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轮辐式单层索膜结构体育场的施工技术分析

发布时间:2019年9月16日 点击数:2002

1 工程概况

某体育场局部地下一层, 地上五层。屋面钢结构造型为马鞍型, 采用“轮辐式单层索膜+压环梁+V形柱”的结构形式 (图1) 。V形柱均落在12.000 m标高的混凝土大平台上, 索网之上覆盖大面积的PTFE膜结构。屋盖跨度260 m, 总建筑面积81 000 m2, 建筑总高度为53.87 m。

外压环梁是一个位于马鞍面上的空间梁, 共有40节, 最高点和最低点之间的高差为25 m;下方设置40对V形支撑钢管截面柱, 其均向外侧倾斜, 在与外环梁连接处交汇。

图1 体育场结构示意

图1 体育场结构示意   下载原图

索结构分为内环索、径向索、螺旋索。膜结构由40个膜单元组成, 分别覆盖在膜拱杆上, 展开面积约为33 000 m2。膜四周采用铝型材, 通过不锈钢U型夹与内环索、径向索、压环梁固定连接。

2 施工重、难点分析

2.1 压环梁分段制作精度控制

压环梁连接节点采用法兰连接, 法兰连接板厚80 mm, 材质为Q345C, 用M36高强螺栓连接 (图2) 。工厂制作需保证节点拼装过程中法兰盘定位、焊接变形、整体制作精度满足要求。

图2 压环梁法兰节点

图2 压环梁法兰节点   下载原图

解决措施:

1) 法兰盘钻孔选择高硬度模板进行套钻, 钻孔完成后进行端面机加工及节点两侧法兰连接板试穿孔组装。

2) 设计专用拼装胎架, 首先对法兰盘进行定位, 然后以其为基准进行两侧节点板及钢管构件的拼装, 采用两侧同时对称焊接、加设固定卡门等方法减小节点焊接变形。压环梁节点拼装如图3所示。

图3 压环梁节点拼装

图3 压环梁节点拼装   下载原图

3) 压环梁在工厂内分段预拼装, 每次组装至少5个相连的受压环构件, 通过检验后预留至少3个构件作为下组预拼装的检验基准。

2.2 压环梁安装质量控制

由于本工程采用定长索, 整个索结构没有一处可以进行长度调整。因此在确保压环梁工厂制作精度的情况下, 现场安装精度的控制同样是本项目施工的重点。

解决措施:

1) 压环梁测量定位。压环梁法兰盘径向索膜孔中心由于无法直接测量得到, 将采用橡胶做成与索膜孔径大小相等的工装, 塞进索膜孔内 (图4) , 然后在一侧粘贴反光片作为监测压环梁安装精度的主要控制点, 并在模型中找到其坐标, 实现对压环梁和径向索的定位控制。

2) 安装精度的调整。在压环梁两端设置格构式支撑胎架, 压环梁吊装时, 在吊机不松钩的情况下, 通过人力牵引并结合支撑架上千斤顶, 按测量数据进行就位调整。

3) 环梁闭合累积误差的消除。为避免钢结构安装过程中产生的累积误差、加工制作的精度误差及温度应变等因素对最后一段环梁的安装产生影响, 考虑将最后一段环梁分为两段吊装施工, 分段位置位于法兰连接以外2 500 mm处 (图5) 。

图4 测量工装定位示意

图4 测量工装定位示意   下载原图

图5 环梁闭合分段

图5 环梁闭合分段   下载原图

安装时, 首先将分段1与相邻法兰节点连接;随后吊装分段2, 与另一侧法兰节点连接, 分段1、分段2间焊接连接;通过焊缝调整误差。

4) 环梁合龙措施。现场施工分为4组;分组内部环梁间法兰节点采用高强螺栓拧紧;分组间环梁法兰节点安装过程中不拧紧, 待环梁闭合后再选定合龙时机一次性全部拧紧, 完成结构合龙 (图6) 。

图6 合龙点布置

图6 合龙点布置   下载原图

2.3 V形柱吊装难度大

V形柱均落在12.000 m标高的混凝土大平台上。场内吊装时, 混凝土斜看台已经做好 (限制了部分V形柱在场内的吊装) , 则部分区域无上方净空。V性柱需要斜着推入看台侧面, 施工难度高、风险大。

解决措施:1) 首先将V形柱水平吊装, 越过土建看台后, 下钩将构件水平放置在场外12.000 m标高平台上 (图7) ;2) 场内吊机重新起吊, 通过采用倒链、手拉葫芦及人工进行绳索牵引, 将V形柱调整至安装位置, 再利用三角支撑进行临时固定。

图7 V形柱越过看台吊装示意

图7 V形柱越过看台吊装示意   下载原图

1—环场施工道路;2—加固拼装场地;3—拼装完成起吊;4—水平越过看台土建;5—土建平台;6—平台临时放置。

2.4 Z型密闭定长索下料的精度控制

定长索在施工过程中, 结构的最终位形完全由拉索的长度确定。如果拉索在加工过程中存在误差, 势必造成结构成型后的位形和设计要求的状态有偏差。为了保证结构的最终形态要求, 必须采取可靠有效的措施, 保证拉索的加工精度。

解决措施:

1) 首先进行误差分析, 根据分析结果, 给出拉索加工过程中的误差限值, 同时与设计误差进行对比, 按照要求严格的误差限值进行拉索下料的误差控制。

2) 将捻制好的拉索首先在张拉台上进行预张拉, 并实测拉索的弹性模量。通过预张拉可以使钢绞线结合紧密, 受力均匀, 从而消除拉索受力伸长时的非线性因素。

3) 将拉索张拉至设计要求的制作荷载, 在索体上量取该制作荷载对应的索长, 用符合要求的记号笔工具在索体上做记号, 然后对索体进行切割。对索长的计算除应考虑温度补偿和弹性变形外, 尚应计入索的徐变和锚具的回缩变形影响。

2.5 索网体系在整体张拉提升过程中的稳定性及精度控制

在索系牵引提升的过程中, 不仅索系的位形与设计形状差异非常大, 而且大量拉索处于松弛的大悬垂状态, 因此必须关注拉索松弛状态下结构的几何稳定性。本工程中外环钢梁承受着巨大的压力, 为了保证外环钢梁在拉索安装过程中的稳定性, 需要缓慢而均匀地对其加载, 尽量减少在外环钢梁中产生的弯矩, 这样就对拉索安装的同步性提出了较高的要求。

解决措施:1) 采用非线性动力有限元法对张拉提升施工的全过程进行分析, 掌握施工各关键阶段的结构位形, 确定可能出现结构几何失稳的最不利工况;2) 根据本工程索网特点, 采用低空无应力组装和索网整体张拉提升的施工方法。索网牵引提升应分级牵引上径向工装索, 使各牵引索逐渐向上环梁靠近;牵引过程中索网整体位形与理论分析结果基本相符, 几何稳定, 拉索不出现扭转;主受力的牵引工装索的承载力应具有两倍的安全系数。

3 屋盖结构安装方案

3.1 V形柱及压环梁安装方案

3.1.1 安装思路

选用履带吊场内吊装的方案, 以不同吊机负责吊装区域为界, 在平面上分为A区 ( (16) — (26) 轴) 、B区 ( (瑎6) — (16) 轴) 、C区 ( (36) — (瑎6) 轴) 、D区 ( (26) — (36) 轴) 共4个施工区域。

钢结构安装始于 (16) 轴, 吊机于场内环形施工道路处分顺时针和逆时针方向两个作业面同步开展施工, 首先吊装A、B区构件, 随后进行C、D区构件吊装, 结构闭合于 (36) 轴, 见图8所示。

图8 钢结构安装顺序示意

图8 钢结构安装顺序示意   下载原图

注:A、C区采用3 600 k N场内吊装;B、D区采用6 300 k N场内吊装。

每台履带吊各配备1台500 k N履带吊用于V形柱分段的拼装对接, 1台1 500 k N履带吊用于支撑架分段吊装。V形柱分段安装前, 由1台1 600 k N汽车吊将2台250 k N汽车吊上楼面, 吊装X形连接板、锥管组合单元, 现场配1台800 k N履带吊用于场外平台上料。钢结构安装、拆撑完成后移交作业面供索膜单位施工。

3.1.2 施工要点

1) 支座及柱脚安装。支座及柱脚安装分为两个阶段:预埋组合单元在12.000 m标高混凝土结构施工期间与土建单位交叉配合完成吊装 (图9a) ;柱脚锥管组合单元待土建施工完成, V形柱分段安装前吊装 (图9b) 。

图9 预埋件及柱脚锥管组合单元

图9 预埋件及柱脚锥管组合单元   下载原图

a—预埋组合单元;b—柱脚锥管组合单元。

柱脚节点限位措施。V形柱和环梁焊接成形时, 需要采取措施保证柱脚内耳板处于设计位置, 避免卡死。节点限位措施在屋盖合龙时完成, 结构落架前拆除。屋盖安装过程中柱脚节点限位措施分为以下3类:在V形柱脚节点X形连接板与柱脚铸钢件间加设2道限位钢条, 限制关节轴承内外耳板间上下滑移;在关节轴承铸钢外耳板间设2道挡板防止节点绕轴转动;在过渡锥管安装后加设2根单管支撑, 限制柱脚节点外倾趋势。具体措施详见图10。

图1 0 V形柱脚节点限位措施

图1 0 V形柱脚节点限位措施   下载原图

1—X形连接板;2—单管支撑;3—V形柱锥管;4—铸造钢件挡板;5—限位钢条。

2) V形柱及压环梁安装顺序。柱脚安装完成后, 搭设临时支撑架, 先安装V形柱, 再安装V形柱间的压环梁。

3.2 索网张拉施工方案

3.2.1 安装思路

体育场索网施工总体思路为低空无应力组装、整体牵引提升、高空分批张拉锚固。

根据索网特点, 采用索网整体张拉提升, 端头分批连接固定的施工方案。根据牵引工装索分布, 将索分QYS1、QYS2和QYS3三类, 如图11所示。

图1 1 工装索的分布

图1 1 工装索的分布   下载原图

施工时结构索网和工装索需先在低空组装, 然后QYS1、QYS2、QYS3三类索开始整体同步提升;当低点QYS1索首先提升到位进行固定后, 撤去该位置提升设备, 继续提升QYS2和QYS3;当QYS2提升到位、固定后, 撤去该位置提升设备, 继续提升QYS3。最后QYS3提升到位、固定, 完成体育场索网的施工。

3.2.2 索网组装施工顺序

索网组装施工顺序:拉索展开→铺设环索→铺设径向索→安装环索连接夹具→安装索头→安装牵引设备和工装索→准备牵引提升。

3.2.3 拉索展开和铺设

拉索采用卷盘运输至现场, 为避免拉索展开时索体扭转, 环索采用卧式卷索盘。用吊机将索盘运至环索投影位置, 在放索过程中, 因索盘绕产生的弹性和牵引产生的偏心力, 使索开盘时产生加速, 导致弹开散盘, 易危及工人安全, 因此开盘时应注意防止崩盘。拉索展开后, 应按照索体表面的顺直标线将拉索理顺, 防止索体扭转。

3.2.4 索网提升张拉过程

索网牵引提升施工顺序:搭设操作平台→安装和调试牵引设备 (图12) →初步牵引提升→正式牵引提升→第1批拉索锚固就位→继续牵引提升→第2批拉索锚固就位→继续牵引提升→第3批拉索锚固就位。一切准备工作做完, 且经过系统的、全面的检查确认无误后, 经现场吊装总指挥下达吊装命令后, 可进行液压整体牵引提升。

图1 2 提升操作平台和提升设备工装示意

图1 2 提升操作平台和提升设备工装示意   下载原图

3.2.5 设备卸载、拆除

索网与环梁连接就位后, 牵引提升设备卸载和拆除。启动液压牵引提升系统, 各吊点卸载时也分级卸载, 依次为40%, 60%, 80%, 在确认各部分无异常的情况下, 可继续卸载至100%, 使牵引工装索不再受力。

3.2.6 索网牵引提升和张拉过程空间形态的变化

索网变形监控关键点如图13所示, 监控点基本呈对称布置, 能够对提升过程的变形均匀性进行准确判断。

图1 3 关键点布置

图1 3 关键点布置   下载原图

由关键节点竖向坐标变化可以分析得出 (图14) :在施工过程中, 内环索关键节点竖向坐标总体呈现上升趋势, 各个轴线上的关键点竖向坐标上升幅度大致保持一致。

图1 4 关键节点竖向坐标变化曲线

图1 4 关键节点竖向坐标变化曲线   下载原图

由内环长、短轴长度变化曲线可以分析看出 (图15) :在施工过程中, 内环长轴跨度由144.4 m逐渐增加至155.3 m;短轴跨度由134.2 m逐渐减小至120.6 m, 而后又有略微的增幅, 最后跨度达到121.7 m。

图1 5 内环长短轴长度变化曲线

图1 5 内环长短轴长度变化曲线   下载原图

由内环关键点竖向坐标最大差值可以看出 (图16) :在第2个施工工况下, 内环关键点竖向坐标差值达到5.27 m后, 差值开始略微减小, 至4.44 m后又逐渐增大, 最后达到5.93 m。由此可知, 内环关键节点竖向坐标差值较为稳定, 保持在4.44~5.93 m之间。

图1 6 内环关键点竖向坐标差值

图1 6 内环关键点竖向坐标差值   下载原图

3.2.7 索网牵引提升和张拉过程索力的变化

索力监控点如图17所示, 图中粗线为监控关键索段, 监控点基本呈对称布置, 能够对提升过程中索力的均匀性进行准确判断。

图1 7 索力监控点布置

图1 7 索力监控点布置   下载原图

通过计算数据分析可知, 施工过程各工况部分关键轴索力和各环索索力变化总体呈上升趋势, 在牵引提升的最后一个阶段各轴牵引索索力和环索索力达到了最大值。通过图18、图19可以看出在QYS2提升到位并固定后, QYS1继续提升的阶段 (即第3个阶段) , 各径向牵引索和环索索力增长速度较快。

图1 8 不同工况下各关键牵引索索力

图1 8 不同工况下各关键牵引索索力   下载原图

图1 9 各工况下环索索力

图1 9 各工况下环索索力   下载原图

3.2.8 索张拉过程中各工况下的应力分析

基于ANSYS通用分析软件平台对各个施工步骤进行跟踪, 计算外围钢结构的应力, 为施工方案制定和施工监测提供依据。

结构采用整体同步张拉方案, 施工过程分析工况及牵引索长度如表1所示。

表1 施工过程分析工况及牵引索长度     下载原表

mm

表1 施工过程分析工况及牵引索长度

索网牵引提升和张拉过程中, 各工况下受压外环梁和结构柱最大应力值见图20。

图2 0 索网牵引提升和张拉过程受压环梁应力变化

图2 0 索网牵引提升和张拉过程受压环梁应力变化   下载原图

对于施工过程, 分3个阶段进行应力分析, 结果如下:

在第1阶段 (SG-1—SG-8) , 由于牵引索力较小, 在周边钢结构中产生的应力值维持在较低水平, 各截面应力均未超过40 MPa, 且变化不大;在第2阶段中 (SG-9—SG-11) , 即第1批牵引索已经提升到位, 第2批和第3批牵引索继续提升的过程中, 截面应力值持续增加, 从45 MPa持续增加到93 MPa;在第3阶段中 (SG-12—SG-14) , 即第1批、第2批牵引索已经提升到位, 第3批牵引索继续提升的过程中, 截面应力值保持稳定, 维持在90~100 MPa。

整个施工过程分析工况中 (SG-1—SG-14) , 在钢结构中产生的等效应力值均维持在较低水平, 各截面应力均未超过50 MPa, 且变化不大。

3.2.9 索张拉过程中钢胎架脱架情况分析

为了保证钢结构在拉索张拉过程各工况下及张拉完成时的安全, 需要对拉索张拉过程中的钢胎架脱架情况进行具体分析, 从而确定在拉索张拉过程中各胎架的脱架时机。通过计算分析可知:索网张拉完成与零状态时Z坐标之差均为正值, 因此在索网提升张拉施工过程中, 各轴线处钢支撑胎架会自动脱架。

3.3 膜结构施工方案

3.3.1 施工思路

膜结构分为4个区, 每个区膜面由中间向两侧对称安装。采用一台1 250 k N履带吊将膜捆吊装到安装作业面 (图21) , 由人工进行展开和张拉固定。膜面安装时必须做到当天完成张开、固定、初张拉。索网整体吊装完成及拱杆连接完成后, 膜面施工时总的流水为沿两轴分4组进行膜面的安装。

本工程为索膜结构, 在索网整体吊装完成到位后, 进行上径向索间的拱杆连接, 然后再进行膜面的安装。本工程共有40个膜面单元, 膜结构单元之间以上径向索分界, 属于柔性连接。

图2 1 膜结构安装示意

图2 1 膜结构安装示意   下载原图

3.3.2 膜结构安装工艺顺序

膜结构安装工艺顺序:膜下承力绳网的敷设→膜包吊装就位→膜包长向展开→膜沿拱横向展开→设置膜上防风绳网→周边临时固定→拆除绳网→张拉调整→膜周边固定安装→防水膜安装。

3.3.3 设置膜下承力绳网的敷设

膜面铺设前, 需安装绳网, 作为膜展开时的依托。本工程绳网材料采用6PE钢丝绳。绳网安装时, 纵向每隔3 m拉1道绳带, 绳索两端通过绳索紧绳机与东、西两端膜结构支架紧密相连;横向绳网拉设时, 应在每跨单元内拉设3道绳索, 绳网安装结束后, 通过绳索紧绳机对绳索施加足够的张力, 以避免膜面在牵引过程中与钢结构接触, 造成膜面的损坏或污染。紧绳机外露尖锐部位需用棉布包裹。

3.3.4 膜材吊装就位

根据膜面安装部位找出相同编号的膜包;采用膜吊装专用工装, 用1台1 250 k N履带吊将膜材吊至屋面就位。

3.3.5 膜材展开

根据膜面安装要求, 每隔3~4 m放置一定数量的膜面固定材料以及临时张拉工具。膜面固定材料及临时张拉工具包括:铝合金压条、膜面螺旋夹、白色夹具、灰色夹具以及卸扣、绳索紧绳机、钢丝绳紧绳机, 紧固钳和14尼龙绳。

首先将膜面端部记号找出, 用人力将膜面牵引展开。最后操作工人通过紧绳机牵引膜面, 两侧工人用绳索拉紧灰色夹具, 抖动膜面, 辅助膜面的牵引。在牵引时应有专人统一指挥, 且牵引过程的速度要一致, 保证膜布水平向前展开。膜布展开时, 要随时检查膜布的外观质量, 当发现因制作引起的破损、钩丝及污迹时, 要及时处理。

3.3.6 安装防风绳网

当膜布牵引工作结束后, 为防止风的作用造成膜面的损坏, 应立即安装反绳网, 反绳网拉设时纵向每隔4 m张拉1道。

3.3.7 膜材的张拉与固定

调整膜布周边, 使膜布中心位置与安装中心位置相一致, 然后进行膜布周边固定工作。膜面固定时, 先用紧线机拉紧膜的四角, 使膜角尽量接近固定位置, 再进行膜边的固定。施工当天, 必须对膜面施加足够的张力, 保证膜面具备一定的应力水平, 在风、雨、雪等气候条件下不发生破坏。

展开工作结束后应立刻用事先布置好的紧线机和专用夹具将膜边临时固定在径向索上, 以防止风的作用造成膜面的损坏。张拉时一边固定一边再张拉, 待膜面张拉力超出紧线机的张拉能力后 (距离安装位置50 cm时) , 立即用螺杆调节工具予以替换。

3.3.8 防水膜安装

两块膜面张拉结束后, 要进行膜之间防水膜的安装。施工时膜布一定要保证平直, 无皱折。

4 结束语

本项目钢结构V形柱及压力环采用大型履带吊场内外分节分段吊装;拉索采用低空无应力组装、整体牵引提升、高空分批张拉锚固的方法进行施工;膜结构由履带吊将膜捆吊装到安装作业面, 由人工进行展开和张拉固定。

对拉索施工阶段对钢结构产生的影响进行了计算模拟分析。结果表明:在拉索施工过程各工况中 (SG-1—SG-14) , 钢结构中产生的等效应力值均维持在较低水平, 各截面应力均未超过50 MPa, 且变化不大, 符合结构设计要求。

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