贵州兴义市体育中心游泳馆工程位于黔西南布依族苗族自治州兴义市兴义大道, 总建筑面积约120 000m², 游泳馆地下1层, 地上3层, 建筑高度39m。游泳馆屋盖为倾斜拱形管桁架+销轴树杈支撑的双曲面半椭圆形结构 (见图1) , 总长147.69m, 宽110.1m, 高39m, 最大跨度63.4m。由于单榀桁架呈倾斜拱形结构, 且拱形管桁架为销轴连接的树杈支撑, 如何保证安装尺寸的准确性是施工难点。

首先确定钢结构施工部署, 南、北方向各设1个拼装场地, 北面场地及地下车库作为钢结构拼装场地, 该场馆使用2台350t履带式起重机 (2号和3号) , 起重机主臂长48m, 副臂长66m, 南、北两侧布置, 由中间向两边进行吊装, 需要4台汽车式起重机配合施工。2号履带式起重机运送至游泳馆与网球馆中间场地, 进行安装后使用, 3号履带式起重机行走道路为原土结构, 履带式起重机进场施工前再使用碎石铺设1层并夯实, 如图2所示。

首先, 确定游泳馆钢结构构件分布位置 (见图3) , 确定原则为便于Tekla软件BIM管理和MIDAS Gen有限元软件数值分析模拟, 便于施工组织和流水作业。

其次, 确定施工顺序如下:①安装临时支撑胎架;②主桁架拼装;③桁架高空对接、树杈支撑及巨柱;④卸载支撑胎架。施工顺序如图4所示。

通过上述安装方法安装, 既无须耗费大量材料制作临时支撑, 同时可以保证作业人员的施工安全, 加快整体施工进度。

支撑系统均采用线单元模拟, 采用平面单元传递支撑平台表面均布荷载与风荷载。管桁架与支撑系统连接简化成对支撑系统节点的集中荷载。胎架结构分析采用有限元分析程序MIDAS Gen8.36进行。竖向荷载按永久荷载考虑, 分项系数取1.2。胎架高39m, 胎架节间取1.5m, 采用节点荷载传递永久荷载及施工可变荷载。

通过对屋盖钢结构安装、卸载分析模拟可知胎架需要承担竖向荷载686.5k N (设计值, 并根据自重的20%考虑了施工荷载) , 胎架结构形式可采用角钢自制胎架组装式支撑胎架, 如图5所示。

支撑胎架分析结果:支撑胎架满载阶段, 支撑最大位移为-14.2mm;应力为147N/mm²支撑胎架整体的设计应力比为0.811<1 (出现在柱肢) , 柱肢柱底最大反力-526k N, 且变形在可控范围内, 满足要求。

根据线模型放样出构件拼装时最佳拼装姿态, 将拼装胎架事前设计, 最大限度节省拼装胎架材料。现场拼装工作量大, 大量吊装单元需要在地面进行拼装, 结构类型繁杂, 单元组成多样, 且由于屋盖造型要求, 每个吊装单元尺寸、形状不固定, 这就导致每个吊装单元的拼装胎模不固定, 需要频繁调整支撑位置、胎模标高, 拼装工作量巨大, 屋盖桁架分段后吊装单元尺寸较大, 宽度达到4.5m, 单元高度最大4m, 单榀桁架分段单元最大长度达49.7m, 且由于拼装场地与吊装范围限制, 需要采取灵活、高效的拼装措施。本项目采用可调节标高的地面拼装胎架, 胎架采用竖向开孔插销轴的形式调节标高, 具有如下优点:减少支架深化和制作时间, 提高拼装工效, 保证吊装单元供应, 降低人、机、料的投入, 节约项目成本, 提高了拼装精度, 保证施工质量, 结构设计合理, 移动使用方便, 适用性强。

根据本工程的结构特点以及现场环境和履带式起重机性能, 为了保证焊接质量、安装精度, 减少高空作业量, 采用地面分段拼装单元形式, 将主拱钢管分段拼装, 拼装定位线使用线模型建立模型相对坐标系, 进行定位平面尺寸和标高数据的提取, 采用三点定面的规则, 将桁架姿态调整为侧拼, 优化管桁架的拼装方法, 大幅度减少了高空作业, 降低了拼装安全风险, 从总体上提高拼装效率、降低成本;并且解决了胎架临时措施材料投入量大、不易脱胎等问题。

大跨度空间结构悬挑跨度最大为63.5m, 卸载过程中结构内力重分布, 为保证卸载过程中支撑受力变化的均匀性, 防止局部支撑受力过大而产生主结构破坏或支撑破坏, 整个卸载过程需采用分步分级卸载的施工方法, 临时支撑布置如图6所示。

为避免卸载时结构内力突变过大, 控制每级卸载形成在5mm以内, 所有支撑点同时卸载, 保证结构安全。卸载方法及步骤如表1所示。

通过MIDAS Gen软件计算分析表明, 温度在35℃与-5℃时, 结构的应力都处于安全状态, 分步卸载应力最大位置均出现在树杈支撑根部, 其中第1步最大应力为-54.5MPa, 占设计强度的18.5%;第2步最大应力为-38.4MPa, 占设计强度的13.1%;第3步最大应力为-41.5MPa, 占设计强度的14.1%;第4步最大应力为-47.2MPa, 占设计强度的16%。因此, 经过MIDAS Gen 8.3.6有限元分析验算, 所有卸载过程中的位移变形及应力、应变均满足要求, 故此卸载方法可行。

通过对已有施工方法的研究, 提出了分段吊装、高空对接施工方法, 解决了施工中遇到的难点, 成功实现了大跨度复杂空间结构的安装, 积累了工程经验, 为类似工程提供参考, 得出如下结论。

1) 使用MIDAS Gen进行支撑胎架受力分析, 使得支撑胎架的安全系数得到保障, 措施材料投入得到更好利用。

2) 采用线模型对拼装单元进行拼装测量数据提取, 将桁架设计状态转换成侧拼状态坐标数据, 降低拼装胎架高度, 上、下弦在同一标高面上, 方便拼装, 避免拼装构件太高带来施工不便而产生措施费, 提高施工安全系数。

3) 采用全站仪对管桁架进行高空拼装测量, 确保了施工安装尺寸, 提高了施工进度。

4) 拼装胎架使用片式可调节周转使用单体, 节约胎架制作成本, 缩短胎架制作时间。

5) 通过MIDAS Gen有限元结构设计分析软件施工模拟临时支撑胎架卸载对结构的影响, 发现在选定的较适宜卸载步骤及卸载位移值, 构件最大应力达到设计应力的18.5%, 结构内力处于较高水平, 为了保证结构的安全性, 大跨度结构在选定卸载步骤及分级卸载值后, 最好卸载过程中对结构自身的应力及位移进行监测校核。

6) 桁架安装时采用的支撑高度较高, 支撑顶部水平力的存在会对支撑造成巨大影响。为了减小支撑面水平力对支撑的影响, 需将该位置的水平力消除, 设计了临时支撑顶部水平力消除装置, 通过该装置的应用, 可以有效减少支撑顶部水平荷载的大小, 从而提高临时支撑的承载能力, 该装置尤其适用于支撑面倾斜的情况。