非对称大跨度桁架拼装分析与卸载控制实例

林　飞，谢伟树

(1.连江县城市建设发展有限公司，福建 福州 350500;2.福建农林大学 交通与土木工程学院，福建 福州 350002)



非对称大跨度桁架拼装分析与卸载控制实例

林飞1，谢伟树2

(1.连江县城市建设发展有限公司，福建 福州 350500;2.福建农林大学 交通与土木工程学院，福建 福州 350002)

某体育馆屋盖为非对称大跨度桁架结构，经研究采用两侧分段吊装施工方案。为确保顺利施工与精确控制，做好拼装节段的应力变形分析与卸载控制是关键。通过midas/civil软件分别对吊装节段、临时竖撑进行了应力和变形分析，并制定了卸载方案及施工监控措施。结果表明：安装过程中结构构件受力均安全可靠，变形满足规范要求，取得了良好的技术经济效果，可供同类工程参考。

大跨度；非对称桁架；分段吊装；拼装；卸荷

1　工程概况

连江县体育公园，位于福建省福州市连江县江南新城，其主体建筑之一的综合馆，是全国第一届青年运动会比赛场馆之一，福州市重点建设项目，建成后的体育公园将成为连江县的新地标性建筑。该综合馆地上3层，地下1层，总建筑面积为21 653.7 m2，其中地下4 891.5 m2，地上16 762.2 m2，建筑总高度22.15 m。主体采用钢筋混凝土框架结构，屋盖为非对称钢管桁架结构，钢材Q345B，最大跨度65.2 m，其建筑剖面如图1所示。

图1　综合馆剖面图

钢管桁架屋盖平面尺寸为120.1 m×81 m，由14榀倒三角主桁架组成，桁架上弦杆为Φ203×12～Φ273×12钢管，下弦杆为Φ351×12～Φ402×24钢管，腹杆为Φ114×4～Φ180×10钢管。主桁架之间由Φ140×4.5～Φ203×12钢管联系杆连成一体，如图2所示。

图2　钢管桁架屋盖透视图

2　拼装与卸载施工方案

2.1主桁架吊装拼接方案

根据现场条件，场馆的南北两侧可作为吊装施工作业场地，同时由于综合馆下部为地下室，且场馆内有看台及楼层结构，场馆内不宜布置施工吊装机械，故将场馆的南北两侧作为主桁架拼装场地，场馆内部作为其他构件的堆放、拼装场地。采用履带式起重机进行分段外吊装，施工方案为：将主桁架分为三个节段，各节段在地面拼装完成后，采用履带起重机在场馆外侧直接吊装，吊装顺序为第一段→第二段→第三段，其中在第二、第三段桁架对接处设置钢结构临时竖撑，如图3所示。待吊装就位并校准无误后焊接拼装为一体[1-3]。

第一节段重约120 kN，吊机可直接靠近吊装(吊机在右侧)；第二节段桁架重约100 kN，吊臂的工作半径约为32 m(吊机在右侧)；第三段桁架重约180 kN，吊臂的工作半径约为42 m(吊机在左侧)。据此选用型号CC2000履带式起重机，该吊机主臂长度78 m，当工作半径为32 m时，吊重为300 kN；当工作半径为42 m时，吊重为199 kN。均满足吊装技术要求，且经济合理。

2.2主桁架卸载方案

卸载是指在三个节段拼接完成，且相关准备工作就绪后，逐步拆除第二段与第三段主桁架对接处的临时竖撑，实现结构体系转换。其主要技术及工艺如下[4-5]：

(1)在临时竖撑顶部定位胎架处，设置由20a工字钢制作的转换胎架，如图4所示。

(2)在转换胎架顶部安装2个螺旋调节千斤顶，其中一个为支撑千斤顶，另一个为置换千斤顶(防止千斤顶行程不足)。当千斤顶与桁架下弦顶紧后，将支撑顶部的桁架定位胎架割除，然后通过千斤顶实现逐级卸载和结构体系转换，如图5所示。

图3　主桁架分段吊装拼接图

为使卸载时结构体系转换平稳，采用分级卸荷方式。首先通过有限元分析，求出每榀桁架在卸载控制点处自然挠度值，进而根据安装高程求出每个卸载控制点的卸载总位移，然后按照每次下挠值不超过10 mm实施等步降法卸荷[6]。

为了控制卸载速度和同步性，由指挥吹哨进行卸载操作，指挥吹哨后，工人按照哨声指令同步进行卸载操作，每卸载一轮后，均进行标高测量，发现偏差及时调整。待重新得到卸载指令后，方可开始下一轮卸载操作。

图4　顶部转换胎架

图5　定位胎架割除

3　施工应力变形分析

3.1节段应力变形分析

根据施工方案，主桁架分为3个节段进行吊装。为确保各节段吊装施工安全和工程质量，采用midas/civil有限元软件对各节段分别进行建模，分析各节段吊装就位时的应力和变形[7-8]。因ZHJ7主桁架跨度最大，故选择ZHJ7主桁架的3个节段进行分析。分析时，考虑到动力系数及模型建立过程中未考虑的吊装耳板、螺栓等重量，取自重荷载增大系数为1.1[9]。

经建模分析，3个节段吊装就位时应力和变形均完全满足要求，具体结果见表1。

表1　节段吊装就位时应力和变形

由表1可见，ZHJ7主桁架各节段吊装就位时的应力应变，均是第三节段的最大，其桁架腹杆的最大拉应力为9.4 MPa，最大压应力为8.3 MPa；桁架弦杆的最大拉应力为12.4 MPa，最大压应力为11.9 MPa，均远小于钢材的强度设计值[10]。第三节段的悬臂端部上弦杆和腹杆的变形最大，达2.6 mm，明显小于规范限值，即圆管钢桁架构件安装允许变形值10 mm[6]。

3.2竖撑应力变形分析

临时竖撑选用某公司专用产品，由若干标准节通过法兰连接而成，钢材Q235，标准节尺寸为1m×1m×1.5m(高)，标准节主肢为φ89×4钢管，安全承载力为450 kN(图6)。此外，该标准节易于拆卸，运输极为方便。

图6　竖撑标准节

由第二、三节段受力分析可知：它们作用在竖撑塔架上的竖向力分别为64.1 kN、90.6 kN，合力154.7 kN，小于安全承载力。同样采用midas/civil有限元软件对竖撑塔架进行建模，分析其在竖向力及横向风荷载标准值(1.87 kPa)[9]作用下的应力和变形。

经计算，临时竖撑的最大压应力为154.1 MPa，最大拉应力为105.3 MPa，均小于钢材的设计强度[10]，满足要求；计算的最大变形值为19.6 mm，小于规范允许值 (塔架高度H的1/400～1/600，即41.7～62.5 mm)[11]，满足要求。

4　施工监测

4.1主桁架安装监测

首先做好激光控制点位布设，并建立测量工作面。激光控制点位布设，系根据土建测放的建筑轴线，利用直角坐标法，选定若干激光控制点，并在相关位置做好标记。为保证测量仪器架设时的稳定性及测量精度，需在空间桁架上架设测量平台，建立测量工作面。

主桁架安装监测主要做好以下工作[4-5]：

(1)线形控制。考虑到三角钢管桁架仅一条下弦杆，便于直线度控制，本工程以主桁架的下弦杆进行线形控制，以此为基准控制整个桁架线形。

(2)垂直度控制。在线形控制基础上，采用平移法对主桁架的垂直度进行控制。

(3)标高控制。在胎架承重稳定后即可进行。在地面上架设水准仪，后视水准基点，采用钢尺配S3水准仪，将设计标高传送至胎架上，作为标高控制点位。

(4)变形控制。对主桁架成为独立承重结构前后的控制点标高进行测量，掌控主桁架的变形情况。

4.2主桁架卸载挠度监测

首先按照±0.000标高线，每榀桁架在卸载前分别取三个点进行标高测量，即H、G、E轴与桁架交叉节点的标高(图1)，并作记录；然后在卸载完成后，再次对上述控制点标高进行测量，并作记录。根据前后两次的测量记录，即可计算桁架下挠值，结果见表2。

表2　桁架卸载挠度监测值表

由表2可知，H轴控制点安装标高与设计标高最大偏差为+6 mm、-16 mm，G轴控制点安装标高与设计标高最大偏差为+9 mm、-10 mm，E轴控制点安装标高与设计标高最大偏差为+3 mm、-17 mm，均在规范允许值(±22 mm)[6]范围内，符合要求。H轴控制点卸载挠度最大值为57 mm，G轴控制点卸载挠度最大值为81 mm，E轴控制点卸载挠度最大值为67 mm， 均小于设计允许值180 mm，完全符合设计要求。

5　结语

(1)大跨度钢结构的安装施工，需针对工程结构特点和环境条件，因地制宜地制定技术方案，这是施工顺利实施的根本保证。开展必要的应力变形分析，以及施工测量监控，直接关系到工程质量和施工安全、进度、成本。

(2)连江县体育公园综合馆钢结构屋盖属于非对称大跨度桁架，所制定的两侧分段吊装施工方案，符合结构特点和施工现场条件，所选起重机械不仅较好地满足吊装技术要求，而且经济合理。通过midas/civil软件对吊装节段、临时竖撑进行建模分析，结构构件受力安全可靠，变形满足规范要求。制定的卸载方案及施工监控措施，有力地保障了吊装施工方案的顺利实施，主桁架的线形、垂直度、标高以及卸载挠度等均符合有关规范和设计要求。

(3)连江县体育公园综合馆是全国首届青运会的武术套路比赛场馆，在赶工期施工条件下，能提前竣工验收交付使用，而且被评为市优质工程项目，并符合创省优工程条件，关键在于对非对称大跨度屋盖桁架的吊装施工技术进行了充分研究与论证。

[1]翁凯.大跨度钢管桁架结构的施工技术研究[D].天津：天津大学，2012.

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[3]周观根，张贵弟，朱 乾，等.大连国际会议中心钢结构工程施工关键技术[J].建筑钢结构进展，2012(5)：53-58.

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[7]袁浩.广州市城市规划展览中心工程钢桁架施工过程仿真分析[D].广州：华南理工大学，2012.

[8]周水兴，王小松，田维锋，等.桥梁结构电算-有限元分析方法及其在MIDAS/Civil中的应用[M].北京：人民交通出版社，2013.

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[11]公路桥涵设计通用规范：JTG D60-2004[S].

Case study on assembling analysis and unloading control of asymmetric large-span trusses

LIN Fei1，XIE Wei-shu2

(1.LianjiangUrbanConstructionDevelopmentCo.,LTD，Fuzhou350500,China;2.FujianAgricultureandForestryUniversity,Fuzhou350002,China)

A stadium roof with asymmetric large-span truss structure adopted both side’s segmental hoisting construction scheme.In order to ensure the smooth construction and precise control,the stress and deformation analysis and unloading control are the key to the assembly section.The stress and deformation analysis of hoisting and temporary vertical support were carried out by midas/civil software, and the unloading plan and construction control measures were worked out.The results show that the structural members are safe and reliable in the process of installation,and the deformation meets the requirements of the specification,and has achieved good technical and economic results,which can be referenced by similar engineering.

large-span;asymmetric truss;segmental hoisting;assembly;unloading

2016-06-23

国家自然科学基金项目(51308121)

林飞(1977—)，男，福建福清人，工程师。

1674-7046(2016)05-0029-06

10.14140/j.cnki.hncjxb.2016.05.006

TU745.2

A