单元的对接。
因螺栓球孔位是固定的,可调性较小,在提升过程中,对接两块结构单元间的相对位移必须进行严格控制,〗以防对接杆件的安装由于偏差过大无法进行。
对相邻结构单元相对位移的控制,可在有限元模拟中根据提升吊点数量及位置进行控制,若控制比较困难,也可用焊接球节点代替部分螺栓球节点。
3.3有限元分析
钢结构施工过程中,往往需要依据有限元计算提供的数据来进行施工方案的选择和临时措施的设计。
同时结构原设计方法是以一次成型的整体结构为研究对象,施加结构荷载进行计算;而结构的实际成型过程是从局部到整体,通过各施工阶段累积而成,每个施工阶段,都有其阶段的边界条件和荷载条件,结构均处于平衡状态,当打破平衡继续施工时,通过结构的位移协调和内力重分布形成一个新的平衡,结构最终成型的结果是施工阶段逐步累积而成的[5]。
由此可见,两者有较大的差距,因而对施工过程进行有限元分析至关重要。
本工程通过有限元分析,主要解决以下问题[6]:
1)对张弦桁架进行找形控制,确定拉索张拉预应力大小。
2)分析6榀张弦桁架拉索张拉的相互影响,确定张拉顺序。
3)分析不同提升条件下各提升吊点反力大小及结构变形,确定提升吊点的个数及位置。
4)分析网架提升过程中,结构构件的应力大小,需保证杆件处于弹性状态,应力比不超标;对于应力比无法满足要求的杆件需进行替换或者补强。
5)分析杆件附加应力大小,即施工过程完成后杆件应力与原设计状态一次成形应力的差值;确保杆件附加应力比与原设计应力比之和在合理范围之内,如过大,应进行替换或者补强。
6)分析施工过程中结构的变形,包括相邻施工单元之间的变形及结构的整体变形,确保安装精度及施工的顺利进行。
7)分析施工过程中部分杆件的应力和节点变形,为实际施工过程中数据的监测提供依据。
8)为支撑架、提升架等临时措施的设计提供基础数据。
4结语
通过靖江市体育中心钢结构工程,系统介绍了其4个结构单元的结构形式和施工的总体思路,详细分析了体育馆张弦桁架预应力张拉施工关键技术,平台和游泳馆网架提升施工中提升架、提升吊点的设置原则和具体形式,以及螺栓球网架累积提升施工中的技术要点,同时也较全面地介绍了有限元仿真分析在工程中应用。
参考文献:
[1]娄峰,陈德磊,范晓伟,等.广州花都体育馆大跨球面网壳体内预应力钢结构施工技术[J].施工技术,2010,39(S):
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[3]邢遵胜,徐德号,刘中华.成都新世纪环球中心对三角形格构式提升架的设计和应用[J].施工技术,2012,41(7):
90-94.
[4]GB50661-2011钢结构焊接规范[S].
[5]北京金土木软件技术有限公司,中国建筑标准设计研究院.SAP2000中文版使用指南[M].北京:
人民交通出版社,2012.
[6]邢遵胜,刘中华,徐德号,等.成都新世纪环球中心中央游艺区钢结构屋盖施工过程仿真分析[J].施工技术,2012,41(7):
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