鋼結構技術論文
中國建筑金屬結構協(xié)會
建筑鋼結構分會主辦
1 概述
大跨度空間結構施工中，應用最廣泛的施工方法是高空分段或分塊吊裝法，這類施工方法最主要的一個技術措施就是臨時支撐體系的合理設置。臨時支撐體系保證施工過程順利進行和施工過程的安全性，臨時支撐體系提供永久結構在未成形前的支撐依靠，使得永久結構與臨時支撐結構組成一個共同作用的混合結構體系，臨時支撐體系已成為結構施工系統(tǒng)的一部分并直接起著傳遞荷載的作用。
1.1臨時支撐體系分類
大跨度空間結構安裝，應根據(jù)結構體系、吊裝單元分割、下部結構情況以及施工現(xiàn)場的條件不同，合理地選擇和設計臨時支撐體系，確保可操作、安全、便利和經濟可行。
臨時支撐體系可按如下分類。
按支撐結構形式可分為：實腹式、格構式、組合式支撐等。
按支撐材料可分為：型鋼支撐、鋼管腳手架、貝雷架支撐、網架支撐等。
按支撐的作用方向可分為：豎向支撐、水平支撐、斜撐等。
1.2臨時支撐體系的選形和支撐點布置
臨時支撐體系由基礎連接、主體結構和支撐構造三部分構成。臨時支撐體系的選形和布置需要綜合考慮安裝方案、需支撐的結構形式、下部結構、施工現(xiàn)場環(huán)境等技術條件，分析以下方面：臨時支撐自身的強度、變形及穩(wěn)定性；下部混凝土結構的承載安全；臨時支撐裝拆的方便性；臨時支撐的經濟性。
1.3臨時支撐系統(tǒng)卸載及結構體系轉換
臨時支撐體系的卸載過程，實質上是將施工用混合結構體系轉換為理論設計的永久結構體系的過程，所以也稱為結構體系轉換過程，是永久結構在臨時支撐點處支座約束的動態(tài)減弱直至消除的變化過程。結構體系轉換過程的計算，就是尋求安全合理的循環(huán)卸載過程，以保證卸載過程中永久結構和卸載過程的安全。
2 工程概況與安裝方案
2.1 工程及結構概況
鄂爾多斯機場新建航站樓整體建筑造型酷似一只展翅的雄鷹，總建筑面積約為10萬?。鋼結構屋蓋采用空間大跨度立體桁架和網架結構。出港、到港大廳（A區(qū)），為直徑108ｍ的大型穹頂，由中心球殼、內環(huán)桁架、24榀主桁架及其間扇形區(qū)域網殼、外環(huán)桁架組成，穹頂結構通過Y型鋼柱與混凝土柱相連接。登機長廊兩翼翼展為490ｍ，螺栓球網架結構。
2.2 施工安裝方案
在此僅介紹A區(qū)穹頂安裝方案，登機指廊螺栓球網架結構采用搭設滿堂腳手架高空散裝的施工方案，不再敘述。
A區(qū)穹頂采用對稱旋轉累積滑移的施工方案。徑向主桁架采用地面拼裝，分兩段高空組裝，主桁架間單層網殼、內環(huán)和外環(huán)桁架采用高空散裝。在結構左右兩側分別搭設兩跨拼裝平臺，內環(huán)先完成拼裝，左右結構再同時拼裝，對稱旋轉累積滑移。拼裝平臺與滑移軌道布置（圖1）。
圖1 拼裝平臺與滑移軌道示意圖
結構布置內、中、外三環(huán)滑移軌道，內環(huán)布置在內環(huán)桁架下方，中環(huán)布置在半徑24.479ｍ上，外環(huán)布置在混凝土結構柱上（半徑54ｍ），三環(huán)滑移軌道不等標高。外環(huán)和中環(huán)布置動力裝置，沿逆時針方向頂推滑移，內環(huán)安裝滾輪作為從動軌道。第一次滑移同時拼裝兩個區(qū)間（30度）進行滑移，以后每次左右同時累積結構的1/24區(qū)間，共累計滑移10次。
結構卸載采取先固定穹頂結構鋼柱支座，連接安裝雨棚和穹頂結構連接桿件后，卸載穹頂中環(huán)軌道，再卸載內環(huán)軌道，最后拆除卸載雨棚支撐架。
3 臨時支撐體系布置與選型
3.1臨時支撐體系布置及技術要求
在該大直徑球形穹項的安裝過程中，為滿足鋼構件支撐和結構穩(wěn)定的需要，需搭設臨時支撐體系，支撐體系要滿足以下的技術要求：單點支撐力大，支撐高度高；支撐點多，分布面廣；支撐落點均分布在下部混凝土結構的頂板上，支撐體系應確保下部混凝土結構的安全。
在結構左右兩側搭設兩跨拼裝平臺，在內環(huán)桁架和中心球殼單元下搭設滿堂腳手架支撐。外環(huán)滑移軌道采用鋼梁布置在砼結構柱上，中環(huán)滑軌下布置十二個支撐架，內環(huán)滑軌下布置八個支撐架，另有左右各兩個支撐架用于主桁架高空對接，共布置二十四個支撐架（圖2）。
圖2 結構支撐架布置圖
3.2支撐架結構選型
支撐架的柱身選用3m×3m格構柱，為提高支撐架的整體剛度和穩(wěn)定性，設置格構式桁架結構水平支撐（圖3）。支撐塔架的柱腳與基礎剛接。根據(jù)主結構的安裝方案，將內環(huán)支撐架、主桁架高空拼裝支撐架與滿堂腳手架連成整體（圖4）。
圖3 支撐體系三維圖
圖4 支撐架及桁架拼裝剖面圖
3.3抗側力體系的形成
支撐架主要考慮的水平側力為風荷載。除支撐架自身需抵抗風荷載外，主要考慮支撐于塔架塔身上的主桁架受風作用。為增強各支撐塔架整體協(xié)同抗風的能力，在各支撐架頂部設置格構式柱頂系桿作為水平支撐體系。另外，為提高整結構柱頂平面支撐系統(tǒng)的抗扭剛度，在角部區(qū)域設置隅撐。
根據(jù)現(xiàn)場條件，施工時可在內環(huán)和中環(huán)的支撐架頂部設置雙向纜風用以傳遞屋蓋主桁架所受風載，內環(huán)支撐架所受屋蓋主桁架的風載由整體結構傳遞。
4 臨時支撐體系設計計算
臨時支撐體系考慮支撐的重復使用按永久結構進行設計。荷載考慮靜荷載和動荷載，靜荷載：結構構件自重荷載+施工荷載；動荷載：風荷載。支撐體系計算內容包括結構靜力分析計算、結構抗風分析、結構溫度應力分析、結構側向剛度分析和結構整體穩(wěn)定性分析。
4.1荷載工況
4.1.1靜荷載
荷載計算鋼結構屋蓋自重荷載和鋼結構施工均布荷載。作用于支撐架柱頂?shù)淖畲筘Q向荷載設計值取安裝過程和卸載階段各步驟中的最大值。
4.1.2溫度荷載
由于支撐塔架體系不是溫度敏感結構，塔架設計不考慮溫度效應。
4.1.3地震作用
由于施工過程持續(xù)的時間短暫，故支撐塔架設計不考慮地震作用。
4.1.4風荷載
基本風壓：0.5KN/?。風荷載計算：格構式柱身所承受的風荷載、水平支撐所受的風荷載以及屋蓋桁架的風荷載。
4.2滑移支撐架、軌道梁設計驗算
4.2.1外環(huán)滑移軌道梁設計及驗算
（1）計算模型
外環(huán)滑移軌道頂面標高與混凝土柱頂標高（支座底部標高）相同，混凝土柱頂架設滑移軌道梁，跨度為14m，滑移梁箱型構件截面H700×400×14×25，下部設置鋼管斜撐P219×10，斜撐支承于軌道梁的1/3處。
鋼屋蓋在三條軌道上旋轉滑移時，滑移梁承受上部傳遞的豎向荷載及徑向水平荷載。滑移梁上作用的豎向荷載為F=507KN，水平力Fh=137KN。水平力作用于滑移軌道頂面，根據(jù)滑移過程中滑靴位置按以下四種狀態(tài)建模分析（圖5）。
圖5 外環(huán)滑移軌道梁計算模型
（2）變形分析
外環(huán)軌道梁在上述荷載作用下的豎向變形△max=8.16mm，約為跨度的1/1700，軌道梁變形較小能滿足拼裝及滑移精度要求。
（3）桿件驗算
從計算結果可知，滑移軌道梁最大應力比值為0.737，支撐桿件最大應力比為0.668，軌道梁和支撐桿件強度和穩(wěn)定性滿足滑移施工要求。
4.2.2 中環(huán)滑移軌道梁設計及驗算
（1）計算模型
中環(huán)滑移軌道設置于徑向主桁架下弦處半徑為24.479m的圓周上，中環(huán)滑移軌道支撐架承受上部鋼構件傳遞的豎向力和水平力，滑移梁上作用的豎向荷載為F=241KN，水平力Fh =92KN。考慮滑移過程中各種不利狀態(tài)按兩種模型（圖6）進行分析。
圖6-1 支撐架計算模型一
圖6-2 支撐架計算模型二
（2）變形分析
外環(huán)滑移軌道支撐架系統(tǒng)變形如圖7所示。
圖7 外環(huán)滑移軌道支撐架變形圖
由以上變形圖可知，外軌道梁的豎向變形△max=-7.75mm，約為跨度的1/1600，中環(huán)滑移軌道支撐系統(tǒng)變形較小，能滿足滑移及拼裝過程中精度要求。
（3）桿件驗算
圖8 中環(huán)軌道支撐架系統(tǒng)應力比柱狀圖
從上圖可知，滑移軌道支撐架系統(tǒng)桿件最大應力比為0.743，桿件強度和穩(wěn)定性滿足滑移施工要求。
4.2.3內環(huán)滑移軌道梁設計及驗算
（1）計算模型
內環(huán)滑移軌道設置于內環(huán)桁架下弦桿位置，環(huán)形軌道直徑為20m。內環(huán)滑移軌道支撐架只承受上部鋼構件傳遞的豎向力F=403.37KN，滑移梁承受滑移軌道與上部滾輪間的靜摩擦力Fh =80.674KN。根據(jù)滑移位置的不同，按兩種設計狀態(tài)建立滑移軌道計算模型（圖9）進行計算分析。
圖9-1 內環(huán)支撐計算模型一
圖9-2 內環(huán)支撐計算模型二
（2）變形分析
內環(huán)滑移支撐架系統(tǒng)變形如圖10所示：
圖10 內環(huán)滑移支撐架變形圖
由以上變形圖可知，內環(huán)軌道梁的豎向變形△max=7.011mm，約為跨度的1/1100，內環(huán)滑移軌道支撐系統(tǒng)變形能滿足鋼屋蓋滑移及拼裝過程中精度要求。
（3）桿件驗算
圖11 內環(huán)支撐架系統(tǒng)應力比柱狀圖
從上圖可知，滑移軌道支撐架系統(tǒng)桿件最大應力比為0.763，桿件強度和穩(wěn)定性滿足滑移施工要求。
5 臨時支撐體系卸載及結構體系轉換過程模擬分析
5.1卸載控制原則和卸載方案
由于臨時支撐結構?載或結構體系轉換將造成永久結構內力的重分布，必然會對永久結構的局部構件受力產生較大的影響，因此，永久結構在結構體系轉換中的受力性態(tài)和安全性與臨時支撐結構的卸載過程密切相關。
5.1.1卸載過程的控制原則
（1）結構體系轉換引起的內力變化應是緩慢的；
（2）在卸載過程中，結構各桿件的內力應在彈性范圍內并逐漸趨近設計狀態(tài)；
（3）在卸載過程中，各臨時支撐點的卸載變形應協(xié)調；
（4）卸載過程中，應避開不適宜的環(huán)境狀況，如大風、雨雪天氣；
（5）卸載過程應易于調整控制、安全可靠。
5.1.2卸載方案
本工程支撐點卸載順序按下列步驟：安裝焊接外環(huán)鋼柱支座，進行外環(huán)鋼柱的卸載；卸載中環(huán)滑移軌道上支撐點，可采取間隔選取每次12個支點同時卸載；同時卸載內環(huán)滑移軌道上支撐點。
根據(jù)“變形協(xié)調，卸載均衡”的原則，通過放置在支架上的可調節(jié)點支撐裝置千斤頂，多次循環(huán)微量下降來實現(xiàn)“荷載平衡轉移”。臨時支座分批逐步下降，其狀況相當于支座的不均勻沉降，這都將引起桁架結構內力的變化和調整。對少量桿件可能超載的情況應事先采取措施局部加強。為防止個別支撐點集中受力，宜根據(jù)各支撐點的結構自重撓度值，采用分區(qū)、分階段按比例下降或用每步不大于10mm的等步下降法拆除支撐點。
5.2 臨時支撐體系卸載過程的計算方法
卸載過程需要確定的具體內容包括：卸載步數(shù)、每個卸載步中同步卸載點的數(shù)量及范圍、每個卸載步中需要控制的位移量。安全合理的卸載方案需經過多方案反復計算比較得到。計算過程如下：
（1）根據(jù)預定的卸載方案，在第一卸載步的同步卸載點均施加已設定數(shù)值的強迫位移，計算結構系統(tǒng)的內力和位移。
（2）根據(jù)計算結果，驗算永久結構構件的安全性和結構的變形，驗算臨時支撐結構反力是否超過原設計值。
（3）若永久結構和臨時支撐結構均滿足要求，則在第1卸載步計算結果的基礎上，施加第2步卸載步應增加的強迫位移值，計算結構系統(tǒng)的內力和位移，否則，調整強迫位移值，重新進行第1卸載步計算。
（4）依次進行下一步計算，直到完成所有卸載步計算。
在計算過程中，若多次調整強迫位移值，永久結構和臨時支撐結構均不能滿足安全性要求，則應調整卸載方案，重新進行驗算。
5.3卸載計算變形分析
5.3.1施工卸載后變形分析
計算僅考慮結構件自重，考慮節(jié)點重量乘以1.1系數(shù)，鋼屋蓋按上述步驟卸載后屋蓋變形（圖14）：
圖14 完成卸載和安裝雨棚后屋蓋變形圖
完成內環(huán)支撐點卸載后穹項變形△max=-25.2mm，安裝完成雨棚構件后穹項變形△max=-28mm，雨棚端部變形△max=-33.6mm。
5.3.2設計狀態(tài)變形分析（圖15）
圖15-1 穹頂變形圖
圖15-2 雨棚變形圖
設計狀態(tài)，穹頂最大變形△max=-25.4mm，雨棚端部變形△max=-49mm。
5.3.3施工卸載與設計狀態(tài)變形對比分析
在結構自重情況下，原設計結構變形與考慮施工卸載分析得到的結構變形相比（圖16），穹頂最大撓度從-25.4mm，增大到-28mm，雨棚懸挑處最大變形從-49mm，減小到-33.6mm。施工過程對內部穹頂變形為不利影響，增大2.6mm，對雨棚變形為有利影響，減小變形15.4mm。
圖16 施工卸載與設計狀態(tài)變形對比圖
5.4 卸載計算應力比分析
5.4.1施工過程分析
從結構應力比圖可以看出，施工過程最大應力比為0.215（圖17）。
圖17 桿件應力比云圖
5.4.2設計狀態(tài)分析
從結構應力比圖可以看出，設計狀態(tài)結構最大應力比為0.196（圖18）。
圖18 桿件應力比云圖
5.4.3設計狀態(tài)與施工狀態(tài)應力比差值分析
從設計狀態(tài)與施工狀態(tài)應力比差值（圖19）對比分析可以看出，考慮卸載施工過程分析后，結構桿件受力有所變化，結構應力比最大增大0.047（不利影響），最大減小為0.135（有利影響），總體說，卸載施工過程對結構的不利影響很小，在5%以內。卸載方案安全可靠。
圖19 應力比差值分析
6 結語
本文以鄂爾多斯機場航站樓大跨度空間結構工程實踐為背景，通過對結構的整體分析，綜合考慮安裝方案、施工現(xiàn)場環(huán)境等技術條件，提出了大跨度鋼結構施工過程中臨時支撐體系的布置方案，并對所使用的臨時支撐體系進行分析，得到了施工過程中支撐體系的桿件應力和結構變形情況。針對該工程，提出了一整套結構卸載方案和分階段整體分級同步卸載的原則和卸載步驟，通過對卸載過程的數(shù)值模擬分析，得到了卸載過程中臨時支撐體系的受力變化情況和結構本身受力的轉變過程，順利實現(xiàn)了結構體系轉換，對類似工程的施工與卸載提供了參考依據(jù)。
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