郁政华
1. 同济大学土木工程学院 上海 200092;2. 上海市机械施工集团有限公司 上海 200072
安徽省广播电影电视局新中心(下称新中心)项目位于合肥市政务文化新区天鹅湖南侧,北至祁门路、西至笔架山路、南临龙图路、东至星光西路。项目占地面积约163 005 m2,总建面积约349 422.58 m2。新中心屋盖钢结构分3 个独立屋盖,118~123轴的舞台区屋盖(屋盖1),采用空间交叉桁架结构,下弦标高35.7 m,上弦最高处位于1F轴,标高43.5 m,桁架最大高度6 m。上弦沿南北向单向找坡5%。支承在118轴柱列、1/1B柱列、2/1J轴柱列和123轴台口桁架上,为四边支承结构,跨度46.8 m×60 m。123~131轴的观众厅及入口大厅屋盖(屋盖2)采用空间交叉桁架结构,四边支承,跨度46.8 m×45 m。2 000 m2演播厅屋盖(屋盖3),采用平面桁架结构,跨度37 m×54 m。钢结构总吨位数达4 000 t左右。本文以屋盖1为例,重点介绍空间交叉桁架体系施工技术。
图1 屋盖1三维模型
屋盖1(图1)为平面桁架正交。46.8 m跨度向桁架弦杆截面最大达HW450 mm×417 mm×30 mm×50 mm,质量为35 t;60 m跨度向桁架弦杆截面最大为HW350 mm×350 mm×16 mm×19 mm,质量为30 t。
其施工难点在于正交桁架弦杆截面柔弱,整跨吊装会导致平面外失稳。空间交叉桁架体系在没完全形成体系前,单跨受力的桁架难以满足设计应力应变的要求。必须采取临时加固措施。
针对以上屋盖的结构特点,对边桁架采用“大跨度平面桁架临时加固、分段安装”的施工技术路线;对屋盖正上方空间交叉桁架采用“钢屋盖分条节间综合施工,采用跨中设置临时支撑控制结构应力应变”的施工技术路线。
由于结构边桁架截面柔弱,单跨吊装,无论是46.8 m跨度向还是60 m跨度向均存在平面外失稳的问题,因此针对以上技术难点,采取了平面桁架分段吊装,并对桁架上弦面进行临时加固。桁架安装到位后,通过增设侧向临时加固措施,确保构件的临时稳定。
屋盖正上方空间交叉桁架,通过将相邻60 m跨向桁架两两组合,分条整体吊装,大大增加了整体刚度,不但解决了桁架单片吊装侧向失稳的难题,也大大减少了桁架的高空焊接工作量,质量和进度均能有效控制。
屋盖1分段如图2所示:
屋盖一桁架中边桁架分段质量约20 t,桁架分条外包尺寸为6 m×6 m×60 m,质量约75 t。结构安装采用1 台6 000 kN履带吊、1 台行走式C7052塔吊分别布置于结构南北两侧跨外节间综合安装。桁架分条在跨外拼装,采用6 000 kN履带吊主副臂超起工况整体吊装到位。施工平面布置如图3所示。
图2 屋盖1分段平面意
图3 施工平面布置
屋盖一钢结构自118轴~123轴顺次进行安装。安装总体流程如下:
边桁架分段安装→桁架分条1整榀安装→安装桁架间联系次杆→边桁架分段安装→桁架分条2整榀安装→安装桁架间联系次杆→…→123轴边桁架分段安装→安装桁架间联系次杆→临时支撑卸载。
针对以上施工流程,采用有限元软件Madis/Gen对屋盖1进行全过程施工仿真分析。施工工况如图4所示。
空间交叉桁架体系在没完全形成结构体系前,结构应力应变无法满足设计要求。因此,在施工过程中,针对分条桁架1~分条桁架4,在跨中设置临时支撑增强结构整体刚度。以上工况1至工况4均在跨中竖向约束状态下模拟。工况5表述为屋盖1施工完成,结构卸载完成。
图4 屋盖1施工工况示意
各工况应力及应变通过有限元施工模拟分析[1],结果显示,随施工的进展,结构最大应力从18 MPa增大到37 MPa,最大变形从5.64 mm增大到14.3 mm。
采用以上工况施工,结构在施工过程及卸载完成后,应力及应变均能满足设计要求。
边桁架采用大型施工机械跨外分段安装。由于边桁架弦杆截面小,构件比较柔弱,在结构施工过程中,需重点解决构件平面外失稳及侧向稳定问题。
4.1.1 构件吊装过程中的平面外失稳解决措施
为解决边桁架吊装过程中的平面外失稳问题,通过临时加固上弦杆,增加组合截面弱轴的回转半径予以解决。
如图5所示,在桁架上弦牛腿上增设20#槽钢来加强上弦杆。
4.1.2 构件安装到位后的侧向稳定解决措施
边桁架分段安装到位后,靠近支座单侧上弦增设斜撑与平台梁连接固定。斜撑采用双拼20#槽钢,如图6所示。
屋盖正上方桁架采用大型履带吊跨外分条整体安装。桁架分条整体刚度较好,满足构件在起吊过程中的应力应变要求。
但是,由于空间交叉结构体系在没有完全形成前,结构在施工工程中,应力应变无法满足设计要求,因此,需在60 m跨桁架分条跨中设置临时支撑,控制结构施工工程中的应力及变形。
图5 边桁架平面外失稳的加固措施
图6 边桁架的侧向稳定措施
屋盖1正下方为舞台设备基坑、车转台仓库。临时支撑采用3 m×3 m三角格构架,立杆采用Φ609 mm×14 mm钢管,斜腹杆采用双拼20a#槽钢。临时支撑最大竖向高度达53.5 m,临时支撑立面布置如图7、图8所示。
格构柱组合截面参数为:
A=67 519 mm2,ix=iy=1 242;A1=45 012 mm2;N=140 t×2=280 t。
Ψ=N/A1=62.2 MPa,满足设计要求。
λ=l0/ix=53 500/1 242=43<150。
l0取最大高度53 500 mm,支撑长细比满足要求。查表得ψ=0.877,N/(ψA1)=71 MPa,满足设计稳定要求。
屋盖1施工完成后,根据施工模拟分析,结构从两边往中间卸载时,应力应变最小。临时支撑对称卸载,卸载方法采用氧乙炔微量分步割除上节点连接板。卸载过程中,进行桁架跨中下挠值的观测。
图7 60 m跨度方向临时支撑布置
图8 46.8 m跨度方向临时支撑布置
通过对安徽广电新中心空间交叉桁架体系施工技术的研究,对空间交叉桁架体系结构的特点有了更深入的了解。针对以上结构形式,总结和应用的施工工艺有很多,比如“高空散装法”“整体提升法”“分片分条施工法”等。本文重点介绍了“分条法”施工以及施工工程中需解决的构件平面外刚度问题、侧向稳定问题以及空间交叉结构体系未形成前的支撑设置方法,对类似的结构施工具有很好的借鉴价值。