大跨钢结构施工方案选择

大跨钢结构施工方案选择

1整体屋盖结构施工方案确定上海新国际博览会的中心框架是由中华人民共和国的发明和建造的空间网架结构而成的。基本承受单元为跨越72m和4m的空间网架结构，沿纵向分为17个正方形和18个横截面。结构高度0～6m,宽度11.476m,单榀网桁架总重约966kN。各榀网桁架之间通过侧弦节点连接组成整体屋盖。单榀结构示意见图1、图2和图3。根据施工场地和起重设备等具体条件,施工中确定采用分块起吊、空中有支架拼装,待整个屋盖拼装完毕后整体分区分级卸落支架的方案。由于施工过程中结构的受力完全不同于结构正常使用时的受力,对大跨结构而言,施工状态往往是结构最不利受力状态。为保证施工的安全进行,必须事先确定起吊单元(拼装单元)的划分、支承点的分布及其形式、支架卸落的卸载分级,以保证结构受力的安全和施工的可行。在理论分析的基础上,本文确定了以两个节间拼装为1个起吊单元,起吊单元就位后在菱形两端的侧节点用千斤顶进行支承的方案,给出了支架卸落的卸载分级,并分析了整个施工方案的可靠性。上海新国际博览中心屋盖已按本文方案顺利施工完毕。2承载体支撑点布置根据场地情况、起重设备能力和进度需要,确定以每两节间(3片菱形)为一个起吊单元,吊索与水平面夹角约为60°,在两端两片菱形的侧弦节点上设置4个起吊点。共分为5个单元,两侧两个菱形单独起吊,起吊单元划分如图3所示。单元起吊至设计位置后,放置在施工支架上,各单元就位完毕后安装单元间的上、下弦杆和侧弦杆。考虑支架卸落的要求,支点采用千斤顶支承于支架上。单个千斤顶承载力150kN,行程15cm。关于单元在支架上的支承点布置,考虑了对各单元端部菱形2、3、4三点支承方案和2、4两点支承方案(见图3)。前者为超静定支承,从理论角度分析,支点受力均匀且各支点受力小,但实际施工中因传力不明确,难以保证三点同步受力,支架刚度不均匀或其它偶然偏差因素容易导致三点中的一点腾空,若侧弦支点(2、4点中的一点)腾空则对拉杆(施工中的薄弱部位)极为不利。某单位在施工中采用了该支承方式,发生了拉杆断裂事故,也从事实上说明了该方案的风险性。后者为静定支承,传力明确,对施工偶然偏差的承受力强,且支承所需千斤顶少,后续工序支架的卸落也便捷。分析后确定采用两点支承方案。为确保单元划分和支承设置的合理性,起吊和就位时受力、变形安全可靠,用SAP84程序对起吊和就位过程进行了模拟分析。在受力分析中,节点按刚接处理,拉杆按柔性处理(不可受压),结构受力以自重为主,根据实际情况按均布线荷载处理,铸钢节点重量按节点集中荷载处理,自重考虑荷载分项系数1.2,起吊与就位过程考虑动力系数1.3。经对逐个单元起吊和就位全过程分析发现,起吊中拉杆受力不超过其承载力的50%,就位时不超过70%,弦杆受力更小,证明单元划分方式和两点支承方案是安全的。由具体施工中的监测可见,实际情况与预期吻合。根据结构的设计形状,推算出各节点原始状态下的标高。各单元就位时,通过千斤顶调整节点标高,保证结构外观与设计相符。分析发现,冲击对结构受力有较大影响,要求起吊、就位中尽可能保持平稳。3施工过程中支架与受力安全关系结构总装后比单元吊装完毕增加了单元间的弦杆和斜腹杆以及两端部分,结构的空间受力体系也已形成,膜支架和天沟等非结构件也需安装,是一种独立的工况。运用SAP84程序对总装后的受力进行了分析,大致情况为:拉杆最大拉力不超过承载力的76%,上弦杆、下弦杆、侧弦杆和斜腹杆的轴力分别不超过其承载力的4%、3%、4%和2%,菱形平面内上弦杆和下弦杆的轴力分别不超过其承载力的6.5%和6%,千斤顶最大支承反力为58kN(综合考虑支架承载力,认定千斤顶受力不得超过65kN)。可见在结构总装后,由于多点支承,结构受力远比正常使用时为小,同时可知拉杆此时受力是不利的。总体来讲,结构总装是安全的。待各榀桁架装配完工后,对整个屋盖同步分区分级卸支架。支架卸落是整个施工过程中最关键的一步,既需考虑结构的受力安全,变形满足要求,又要保证支点和支架受力安全。支架卸落方案合理与否直接影响进度和施工费用,也直接关系到施工安全。根据施工条件,考虑施工人员安排的可行性,每次同步对各榀桁架的一对支撑卸载,支撑卸载由中间向两边逐次进行,卸载采用位移控制。本工程施工支承卸载遵循的原则是:保证结构构件的受力安全;考虑千斤顶和施工支架的承受能力,控制支撑(千斤顶)受力不超过65kN;为保证安全,防止千斤顶腾空,卸载过程中控制每个千斤顶承压力不小于10kN;基本保证卸载过程中的变形协调。由于结构体系自身的特点,其本身拆除支撑后在水平面内两个方向上是无约束的,如不考虑两个桁架之间侧弦节点的转动约束,桁架亦可绕纵轴转动。施工时不能忽视这个问题,故要求在相应的设计支撑体系可靠发挥作用之后才能卸载。根据上述卸载原则,经反复试算和调整,确定卸载共分20轮,由中间向两边交叉对每处支撑卸载。整个卸载过程分两阶段,前11轮为第一阶段,后9轮为第二阶段。前11轮每轮卸载分10次,之后拆除10处支撑中的4处。后9轮每轮卸载分6次,之后拆除剩余支撑。之后拆除支架,结构安装完成。考虑到结构各构件是逐步装配完成的,为先使支座及节点结合密实并使各构件同步受力,第一次卸载步长宜小些,以后按实际受力确定合适的卸载步长。为施工简便,在满足各约束条件的情况下使各次卸载步长尽可能大。用计算机模拟了20轮164次卸载结构和支承的受力、变形发展过程。计算分析可知,结构各杆件受力是安全的。限于篇幅,各构件的内力变化具体数据从略。卸载过程中千斤顶的受力变化见表1(由于对称,只给出左半边),最大受力为59kN,能满足施工要求。计划的卸载位移分级见图4。施工中对各支点位移进行了监控,实测的位移变化见图5。比较可见,计算与实测情况比较吻合,理论计算为实际施工提供了良好的依据。4现场观测数据与理论分析的对比对大型钢结构施工,其施工工况往往为最不利工况之一,施工方案的选用必须经过慎重的分析。本文经全面分析和计算机模拟,确定了上海新国际博览中心网桁架