本工程为入海口附近的桥上无轴式摩天轮, 为世界上首次采用编织网格形式的摩天轮 (见图1) 。轮盘外圆直径125m, 内圆直径90m, 非同心圆, 建成后将是世界上直径最大的无轴式摩天轮, 也将是“轮桥合一”形式综合体的最高摩天轮。

该摩天轮轮盘由外圆2道弦杆、内圆1道弦杆及之间的网格钢管填充而成。两端支座为龙骨式多点支撑。为保证面外稳定性, 在3个高度共设12根预应力拉索。钢结构总重约4 485t, 主体材质为Q345D。

本工程摩天轮结构形式新颖, 建筑高度大, 尤其是轮盘断面上大下小, 结构上重下轻, 同时考虑施工现场条件不利环境因素, 为保证摩天轮安全、顺利建成, 对临时结构进行设计分析, 并重点考虑风荷载的分析计算。

本工程摩天轮未合龙前会产生复杂的应力和变形, 增加施工风险和施工难度, 因此, 为满足安装精度和保证安装质量, 应对临时支撑体系进行设计, 并对施工过程进行仿真分析。

因钢材施工快捷、成本低、质量较易保证, 临时结构通常采用钢材。本工程临时结构的主要功能是支撑摩天轮、定位杆件和作为操作平台。采用钢结构加工规格统一、易于安装、质量可靠, 施工完成后, 材料可回收利用, 降低施工成本。

临时结构应选择经济、合理、传力简捷、易于现场施工的结构形式。对于大型复杂的永久结构, 在临时结构设计初期, 通常还需进行方案比选, 确定合适的结构形式。结构布置应根据体系特征、荷载分布情况及性质等综合确定, 宜刚度均匀、力学模型清晰。

本工程在3种临时结构形式 (见图2) 中进行优选, 同时考虑施工顺序和便捷性。

1) 方案1利用支撑架承重, 落地式脚手架作为操作平台, 该方案在施工过程中对摩天轮的支撑较少, 杆件定位精度不易控制。

2) 方案2利用支撑架承重, 提升脚手架作为操作平台, 由于摩天轮上重下轻, 该方案需较强的动力提升系统, 且提升过程稳定性不易控制。

3) 方案3分段拼装, 格构式支撑不仅起到弦杆定位的作用, 保证安装精度, 而且对未合龙的结构起到支撑作用, 减小累计变形, 保证后续拼装精度。支撑架为施工电梯和附着式塔式起重机提供支撑, 实现多用途化, 提高利用率。

方案3施工精度容易控制、安装风险最小、技术成熟、施工简便, 因此本工程采用将支撑架作为拼装胎架的临时结构形式进行施工。

考虑杆件定位和安装精度, 临时结构选择刚度较大的结构形式, 支撑架长120.2m、宽22.7m、高138m。

支撑架由竖向支撑、横向支撑、纵向支撑、斜支撑和缆风绳组成 (见图3) , 材质Q345B。主受力支撑为格构式, 受力合理, 工厂加工成标准单元便于现场快速拼装。24道缆风绳沿轴线对称布置于支撑架44, 80, 116m 3个高度。

考虑对杆件的支撑和定位作用、施工方便性及在安全的前提下降低临时结构的造价, 对临时支撑格构柱优化设计, 包括结构形式、剪刀撑位置、局部加强和杆件截面形式等。

节点设计是钢结构设计的重要内容之一, 结构分析前应确定节点形式, 正确模拟。本工程支撑架杆件之间为焊接连接, 竖向支撑应避免在纵、横支撑交接处连接, 以减少热影响区重叠。

临时结构可单独建立模型, 只需考虑永久结构传递来的荷载, 进行分析验算。但对于形式复杂的结构, 为更好地分析永久结构和临时结构之间的相互作用, 通常建立整体模型, 共同受荷, 分析验算。本工程建立摩天轮和支撑体系的整体模型, 采用MIDAS/Gen软件进行结构分析, 杆件均采用梁单元模拟。

整体模型的约束要按照施工时的实际情况考虑, 本工程摩天轮约束按设计采用的约束考虑, 支撑架根据柱脚设计, 取三向水平约束。永久结构和临时结构的连接可在满足要求的前提下适当简化, 本工程使用较大截面的杆件代替千斤顶, 模拟连接。

在临时结构设计的荷载分析中, 应考虑施工过程相较于结构使用寿命的短时性, 如基本风压由于设计年限不同而取值不同;施工过程中可能出现永久结构设计时没有考虑的荷载, 如塔式起重机附着等。本工程在整体建模的基础上, 取结构自重系数-1.2;活荷载2.0kN/m² (操作平台) ;基本风压0.4kN/m²;温度±30℃;施工电梯每隔10m在支撑架上附着1道, 每道水平荷载38.6kN;塔式起重机在支撑架上附着4道, 设备方提供各道附着点反力。需要说明的是, 潍坊地区设计年限为10年的基本风压为0.3kN/m², 但考虑结构高度较大、工程重要性、地处入海口等环境条件异常复杂, 对风荷载较敏感, 同时为更好地控制安装精度, 本工程仍取设计年限为50年的基本风压0.4kN/m²。

软件运行后应对输出结果进行判断, 可修改模型重新计算, 也可按结构的重要程度和施工周期等因素修正计算结果。

对于一些较柔的高层建筑, 风荷载是结构设计的控制因素。随着建筑物高度的增加, 风荷载的影响逐渐增大。高层建筑中除地震作用的水平力外, 主要的侧向荷载为风荷载, 在荷载组合时起控制作用。本工程永久结构和临时结构均为钢结构, 支撑架高138m, 工程处于入海口附近, 对风荷载较敏感, 在结构分析时应重点计算风荷载。

本工程临时支撑架结构的风荷载标准值计算时, 基本风压和风压高度变化系数按照GB50009—2012《建筑结构荷载规范》 (以下简称“荷载规范”) 查表可得。风振系数可按照高层建筑的形式按荷载规范相应公式进行计算。

体型系数应按荷载规范表8.3.1选取。本工程为格构式柱和纵横梁, 前后2榀。如不考虑格构形式, 支撑架类似于敞开式脚手架模式, 在JGJ130—2011《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》中规定可按照荷载规范表8.3.1的桁架形式计算体型系数。如仅考虑单独的格构柱, 又类似于起重机模式, 在GB/T3811—2008《起重机设计规范》中体型系数的计算类似于荷载规范的桁架形式, 因此, 本工程临时支撑架结构按照桁架形式计算体型系数。

本文按照2种方法计算体型系数, 支撑架的外轮廓面积为总面积, 不同之处在于挡风面积的计算和桁架榀数: (1) 方法1将格构柱考虑成1根杆件, 格构柱的外轮廓面积为挡风面积, 整个支撑架考虑为2榀桁架; (2) 方法2将每根杆件的面积汇总为挡风面积, 整个支撑架考虑为4榀桁架。2种方法计算的体型系数如表1所示, 差别不大, 方法1没有考虑格构柱的镂空, 计算结果偏大, 方法2中4榀桁架并非等间距, 综合考虑, 本工程采用方法2的计算结果。

本工程摩天轮的风荷载体型系数按照单根杆件1.3考虑, 如支撑架也按此方法考虑体型系数, 计算出的整体风荷载结果偏大。而对于临时结构, 在满足安全性的前提下还需考虑经济性, 实际上永久结构和临时结构整体建模分析时, 应按联合体的体型系数考虑, 鉴于本工程结构形式复杂, 本文在这方面并未做进一步研究。为利用永久结构基础, 支撑架两端内收, 如图3所示, 因此支撑架迎风面并非一个平面, 本文近似按平面考虑并加载。

临时结构的设计首先应满足安全性, 同时也应兼顾经济性、适用性和施工可操作性。综合考虑实际情况和施工周期等各因素, 优选合适的结构形式, 合理确定荷载作用和组合, 正确模拟进行设计分析, 做出合适的工程判断。本文以某摩天轮工程为例, 阐述了临时结构的设计步骤。鉴于本工程的重要性, 在实际施工过程中应加强监控, 根据现场情况, 必要时调整临时结构布置, 进行过程仿真分析。

较柔的高层结构对风荷载较敏感, 设计时应重点分析。本文在考虑临时结构的风荷载时, 分析比较了体型系数的计算, 并进行一定简化, 能为同类结构的风荷载体型系数计算提供一定参考。