大跨度屋盖振动舒适度分析及管桁架结构施工技术研究*

刘卫东,侯 博,林建华,周 茜,张志伟

(北京城建八建设发展有限责任公司,北京 102218)

0 引言

空间结构[1]的特点不仅表现在三维受力,而且其可通过曲面形体有效抵抗外荷载的作用。跨度越大,空间结构越能展现其优越的技术经济性能。大跨钢结构的优点为自重小,经济性好;刚度好,抗震性能好;便于工业化生产;形式多样化,造型美观;建筑、结构和使用功能统一等[2-3]。

常见大跨屋盖刚性空间结构形式有薄壳结构、空间网格结构、立体桁架结构[4-5]。目前,我国钢管桁架结构越来越受重视[6],其是由钢管通过焊接有机连接而成。空间管桁架结构是在网壳结构和网架结构基础上发展起来的,通常为三角形截面,稳定性好,在工程中应用广泛[7-8]。

1 工程概况

行政综合楼等7项工程位于北京市昌平区某校园内,总建筑面积63 279m2,总用钢量8 092t,结构安全等级为一级。其中风雨操场地下1层为蓝球馆,层面为操场,如图1所示。屋盖兼具运动功能,采用空间钢桁架结构,平面投影轮廓为椭圆形,保证操场运动人员的舒适性及屋盖下空间不受干扰是建筑的主要功能指标。风雨操场屋盖管桁架采用地面散拼、单榀整体吊装施工方法。本文通过大跨度倒三角空间管桁架共振及施工技术的分析、监测,确保工程施工质量达到舒适性功能指标和设计要求,并总结出大跨度屋盖空间管桁架结构综合施工技术。

图1 风雨操场效果Fig.1 Effect of wind and rain playground

2 风雨操场共振技术分析

2.1 风雨操场屋盖结构体系

风雨操场屋盖结构为管桁架结构,桁架跨度36m、高度2.115m,单榀最重桁架重约43t,安装高度为5.55m,桁架上弦中心线最大标高4.920m。桁架杆件均为圆管,截面为φ180×10～φ450×28。外圈封边为热轧H型钢梁,规格有HN400×200×8×12,HM440×300×11×18,HN300×150×6×9。

钢屋盖主要由13榀主桁架、2榀弧形桁架、次桁架、马道、外圈钢梁、摇摆柱组成,结构模型如图2所示。桁架两端通过抗震球形支座支承于混凝土柱顶,如图3所示。屋盖外围为摇摆柱,上方有270mm厚建筑做法,如图4所示。通过设置抗震支座、摇摆柱、270mm厚建筑做法提高结构消能减震能力。

图2 风雨操场结构分解模型Fig.2 Structure decomposition model of wind and rain playground

图3 抗震球形支座Fig.3 Seismic spherical support

图4 270mm厚建筑做法Fig.4 270mm thick building method

2.2 共振技术分析

根据建筑功能需要,体育馆屋顶作为学校风雨操场,需铺设270mm厚建筑做法,属于重型屋面,设计时进行结构找坡,减轻屋面荷载。由于结构为大跨度桁架上人屋盖,屋盖竖向振动频率在3.0Hz左右,人步行频率为1.5～3.2Hz,因此人员在大跨度桁架屋盖上活动时易引起共振,需进行共振深化设计计算。

首先通过TEKLA建立钢结构模型,然后导入MIDAS形成整体计算模型,采用MIDAS进行有限元分析计算,如图5所示。分别分析水平地震作用下的结构位移、静力荷载作用下的结构位移、结构屈曲稳定验算、屋盖舒适性响应、运动对屋盖下空间的影响等。由于大跨度屋盖结构刚度较小,低阶固有频率偏低,结构对振动扰动较敏感,需验算楼盖结构竖向自振频率及其在人行激励下的竖向加速度。

图5 整体计算模型Fig.5 Overall computational model

1)自振频率

通过MIDAS对添加混凝土材料后的整体模型进行特征值分析,振型数设为6个,计算结果如图6所示,结构竖向自振频率为4.2Hz,大于3.2Hz,初步判断不会发生共振。

图6 特征值分析结果Fig.6 Results of the eigenvalue analysis

2)工况1：人群自由行走

为保证上人屋面使用舒适度,屋盖在行走激励荷载下进行结构振动舒适度验算。风雨操场总面积为3 800m2,参考HCM2000《美国道路通行能力手册》,单位面积人数为0.3～0.5人时,活动人处于准自由状态,当单位面积人数在0.5～0.8人时,活动人处于正常步数受限制状态。计算时按0.8人/m2考虑,操场上总人数为3 040人。输入时程曲线,如图7所示。

图7 自由行走时程曲线Fig.7 Time-history curve of free-walking

规范要求竖向自振频率f≤2Hz时,加速度限值为0.22m/s2;竖向自振频率f≥4Hz时,加速度限值为 0.15m/s2;当2Hz

图8 屋盖中央处竖向加速度曲线(工况1)Fig.8 Vertical acceleration curve at the center of the roof(condition 1)

图9 屋盖2/3处竖向加速度曲线Fig.9 Vertical acceleration curve at two-thirds of the roof

3)工况2：人群有节奏竖向振动

为保证上人屋面使用舒适度,屋盖还需进行人群有节奏竖向振动舒适度验算。参考HCM2000《美国道路通行能力手册》,当有节奏性行走时,计算时按0.5人/m2考虑,操场上总人数为1 900人。输入时程曲线,如图10所示。

图10 有节奏竖向振动时程曲线Fig.10 Time-history curve of rhythmic vertical vibration

屋盖中央处竖向加速度曲线如图11所示。风雨操场中央处结构竖向最大加速度为 0.150m/s2,满足规范要求。

图11 屋盖中央处竖向加速度曲线(工况2)Fig.11 Vertical acceleration curve at the center of the roof(condition 2)

模拟分析计算表明,结构竖向自振频率为4.2Hz,2种工况条件下风雨操场屋盖中央处结构竖向最大加速度满足规范及舒适度要求,说明在270mm厚建筑做法、摇摆柱及抗震支座的作用下,结构不会发生共振,2种工况产生的振动不会对屋盖下的空间造成干扰。

3 大跨度倒三角空间管桁架侧拼

3.1 拼装胎架设计

采用侧拼方式进行倒三角管桁架拼装。拼装胎架由混凝土基础、型钢组成,如图12所示。每组胎架设置2个混凝土基础,高度600mm,基础上放置1根HW300×300×10×12型钢;上弦杆一侧设置立杆及短牛腿,1根弦杆放置在H型钢上,1根弦杆由短牛腿支撑固定,材料为[20;下弦杆由[20支承,槽钢位置根据下弦圆管不同平面位置放样确定。每榀桁架共设置8组胎架,采用25t汽车式起重机进行拼装,拼装过程中对拼装精度进行把控及复核。

图12 拼装胎架剖面Fig.12 Cross section of assembly bed-jig

3.2 拼装胎架精度控制措施

为保证构件地面拼装质量,现场主要从4方面进行控制。

1)拼装胎架设置完成后、开始进行拼装前,对胎架总长度、宽度、高度等进行全方位测量校正,对杆件搁置位置建立控制网格,对各点空间位置进行测量放线,设置好杆件放置限位块。

2)拼装过程中对杆件逐一进行测量定位。

3)每个吊装单元拼装完成后采用全站仪进行全方位检测、校核以确保与设计相符。

4)胎架在完成1次拼装后,必须对其尺寸进行全方位检测、复核,符合要求后方可进行下一次拼装。

3.3 弦杆拼装措施

桁架拼装时,先吊装桁架上、下弦杆,根据胎架底线及分段定位线进行定位。先在桁架主管端部焊接耳板,作为对接时的临时固定,对接后将耳板割除磨平。桁架上、下弦杆钢管间对接时,在钢管内部设置内衬管,钢管段就位后,把紧对接器,将主管间固定,如图13所示。

图13 桁架弦杆对接示意Fig.13 Connection of truss chords

3.4 桁架拼装验收

每榀桁架在地面拼装完成后,均应进行验收,验收合格后方可进行吊装作业。验收内容主要为桁架拼装精度、焊缝质量。实体拼装精度应符合GB 50205—2020《钢结构工程施工质量验收标准》要求。焊缝应经第三方进行无损探伤。

4 大跨度倒三角空间管桁架吊装

4.1 桁架吊点设置

桁架整榀吊装,设置4个吊点,吊点在上弦杆与腹杆相贯节点处对称布置,如图14所示。

图14 吊点布置Fig.14 Hanging point layout

4.2 桁架临时稳定措施

桁架为倒三角,吊装就位后仅有两端下弦杆与支座连接,不稳定,无法松钩。采用I20作为临时支撑,从地面撑住桁架2个上弦杆,确保结构稳定,如图15所示。待桁架间次桁架安装到位,形成整体后方可拆除临时杆件。

图15 桁架吊装就位临时稳定措施Fig.15 Temporary stability measures for truss hoisting and placing in place

4.3 次桁架安装措施

主桁架吊装就位后,需及时将主桁架间次桁架安装到位。次桁架采用塔式起重机辅助吊装,必要时也可采用汽车式起重机进行吊装。若次桁架拼装后的重量超过塔式起重机起重能力,则需采取散件拼装方法安装。如图16所示,制作由∟100×6,∟40×3 组成的吊框,吊框放置在桁架上弦杆上,人员进入吊框内进行安装、焊接操作。

图16 吊框示意Fig.16 The hanging frame

4.4 桁架起拱

由于风雨操场屋盖最大跨度达36m,施工放样前需进行预起拱,经计算后确定屋面中心起拱量为50mm,其他节点起拱量按屋盖中心起拱量与屋盖支撑柱(不起拱)进行线性插值确定。

4.5 安全防护措施

在桁架上弦杆设置安全立杆,采用φ48×3.0钢管焊接在桁架弦杆上,拉设2道水平安全绳。桁架下弦杆上部铺设水平安全网,根据施工进度调整铺设范围,确保覆盖作业面。

4.6 吊装流程

吊装前先进行钢丝绳选型与计算、地基承载力验算。满足要求后方可进行吊装,吊装流程如下。

1)采用500t汽车式起重机从北侧开始吊装。首先吊装主桁架,吊装就位后采用工字钢支承上弦杆,临时稳定后松钩,如图17a所示。采用同样方法吊装第2榀主桁架并临时固定。

图17 吊装流程Fig.17 Hoisting process

2)采用塔式起重机和汽车式起重机将2榀主桁架间次桁架逐步安装到位,次桁架采用散拼方式安装,先安装下弦杆,再安装上弦杆,最后安装腹杆,如图17b所示。

3)采用同样方法将北侧剩余主桁架及次桁架依次安装到位,连接形成整体,如图17c所示。

4)汽车式起重机南移,逐步吊装主桁架、次桁架。采用25t起重机在北侧开始吊装摇摆柱,采用塔式起重机安装马道构件,如图17d所示。

5)采用汽车式起重机将南侧剩余主桁架及次桁架安装到位。逐步吊装摇摆柱,并从北侧开始吊装摇摆柱与桁架间钢梁,如图17e所示。

6)采用25t汽车式起重机及塔式起重机逐步安装剩余的摇摆柱及钢梁等构件,至整体安装完成,如图17f所示。

5 大跨度倒三角空间管桁架监测

5.1 桁架拼装测量

在桁架拼装过程中,通过全站仪测出桁架控制点三维坐标,并按点号记录,如图18所示。将测得的数据输入计算机,绘制实测坐标线模图,将实体线模图与设计线模图通过平移、转动等方法最大限度地进行拟合,使实体线模与理论模型尽量重合,最后不重合的差值为工厂制作误差。

图18 桁架拼装测量Fig.18 Truss assembly measurement

5.2 桁架安装测量

桁架均为倒三角且部分为弧形,下弦杆高度不同,测量难度大。桁架空间定位精度直接影响主桁架就位精度、主次桁架交接点对接精度,直观反映在对接点错口严重、焊缝过宽等现象,因此控制好桁架安装定位精度是本工程的重点。桁架支座处安装时需与设计坐标及深化坐标对比,确保精度。提取深化模型中关键控制点三维坐标,采用全站仪进行现场复核监控,如图19所示。

图19 桁架安装测量Fig.19 Truss installation measurement

5.3 测量精度保证措施

1)仪器设备的检校及复测、验线 所有进入施工现场的测量仪器均需进行计量检定,且每月进行自检,确保其处于受控状态。各基准控制点、轴线、标高等进行2次以上精测,以误差最小为准。验线与放线的人员、仪器和测量方法需分开,验线精度需高于放线精度。

2)提高施工测量精度的措施 主要措施为选择与钢结构施工要求相适应的施工控制网等级。结合误差分析理论和类似工程经验,平面控制网按一级导线精度布设,高程控制网按三等准精度布设。

3)安装误差消除措施 钢结构安装误差通常来源于构件在吊装过程中因自重产生的变形、因日照温差造成的缩胀变形、因焊接产生的收缩变形。若不采取措施减小、消除累积误差,会产生严重的质量隐患。消除安装误差,应从安装工艺和施工测控两方面采取措施：①由于细长钢构件较多,构件抵抗变形的刚度较弱,会在自重影响下发生不同程度变形。因此,构件在运输、倒运、安装过程中,应采取保护措施,如合理布设吊点,局部采取加强抵抗变形措施等,以减小因自重产生的变形。②由于日照温差、焊接会使细长杆件在长度方向产生伸缩变形,从而影响安装精度。因此,在上一单元安装结束后,通过观测其变形规律,结合具体变形条件,总结其变形量和变形方向,在下一构件定位测控时,对其定位轴线实施反向预偏,即节点定位实施反三维空间变形,以消除安装误差的累积。

5.4 风雨操场竖向自振频率监测

施工完成后,通过监测仪器对风雨操场钢结构屋面竖向自振频率进行现场监测。依据有限元模拟分析结果,分别在钢屋盖上部面层正中间、北侧中间、南侧中间位置布置测点,监测其在地脉动工况下及人在屋盖上行走工况下的竖向自振频率(见图20,21)。

图20 地脉动工况下竖向振动加速度时程曲线及自振频率Fig.20 Vertical vibration acceleration time-historycurve and natural vibration frequency under the condition of pulse working

图21 人在屋盖上行走工况下竖向振动加速度时程曲线及自振频率Fig.21 Vertical vibration acceleration time-historycurve and natural vibration frequency under the condition of people walking on the roof

由表1可知,风雨操场竖向自振频率为3.9Hz>3.2Hz, 说明采用大跨度倒三角空间管桁架综合施工技术,保证了风雨操场结构的安全和舒适性。

表1 竖向自振频率监测结果Table 1 Results of the vertical natural vibration frequency monitoring

6 结语

本文对风雨操场屋盖结构进行共振技术分析,研究了大跨度倒三角空间管桁架测量、拼装及吊装技术,主要结论如下。

1)深化阶段共振技术分析结果表明,屋盖结构竖向自振频率及在不同荷载作用下的最大加速度满足规范要求。

2)采用侧拼方式进行大跨度倒三角空间管桁架拼装,拼装胎架由混凝土基础、型钢组成。通过焊接耳板、设置内衬管等措施拼装弦杆。

3)采用汽车式起重机进行大跨度倒三角空间管桁架安装,通过放置吊框、预起拱、铺设安全网等措施保证安装质量与安全。

4)通过提取深化模型中三维坐标,将实体线模图与设计线模图进行对比,采用全站仪进行现场复核等测量措施,保证了加工、安装过程的质量和安全。

5)现场监测结果表明,风雨操场竖向自振频率为3.9Hz,采用大跨度倒三角空间管桁架施工技术,可保证风雨操场结构安全和舒适性。