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大跨度钢结构施工临时支撑体系及结构体系转换技术研究
发布时间:2013-4-16 13:04:21 | 人感兴趣 | 评分:3 | 收藏:
来源:本站原创 | 作者:佚名

1  概述
      大跨度空间结构施工中,应用最广泛的施工方法是高空分段或分块吊装法,这类施工方法最主要的一个技术措施就是临时支撑体系的合理设置。临时支撑体系保证施工过程顺利进行和施工过程的安全性,临时支撑体系提供永久结构在未成形前的支撑依靠,使得永久结构与临时支撑结构组成一个共同作用的混合结构体系,临时支撑体系已成为结构施工系统的一部分并直接起着传递荷载的作用。
      1.1临时支撑体系分类
      大跨度空间结构安装,应根据结构体系、吊装单元分割、下部结构情况以及施工现场的条件不同,合理地选择和设计临时支撑体系,确保可操作、安全、便利和经济可行。
临时支撑体系可按如下分类。
      按支撑结构形式可分为:实腹式、格构式、组合式支撑等。
      按支撑材料可分为:型钢支撑、钢管脚手架、贝雷架支撑、网架支撑等。
      按支撑的作用方向可分为:竖向支撑、水平支撑、斜撑等。
      1.2临时支撑体系的选形和支撑点布置
      临时支撑体系由基础连接、主体结构和支撑构造三部分构成。临时支撑体系的选形和布置需要综合考虑安装方案、需支撑的结构形式、下部结构、施工现场环境等技术条件,分析以下方面:临时支撑自身的强度、变形及稳定性;下部混凝土结构的承载安全;临时支撑装拆的方便性;临时支撑的经济性。
      1.3临时支撑系统卸载及结构体系转换
      临时支撑体系的卸载过程,实质上是将施工用混合结构体系转换为理论设计的永久结构体系的过程,所以也称为结构体系转换过程,是永久结构在临时支撑点处支座约束的动态减弱直至消除的变化过程。结构体系转换过程的计算,就是寻求安全合理的循环卸载过程,以保证卸载过程中永久结构和卸载过程的安全。
      2 工程概况与安装方案
      2.1 工程及结构概况
      鄂尔多斯机场新建航站楼整体建筑造型酷似一只展翅的雄鹰,总建筑面积约为10万㎡。钢结构屋盖采用空间大跨度立体桁架和网架结构。出港、到港大厅(A区),为直径108m的大型穹顶,由中心球壳、内环桁架、24榀主桁架及其间扇形区域网壳、外环桁架组成,穹顶结构通过Y型钢柱与混凝土柱相连接。登机长廊两翼翼展为490m,螺栓球网架结构。
      2.2 施工安装方案
      在此仅介绍A区穹顶安装方案,登机指廊螺栓球网架结构采用搭设满堂脚手架高空散装的施工方案,不再叙述。
      A区穹顶采用对称旋转累积滑移的施工方案。径向主桁架采用地面拼装,分两段高空组装,主桁架间单层网壳、内环和外环桁架采用高空散装。在结构左右两侧分别搭设两跨拼装平台,内环先完成拼装,左右结构再同时拼装,对称旋转累积滑移。拼装平台与滑移轨道布置结构布置内、中、外三环滑移轨道,内环布置在内环桁架下方,中环布置在半径24.479m上,外环布置在混凝土结构柱上(半径54m),三环滑移轨道不等标高。外环和中环布置动力装置,沿逆时针方向顶推滑移,内环安装滚轮作为从动轨道。第一次滑移同时拼装两个区间(30度)进行滑移,以后每次左右同时累积结构的1/24区间,共累计滑移10次。
      结构卸载采取先固定穹顶结构钢柱支座,连接安装雨棚和穹顶结构连接杆件后,卸载穹顶中环轨道,再卸载内环轨道,最后拆除卸载雨棚支撑架。
      3 临时支撑体系布置与选型
      3.1临时支撑体系布置及技术要求
      在该大直径球形穹项的安装过程中,为满足钢构件支撑和结构稳定的需要,需搭设临时支撑体系,支撑体系要满足以下的技术要求:单点支撑力大,支撑高度高;支撑点多,分布面广;支撑落点均分布在下部混凝土结构的顶板上,支撑体系应确保下部混凝土结构的安全。
      在结构左右两侧搭设两跨拼装平台,在内环桁架和中心球壳单元下搭设满堂脚手架支撑。外环滑移轨道采用钢梁布置在砼结构柱上,中环滑轨下布置十二个支撑架,内环滑轨下布置八个支撑架,另有左右各两个支撑架用于主桁架高空对接,共布置二十四个支撑架。
 
      3.2支撑架结构选型
      支撑架的柱身选用3m×3m格构柱,为提高支撑架的整体刚度和稳定性,设置格构式桁架结构水平支撑。支撑塔架的柱脚与基础刚接。根据主结构的安装方案,将内环支撑架、主桁架高空拼装支撑架与满堂脚手架连成整体。
 

3.3抗侧力体系的形成
      支撑架主要考虑的水平侧力为风荷载。除支撑架自身需抵抗风荷载外,主要考虑支撑于塔架塔身上的主桁架受风作用。为增强各支撑塔架整体协同抗风的能力,在各支撑架顶部设置格构式柱顶系杆作为水平支撑体系。另外,为提高整结构柱顶平面支撑系统的抗扭刚度,在角部区域设置隅撑。
      根据现场条件,施工时可在内环和中环的支撑架顶部设置双向缆风用以传递屋盖主桁架所受风载,内环支撑架所受屋盖主桁架的风载由整体结构传递。
      4 临时支撑体系设计计算
      临时支撑体系考虑支撑的重复使用按永久结构进行设计。荷载考虑静荷载和动荷载,静荷载:结构构件自重荷载+施工荷载;动荷载:风荷载。支撑体系计算内容包括结构静力分析计算、结构抗风分析、结构温度应力分析、结构侧向刚度分析和结构整体稳定性分析。
      4.1荷载工况
      4.1.1静荷载
      荷载计算钢结构屋盖自重荷载和钢结构施工均布荷载。作用于支撑架柱顶的最大竖向荷载设计值取安装过程和卸载阶段各步骤中的最大值。
      4.1.2温度荷载
      由于支撑塔架体系不是温度敏感结构,塔架设计不考虑温度效应。
      4.1.3地震作用
      由于施工过程持续的时间短暂,故支撑塔架设计不考虑地震作用。
      4.1.4风荷载
      基本风压:0.5KN/㎡。风荷载计算:格构式柱身所承受的风荷载、水平支撑所受的风荷载以及屋盖桁架的风荷载。
      4.2滑移支撑架、轨道梁设计验算
      4.2.1外环滑移轨道梁设计及验算
      (1)计算模型
      外环滑移轨道顶面标高与混凝土柱顶标高(支座底部标高)相同,混凝土柱顶架设滑移轨道梁,跨度为14m,滑移梁箱型构件截面H700×400×14×25,下部设置钢管斜撑P219×10,斜撑支承于轨道梁的1/3处。
钢屋盖在三条轨道上旋转滑移时,滑移梁承受上部传递的竖向荷载及径向水平荷载。滑移梁上作用的竖向荷载为F=507KN,水平力Fh=137KN。水平力作用于滑移轨道顶面,根据滑移过程中滑靴位置按以下四种状态建模分析。

(2)变形分析
      外环轨道梁在上述荷载作用下的竖向变形△max=8.16mm,约为跨度的1/1700,轨道梁变形较小能满足拼装及滑移精度要求。
      (3)杆件验算
      从计算结果可知,滑移轨道梁最大应力比值为0.737,支撑杆件最大应力比为0.668,轨道梁和支撑杆件强度和稳定性满足滑移施工要求。
      4.2.2 中环滑移轨道梁设计及验算
      (1)计算模型
      中环滑移轨道设置于径向主桁架下弦处半径为24.479m的圆周上,中环滑移轨道支撑架承受上部钢构件传递的竖向力和水平力,滑移梁上作用的竖向荷载为F=241KN,水平力Fh =92KN。考虑滑移过程中各种不利状态按两种模型进行分析。
 由以上可知,外轨道梁的竖向变形△max=-7.75mm,约为跨度的1/1600,中环滑移轨道支撑系统变形较小,能满足滑移及拼装过程中精度要求。
      (3)杆件验算
可知,滑移轨道支撑架系统杆件最大应力比为0.743,杆件强度和稳定性满足滑移施工要求。
      4.2.3内环滑移轨道梁设计及验算
      (1)计算模型
      内环滑移轨道设置于内环桁架下弦杆位置,环形轨道直径为20m。内环滑移轨道支撑架只承受上部钢构件传递的竖向力F=403.37KN,滑移梁承受滑移轨道与上部滚轮间的静摩擦力Fh =80.674KN。根据滑移位置的不同,按两种设计状态建立滑移轨道计算模型进行计算分析。 
 
      (2)变形分析
      由以上可知,内环轨道梁的竖向变形△max=7.011mm,约为跨度的1/1100,内环滑移轨道支撑系统变形能满足钢屋盖滑移及拼装过程中精度要求。
      (3)杆件验算

从上可知,滑移轨道支撑架系统杆件最大应力比为0.763,杆件强度和稳定性满足滑移施工要求。
      5 临时支撑体系卸载及结构体系转换过程模拟分析
      5.1卸载控制原则和卸载方案
      由于临时支撑结构缷载或结构体系转换将造成永久结构内力的重分布,必然会对永久结构的局部构件受力产生较大的影响,因此,永久结构在结构体系转换中的受力性态和安全性与临时支撑结构的卸载过程密切相关。
      5.1.1卸载过程的控制原则
      (1)结构体系转换引起的内力变化应是缓慢的;
      (2)在卸载过程中,结构各杆件的内力应在弹性范围内并逐渐趋近设计状态;
      (3)在卸载过程中,各临时支撑点的卸载变形应协调;
      (4)卸载过程中,应避开不适宜的环境状况,如大风、雨雪天气;
      (5)卸载过程应易于调整控制、安全可靠。
      5.1.2卸载方案
      本工程支撑点卸载顺序按下列步骤:安装焊接外环钢柱支座,进行外环钢柱的卸载;卸载中环滑移轨道上支撑点,可采取间隔选取每次12个支点同时卸载;同时卸载内环滑移轨道上支撑点。
      根据“变形协调,卸载均衡”的原则,通过放置在支架上的可调节点支撑装置千斤顶,多次循环微量下降来实现“荷载平衡转移”。临时支座分批逐步下降,其状况相当于支座的不均匀沉降,这都将引起桁架结构内力的变化和调整。对少量杆件可能超载的情况应事先采取措施局部加强。为防止个别支撑点集中受力,宜根据各支撑点的结构自重挠度值,采用分区、分阶段按比例下降或用每步不大于10mm的等步下降法拆除支撑点。
      5.2 临时支撑体系卸载过程的计算方法
      卸载过程需要确定的具体内容包括:卸载步数、每个卸载步中同步卸载点的数量及范围、每个卸载步中需要控制的位移量。安全合理的卸载方案需经过多方案反复计算比较得到。计算过程如下:
      (1)根据预定的卸载方案,在第一卸载步的同步卸载点均施加已设定数值的强迫位移,计算结构系统的内力和位移。
      (2)根据计算结果,验算永久结构构件的安全性和结构的变形,验算临时支撑结构反力是否超过原设计值。
      (3)若永久结构和临时支撑结构均满足要求,则在第1卸载步计算结果的基础上,施加第2步卸载步应增加的强迫位移值,计算结构系统的内力和位移,否则,调整强迫位移值,重新进行第1卸载步计算。
      (4)依次进行下一步计算,直到完成所有卸载步计算。
在计算过程中,若多次调整强迫位移值,永久结构和临时支撑结构均不能满足安全性要求,则应调整卸载方案,重新进行验算。
      5.3卸载计算变形分析
      5.3.1施工卸载后变形分析
      计算仅考虑结构件自重,考虑节点重量乘以1.1系数,钢屋盖按上述步骤卸载后屋盖变形 

完成内环支撑点卸载后穹项变形△max=-25.2mm,安装完成雨棚构件后穹项变形△max=-28mm,雨棚端部变形△max=-33.6mm。 

设计状态,穹顶最大变形△max=-25.4mm,雨棚端部变形△max=-49mm。
      5.3.2施工卸载与设计状态变形对比分析
      在结构自重情况下,原设计结构变形与考虑施工卸载分析得到的结构变形相比,穹顶最大挠度从-25.4mm,增大到-28mm,雨棚悬挑处最大变形从-49mm,减小到-33.6mm。施工过程对内部穹顶变形为不利影响,增大2.6mm,对雨棚变形为有利影响,减小变形15.4mm。
 
5.4 卸载计算应力比分析
      5.4.1施工过程分析
      从结构应力比图可以看出,施工过程最大应力比为0.215。


5.4.2设计状态分析
      从结构应力比图可以看出,设计状态结构最大应力比为0.196。

      5.4.3设计状态与施工状态应力比差值分析
      从设计状态与施工状态应力比差值(图19)对比分析可以看出,考虑卸载施工过程分析后,结构杆件受力有所变化,结构应力比最大增大0.047(不利影响),最大减小为0.135(有利影响),总体说,卸载施工过程对结构的不利影响很小,在5%以内。卸载方案安全可靠。
 

6 结语
      本文以鄂尔多斯机场航站楼大跨度空间结构工程实践为背景,通过对结构的整体分析,综合考虑安装方案、施工现场环境等技术条件,提出了大跨度钢结构施工过程中临时支撑体系的布置方案,并对所使用的临时支撑体系进行分析,得到了施工过程中支撑体系的杆件应力和结构变形情况。针对该工程,提出了一整套结构卸载方案和分阶段整体分级同步卸载的原则和卸载步骤,通过对卸载过程的数值模拟分析,得到了卸载过程中临时支撑体系的受力变化情况和结构本身受力的转变过程,顺利实现了结构体系转换,对类似工程的施工与卸载提供了参考依据。
 

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