霍邱县体育中心是霍邱县“十二五”期间的重点工程, 目前已投入使用, 成为地方标志性建筑, 霍邱县体育中心建筑效果如图1所示。体育馆主结构形式为混凝土框架剪力墙结构+钢屋盖, 地下1层、地上3层, 体育馆屋盖为大跨度空间桁架结构, 双向受力体系、全焊接结构、四面坡, 纵、横向投影近似正方形。桁架横向跨度为78.3m, 纵向跨度为69.6m, 从端部向跨中位置, 高跨比为1/25～1/6, 纵向桁架共12榀, 横向桁架10榀, 在桁架四周均设置双排支座。屋盖钢结构采用Q345钢材, 总重620t。

1) 由于空间桁架体系有双向受力特点, 累积滑移施工采用双滑道单向支撑, 单元拼装线形及结构滑移过程安全性控制难度大。

2) 累积滑移就位后, 实现空间桁架结构从单向受力状态向双向受力状态体系转换的控制难度大。

3) 空间桁架结构支点反力对高差敏感, 实现结构实际支反力与设计支反力相吻合控制难度较大。

为满足累积滑移施工的需要, 设计的滑移体系^[1]包括滑块、滑道、拖拉滑移液压系统及连续千斤顶反力架等, 滑移体系总体布置如图2所示。

依据滑移支撑布置, 在滑移过程中共设置24个滑块, 设计滑块尺寸标准为400mm×400mm×450mm, 如图3所示, 在滑移过程中调整高度与王字形支座配合使用。

结合现场的机械及施工条件, 滑道设计分为2部分: (1) ～ (2) 轴钢滑道和 (2) ～ (13) 轴混凝土滑道。其中 (1) ～ (2) 轴钢滑道由临时支撑架及箱形滑道梁组成, 滑道梁尺寸设计为□500×450×20×25。 (2) ～ (13) 轴利用既有混凝土梁作为滑道。在滑道梁上铺设20mm厚滑道钢板和2mm厚不锈钢板。

为满足牵引制动力的需要, 拖拉滑移液压系统设置1个泵站、1套主控系统和2个100t连续千斤顶, 如图4所示。

滑移工艺采用穿心千斤顶拖拽钢绞线实施, 要求反力架中心线与桁架支座牵引中心线位于同一高度, 保证滑移过程的牵引力处于水平状态, 在 (13) /E～M轴外侧设置2座反力架, 反力架需要满足强度、刚度及稳定性要求, 设计为宽箱形梁截面。

为满足单元节间成型过程的拼装安全和拼装线形要求, 在F, G, H, J, K, L轴节点下方设置格构钢管柱拼装支架, 立管规格为φ140×4.5, 腹杆为φ48×3.5, 材质均为Q235B, 结构顶部放置2根HW200×200×6×8型钢组成操作平台;底部放置4根HW200×200×6×8型钢, 通过预埋板与混凝土结构连接。根据屋架结构榀间标高不同的特点, 将拼装支架分为3种标准段, 长度分别为6 464, 802, 1 836mm, 满足不同标高的调整要求。拼装支架模型如图5所示。

在F, G, H, J, K, L轴节点下方设置起顶支架, 设计为独立柱加斜支撑组合结构, 其中独立柱采用HW390×300×11×19, 支撑钢管为φ140×4.5, 材质均为Q235B, 柱底与下部混凝土柱通过锚板连接。

起顶支架是指钢屋盖结构滑移成型后, 结构在整体落架前, 提前在结构中部放置该支架, 并将标高置于理论标高 (设计成型状态下标高) 处, 在落架过程中, 中部支架起到临时起顶调整结构线形的功能, 指导支座安装施工, 完成结构体系转换。在F, G, H, J, K, L轴节点下方设置起顶支架, 在其顶部布置4个50t机械千斤顶, 经计算分析知, 卸载支架满足安全性要求。

综合考虑大跨度空间桁架结构跨度较大及结构形式复杂的特点, 在满足吊装和滑移过程的稳定性及综合技术经济指标的要求下, 确定结构最小滑移单元及滑移节间数。该结构共划分9个滑移节间, 如图6所示, 每个节间滑移行程为8.7m, 为使滑移单元能够模块化焊接拼装, 对结构中 (2) 轴、 (13) 轴外侧悬挑杆件及部分水平支撑杆件采用后焊的方式处理。

钢屋盖累积滑移^[2]过程共分为9个步骤, 每步中均含起顶、拼装、落架及滑移过程。首节间滑移步骤如图7所示, 依此循环, 完成整个结构的累积滑移过程。

以首节间滑移过程为例阐述滑移工艺。

1) 首节间桁架拼装将首节间每榀纵向桁架分3段, 使用QY100t汽车式起重机吊装各段, 在拼装平台上完成首节间桁架拼装, 并放置支架滑块, 如图8所示。

2) 首节间桁架落架及滑移待首节间桁架拼装完成后, 将拼装支撑点拆除, 完成桁架落架;然后使用穿心千斤顶拖拽钢绞线将桁架自西向东拖拉滑移8.7m, 如图9所示, 首节间滑移完成后的效果如图10所示。

整体异步落架主要包含落架阶段和合龙阶段, 两阶段均为钢屋盖结构体系转换^[3]的关键步骤。落架过程中, 结构体系的刚度及稳定性明显增大, 屋盖结构体系与起顶支架约束一起形成结构系统的一次初始应力, 合龙后经过卸载, 钢屋盖体系再次转换为新自承重体系, 内力状态进行再分配, 最终形成钢屋盖结构真正的初始应力状态, 进而达到合理设计状态。整体异步落架主要施工步骤如下。

1) 割除支座两侧的滑道钢板, 然后在千斤顶下放置钢板垫 (-160mm×200mm×10mm) , 待千斤顶起顶5～8mm, 抽出滑块, 更换为铰支座及钢垫板。

2) 滑块更换顺序为按E, M轴线逐条进行更换, 每条轴线对称更换2个滑块, 方向从 (7) → (2) 轴, (8) → (18) 轴对称更换, 更换后的状态如图11所示。

3) 待安装起顶支架完成后, 放置千斤顶, 标高为0状态位置, 考虑现场合龙温度约5°C, 将起顶支架顶部0状态标高降低10mm。

4) 整体异步落架顺序系统由20个30t薄型千斤顶、10个同步千斤顶组成, 每2个千斤顶和1个移动式液压泵站组成1个同步千斤顶, 通过对支座高差敏感度和单侧多点同步循环落架^[4]频次分析研究可知, 整体落架液压系统进行E, M轴交替单侧整体落架作业, 如图12所示。整体落架总高度需降落290mm, 每次落架高度如表1所示。

5) 采用循环称重法测定各支座支反力, 将支反力调整为设计状态的支反力。

6) 待调整完各支座支反力后, 对支座按由内向外、对称焊接的原则进行焊接。

7) 采用4个50t千斤顶一次性同步卸载中部起顶支架, 为确保结构安全, 在卸载完成千斤顶分离后, 结构应至少静置48h, 对结构变形、应力测量无变化后, 再将起顶支架全部拆除。

空间钢结构由于下部结构施工偏差、安装工艺不同、结构安装偏差、结构相邻支座线刚度大等因素造成支座反力偏差较大。由于缺乏直接测定的手段, 施工中普遍未对支座在永久固定前的反力进行测定, 由此, 发明了循环称重法对支反力进行测定, 弥补现有技术的缺陷。

该支反力测定由液压千斤顶组、高精度液压表、测量尺所组成的称重测定系统实现。 (1) 将液压千斤顶组分别置于待测定钢结构支座组两侧的同步顶升支座组下方; (2) 通过液压千斤顶组对同步顶升支座组进行同高度顶升, 测量尺放置在待测定钢结构支座上, 控制同步顶升支座组的顶升高度, 读取并记录高精度液压表显示值; (3) 通过循环称重测定方法, 采用“2+ (n) +2”称重测定方式, 以闭合测量路线, 实现空间钢结构支座反力的准确测定, 其中n为每次待测定支座组的个数, “2”为失效2个支座反力。

该结构支反力循环称重法具体实施步骤如下 (见图13) 。

1) 选用10个千斤顶, 从南侧起, 同时将20个千斤顶均起顶10mm。

2) 南侧中部支座千斤顶显示的荷载即为支反力, 即取有效支座处反力, 第1步称重布置如图13a所示。

3) 将南侧 (E轴) 10个千斤顶移到西侧 ( (3) 轴) 5个支座, 第2步称重布置如图13b所示, 也分别抬高10mm, 第2步中标框的5个千斤顶显示的荷载即为需要称重的支反力 (单位:t) 。

4) 按步骤2) ～3) , 绕着内侧支座轮换1周, 每次均轮换相邻5个千斤顶, 即可获得所有支座反力, 采取抄垫措施将测量反力调整为设计支反力。

借助有限元分析软件MIDAS/Gen建立钢屋盖三维结构有限元模型, 并定义滑移施工阶段, 其中, 杆件均采用梁单元模拟, 对斜腹杆及屋面水平支撑进行梁端约束释放。边界条件中滑移支座采用仅受压的弹性支座模拟, 支座水平方向设定极小弹性刚度, 目的是限制其可能发生的刚体位移, 避免出现计算不收敛情况。荷载主要考虑结构自重, 包括主结构、檩条及马道总重, 合计620t。

通过对钢结构累积滑移及整体异步落架施工全过程仿真模拟^[5], 得出累积滑移施工、整体异步落架、成型状态差异性、成型反力状态4个方面分析结果如下。

1) 滑移施工过程中, 最大支反力为371kN, 远小于支座设计承载力;杆件最大稳定性应力比为0.81<0.85 (控制应力比) , 满足结构承载力要求;结构系统最大下挠为167mm<L/400=69 600/400=174mm, 位于东西侧边榀桁架跨中, 满足刚度要求^[6]。

2) 整体异步落架过程中, 最大组合强度值184MPa<310MPa (设计要求) , 计算最大稳定应力比0.84<0.85 (设计要求) , 强度及稳定性均满足设计要求, 表明结构在落架过程中安全可靠。中部起顶支架最大起顶力为394.4kN, 是起顶支架设计的依据。

3) 通过对累积滑移完毕后成型与一次成型状态差异性分析, 得出一次成型状态最大组合应力为157.4MPa, 大于累积滑移成型下的最大组合应力为151.1 MPa, 二者相差约4%, 而累积滑移成型状态下竖向位移为167.4mm, 一次成型状态下竖向位移为157.7mm, 两者相差约6%。分析表明:两种成型状态下强度及位移相差不大, 累积滑移成型能满足设计成型要求。

4) 在设计荷载作用下, 结构内排支座均满足设计要求。

考虑钢结构累积滑移和整体异步落架的施工控制技术是一个施工→测量→识别→修正→预测→施工的动态过程^[7]。为保证施工过程的安全性, 需对其进行安全监控。针对屋盖结构的施工特点, 安全监控综合考虑实际施工过程中各关键施工工况, 且不同杆件对应位置的杆件类型及截面存在差异性等因素, 结合仿真模拟结果, 确定关键杆件处需设置应变和位移测点。其中应力监测采用弦式传感器JMZX212AT, 位移监测采用徕卡TS02型全站仪, 具体测点布置分别如图14, 15所示, 应力测点统计如表2所示。

对应力进行监控, 本文仅展示体系转换前和体系转换后的监测结果, 如图16所示。

体系转换前 (整体滑移就位) , 不同应力测点实测值与对应理论值整体变化趋势基本吻合, 仅少数应力测点实测值与理论值差值较大, 实测值为理论值的60%, 分布于 (6) ～ (12) /H～J轴HJ下弦杆, 其他大部分测点实测值为理论值的80%左右。

体系转换后 (内圈支座抄垫完成) , 测点实测值与对应的理论值整体变化趋势基本吻合。其中16号测点为 (7) /G～H轴间下弦杆, 下端受到支撑支架的影响, 起顶点处反力影响较大, 导致该点实测值与理论值偏差较大。

起顶支架各测点的应力监控结果均小于理论值的80%。

落架后测点下挠值理论值与实测值对比如表3所示。

由表3可知, 结构落架后, 各测点竖向实测值与对应理论值整体变化趋势基本吻合, 各测点竖向挠度均<12mm, 且实测值与理论值差值均<7.5mm, 偏差量较小, 说明结构线形控制较好, 能满足设计要求。

针对霍邱县体育中心体育馆四面坡空间桁架屋盖施工, 研发大跨度空间桁架结构累积滑移及整体异步落架施工技术, 通过采用对大跨度空间桁架结构施工全过程仿真模拟、支座反力测定装置及安全监控技术手段, 保障了钢屋盖结构的安全施工, 使结构应力和线形满足合理成型状态要求。该工程成功实施, 并实现了快速施工, 安全、高效。