弦支屋頂體育場鋼結(jié)構(gòu)工程實踐

弦支屋頂體育場鋼結(jié)構(gòu)工程實踐

纖維穹頂結(jié)構(gòu)也稱為稱懸掛結(jié)構(gòu)，它是結(jié)合了單層網(wǎng)殼和索頂結(jié)構(gòu)的優(yōu)點和缺點的新結(jié)構(gòu)形式。這是一種取代索引屋頂?shù)纳蠈铀?，用垂直支撐桿（徑向索和環(huán)向索）支撐單層網(wǎng)殼的自平衡空間鋼結(jié)構(gòu)體系。該種結(jié)構(gòu)形式由MKawaguchi于1993年提出,至今在國外已有較多的理論研究和工程應(yīng)用。近幾年國內(nèi)對弦支穹頂結(jié)構(gòu)也進行了比較多的理論分析和試驗研究,近兩年來成功完成了安徽大學(xué)體育館、常州體育館和濟南奧體中心體育館3項弦支穹頂鋼結(jié)構(gòu)的施工安裝。這3個弦支穹頂結(jié)構(gòu)體系各不相同,施工技術(shù)各異,下面對其結(jié)構(gòu)設(shè)計形式和施工技術(shù)做一個簡要介紹。1項目總結(jié)1.1鋼屋蓋的設(shè)計安徽大學(xué)體育館建筑面積12809m2,鋼屋蓋覆蓋面積為11694m2。建筑整體呈鉆石形造型;鋼屋蓋為邊長47.44m的正六邊形,邊柱至邊柱的距離為43.88m,正六邊形柱網(wǎng)外接圓直徑為87.757m,最大挑檐長度6m,屋蓋總高度11.55m;矢跨比為1/8.6;屋面坡度12°,局部凸屋面坡度15°;屋蓋中央設(shè)置正六邊形的采光玻璃天窗,外接圓直徑為24m,其建筑效果如圖1所示。1.2高爾夫球場下部結(jié)構(gòu)常州體育館屋蓋曲面面積為9359.939m2,覆蓋面積為7502.282m2。體育館為一橢球形建筑,高約37m,平面投影長軸為120m,短軸80m,屋蓋矢高23m,可容納觀眾近6000人。體育館下部結(jié)構(gòu)采用全現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系,主要柱網(wǎng)尺寸為8.4m×7.2m。上部屋蓋采用鋼結(jié)構(gòu)體系,屋蓋支座通過混凝土環(huán)梁支承于下部混凝土框架上,其建筑效果如圖2所示。1.3高爾夫球場弦支乘數(shù)濟南奧林匹克體育中心位于濟南市東部新城區(qū)龍洞地區(qū),經(jīng)十東路中段路南,旅游路以北,距城市中心區(qū)約10km。體育館位于奧體中心場館區(qū)的東部,為一圓形建筑,建筑面積約5.2萬m2,體育館觀眾席10000座以上,配套建設(shè)20片室外籃球訓(xùn)練館。體育館弦支穹頂屋蓋形狀為球面,跨度122m,矢高12.2m。在弦支穹頂頂部設(shè)2.5m高的風(fēng)帽,直徑27.792m。整個屋蓋曲面面積為12096m2,覆蓋面積為11631m2,其建筑效果如圖3所示。2結(jié)構(gòu)與設(shè)計的比較2.1鋼屋蓋索及結(jié)構(gòu)特點安徽大學(xué)體育館工程屋蓋鋼網(wǎng)殼為雙向矩形截面鋼構(gòu)件單層網(wǎng)殼。徑向鋼構(gòu)件截面大,為矩形焊接鋼箱梁,正六邊形的六個脊線處鋼箱梁為主鋼箱梁,其它徑向鋼箱梁為次鋼箱梁;環(huán)向鋼構(gòu)件截面小,為矩形冷成型鋼管。整個鋼屋蓋的索系由徑向預(yù)應(yīng)力拉桿和環(huán)向預(yù)應(yīng)力拉索構(gòu)成,環(huán)向索共設(shè)4環(huán)。撐桿采用圓鋼管,上下端耳板銷軸鉸接。整個鋼屋蓋支撐在周邊30個鋼柱上,除角部6個外,六邊形每邊4個,柱距8.776m。鋼屋蓋與柱頂相交高度為18.290m,鋼屋蓋最高點為29.890m。在采光頂?shù)恼呅沃車徒Y(jié)構(gòu)外沿正六邊形周圍分別各設(shè)置了一圈封閉的三管桁架,外沿的封閉桁架進一步減小了支座的水平推力,內(nèi)外環(huán)形桁架與主脊梁及拉索共同構(gòu)成了結(jié)構(gòu)的主骨架。整體結(jié)構(gòu)與三維分解如圖4所示。2.2網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)節(jié)點常州體育館屋蓋為橢球形鋼網(wǎng)殼,其中心部位的網(wǎng)格形式為凱威特型(K8)、外圍部位的網(wǎng)格形式為聯(lián)方型。網(wǎng)殼桿件采用圓鋼管。索承單層網(wǎng)殼的索系為Levy索系,由環(huán)向索和徑向索構(gòu)成,環(huán)向索共設(shè)6環(huán)。撐桿采用圓鋼管,上下端鉸接。單層網(wǎng)殼中與撐桿相連的節(jié)點采用鑄鋼節(jié)點,撐桿下端與徑、環(huán)向索相連節(jié)點采用鑄鋼機加工節(jié)點,網(wǎng)殼其它節(jié)點采用相貫節(jié)點。整個弦支穹頂結(jié)構(gòu)通過24個支座支承在下部的混凝土環(huán)梁上,結(jié)構(gòu)的豎向荷載通過環(huán)向布置的徑向拉索與豎向剛性撐桿由內(nèi)向外將結(jié)構(gòu)的荷載轉(zhuǎn)換至最外一圈結(jié)構(gòu)環(huán)梁上。整體結(jié)構(gòu)與三維分解如圖5所示。2.3網(wǎng)殼桿件布置濟南奧體中心體育館主館鋼結(jié)構(gòu)屋蓋采用弦支穹頂結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)體系由上部單層網(wǎng)殼和下部弦支索桿體系構(gòu)成。上部單層網(wǎng)殼網(wǎng)格布置形式為凱威特型和葵花形內(nèi)外混合布置形式,下部弦支索桿體系為肋環(huán)形布置,設(shè)置3道環(huán)向索,局部布置構(gòu)造鋼棒。本工程環(huán)向索的索材為外包雙層PE的1670MPa級半平行鋼絲束,構(gòu)造鋼棒和徑向鋼拉桿為Q345級鋼棒。網(wǎng)殼桿件采用圓鋼管,節(jié)點形式主要為鑄鋼節(jié)點和少量的插板式相貫節(jié)點;最外環(huán)支座節(jié)點為焊接球節(jié)點,焊接球節(jié)點通過加勁肋、錨板和錨栓與下部混凝土結(jié)構(gòu)固接。撐桿上端與網(wǎng)殼連接為徑向銷軸式單向鉸接,撐桿下端與索夾固接,整體結(jié)構(gòu)與三維分解如圖6所示。2.4主要組成數(shù)據(jù)的比較由于3座體育館的建筑形式不同,因此具體結(jié)構(gòu)形式和主要結(jié)構(gòu)設(shè)計數(shù)據(jù)也有所差異,表1給出了3座體育館的主要結(jié)構(gòu)設(shè)計數(shù)據(jù)的對比情況。2.5下段撐桿節(jié)點安徽大學(xué)體育館撐桿與上弦連接的方式是撐桿上出雙耳板與上弦梁上的單耳板連接,拉桿與主梁連接采用單耳板,環(huán)向索和徑向桿都連接到撐桿下段的節(jié)點板上。矩形管網(wǎng)殼的管與管連接直接采用焊接連接,在相連處相應(yīng)設(shè)置加勁肋。常州體育館撐桿上端節(jié)點為球鉸,由鑄鋼球形撐頭、球頭夾和撐桿桿體構(gòu)成。下端節(jié)點為耳板銷軸節(jié)點和索夾節(jié)點,徑向索索頭與下?lián)螚U通過耳板銷軸節(jié)點連接,環(huán)向索通過撐桿下端的索夾緊固。濟南奧體中心體育館撐桿上端節(jié)點為單耳板銷軸節(jié)點,下端節(jié)點與常州體育館基本相同。3安裝方案：鋼殼工程的安裝3.1箱梁現(xiàn)場吊裝吊裝安徽大學(xué)體育館鋼結(jié)構(gòu)屋蓋主要包含主箱梁、內(nèi)外桁架、次箱梁、吊桿及拉索等。其總體安裝思路為:在內(nèi)桁架與主箱梁交接處分別搭設(shè)一組高空胎架,以臨時承受屋蓋荷載;吊裝鋼梁和桁架;安裝拉索和拉桿;預(yù)應(yīng)力拉索施工結(jié)束后胎架拆除。根據(jù)主次箱梁特點(最重的主梁整體跨度30m,重達9.8t,上弦頂面最高點標(biāo)高為26.1m)進行汽車吊的選擇。選擇用1臺50t的汽車吊進行吊裝。進入體育館內(nèi)進行起吊,吊裝半徑為6m,吊點高度30m。3.2體育鍛煉鋼網(wǎng)殼屋蓋結(jié)構(gòu)節(jié)點常州體育館鋼屋蓋所有鋼管間的相貫節(jié)點均采用鑄鋼件,鑄鋼件的定位對鋼結(jié)構(gòu)屋蓋的安裝精度起決定作用。為了確保鑄鋼件的定位精度,提供良好的工作平臺,鋼屋蓋安裝時的臨時支撐采用支撐架+滿堂腳手架的組合方案。支撐架架設(shè)在第2環(huán)向索和第4環(huán)向索下方,支撐架的形式為由型鋼和圓鋼管加工而成的標(biāo)準(zhǔn)格構(gòu)式構(gòu)件。在鋼網(wǎng)殼屋蓋范圍內(nèi)搭設(shè)滿堂腳手架,采用D50的標(biāo)準(zhǔn)腳手架搭設(shè)。鋼網(wǎng)殼屋蓋構(gòu)件的吊裝機械為2臺7027塔吊和1臺5613塔吊,塔吊同時結(jié)合體育館鋼網(wǎng)殼屋蓋的施工配合使用。鋼網(wǎng)殼屋蓋構(gòu)件吊裝時以鑄鋼件為基本單元,起吊定位后,先安裝環(huán)向管,后安裝徑向管,環(huán)環(huán)向上推進,然后焊接。焊接時采用對稱、環(huán)形焊接,盡可能減小結(jié)構(gòu)變形。全部焊接結(jié)束后卸載,拆除臨時支撐。3.3高空封裝安裝濟南奧體中心體育館主館采用搭設(shè)滿堂腳手架,腳手架中間布置部分支撐胎架,利用2臺SCM-C7520和2臺QTZ63B塔吊將構(gòu)件吊裝到腳手架上,進行高空散裝。體育館網(wǎng)殼開始安裝最外環(huán)節(jié)點及桿件,從外向內(nèi)對稱以每兩個節(jié)間安裝體育館網(wǎng)殼呈十字形,后補全十字形構(gòu)件之間的桿件,體育館網(wǎng)殼中心風(fēng)帽節(jié)點及桿件在其它網(wǎng)殼桿件安裝完成之后再安裝。最后安裝體育館弦支構(gòu)件(弦支體系撐桿、徑向鋼棒、環(huán)向拉索、構(gòu)造鋼棒)。焊接應(yīng)隔環(huán)進行(先焊奇數(shù)環(huán)或偶數(shù)環(huán)),保證各環(huán)之間的變形不發(fā)生累積;為避免因焊接變形造成結(jié)構(gòu)內(nèi)力過大,焊接徑向管時應(yīng)采用同步對稱焊接施工,先焊接內(nèi)圈對接接口,再焊接外圈對接接口。4牽引方案4.1拉索張拉及張拉控制安徽大學(xué)體育館工程采用徑向桿張拉以建立結(jié)構(gòu)所需預(yù)應(yīng)力,張拉端在徑向桿的中間,張拉節(jié)點位于徑向桿連接套筒處。施加預(yù)應(yīng)力的方法是:根據(jù)設(shè)計張拉力的值,通過油泵將油壓傳給兩個千斤頂,然后調(diào)節(jié)自身的調(diào)節(jié)套筒達到所要施加的力。張拉端如圖7所示。張拉時的控制原則為:拉桿力控制為主,伸長值控制為輔。拉索預(yù)應(yīng)力的施加分為3級:第1級張拉到設(shè)計預(yù)應(yīng)力狀態(tài)下索力的30%,第2級張拉到70%,第3級張拉到100%,每級的張拉順序為千斤頂由外圈往中間移動,每次張拉一圈即6根徑向拉桿。選用12臺150t千斤頂,即同時使用6套張拉設(shè)備。張拉時結(jié)構(gòu)支座固定,臨時安裝支撐用支架通過預(yù)應(yīng)力的施加與網(wǎng)殼自動脫空。4.2環(huán)向索同步張拉根據(jù)本工程的特點,經(jīng)詳細的結(jié)構(gòu)分析和方案對比,確定采用環(huán)向索張拉法在結(jié)構(gòu)中建立所需的預(yù)應(yīng)力。為控制環(huán)向索的線形,保證撐桿垂直度和環(huán)向索索力的均勻性,同環(huán)環(huán)向索須同步分級張拉,并對拉索張拉采用雙控原則:控制結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形,其中以控制環(huán)向索索力和撐桿垂直度為主,在實際張拉過程中控制張拉力和張拉索段的長度。環(huán)向索同步張拉程序分4級:0→25%→50%→75%→100%。其中前3級以控制張拉索段長度為主;最后一級以控制環(huán)向索索力為主,必要時局部調(diào)整徑向索索力。結(jié)構(gòu)安裝時支座滑動,在拉索張拉前落下支架且固定支座。整個結(jié)構(gòu)安裝完畢后,從外環(huán)向內(nèi)環(huán)依次張拉拉索。1~3環(huán)環(huán)向索每環(huán)設(shè)置4個張拉點,分別位于短軸和長軸附近;4~6環(huán)環(huán)向索每環(huán)設(shè)置8個張拉點,分別位于45°方向及長、短軸附近。每個張拉點采用2臺千斤頂、1臺油泵、1套張拉工裝。4.3張拉過程及預(yù)張力分級采用徑向鋼拉桿張拉法施加預(yù)應(yīng)力。待網(wǎng)殼拼裝完畢且支座固定后,逐環(huán)張拉徑向拉桿。徑向拉桿分2級張拉。第1級:0~50%初始預(yù)張力,由外環(huán)向內(nèi)環(huán)進行;第2級:50%~100%初始預(yù)張力,由內(nèi)環(huán)向外環(huán)進行。拉桿未張拉時,結(jié)構(gòu)為一單層網(wǎng)殼,為保證施工階段結(jié)構(gòu)安全性,第1級張拉時不落支架,保留支架仍然支撐著網(wǎng)殼。第1級張拉結(jié)束后,結(jié)構(gòu)為完整的弦支穹頂,為避免支架對拉索張拉的影響,在第2級張拉前,將所有