倾斜柱群及平面环桁架钢结构卸载技术

王 洋 葛明伟 孙玉厚 李 彬

(北京城建集六建设集团有限公司 北京 101500)

一、工程概况

三亚市体育组中心体育场，作为2020年亚洲沙滩运动会体育场馆，主要承接赛事类型包括国际单项比赛、国内综合比赛，总坐席数约 4 万座，占地面积31670.8m2，地上四层，最高点高度为 45.3m，地上建筑面积 87897m2,设计使用年限为 50 年。三亚体育场屋盖系统采用先进的索膜结构，体育场以 V 型柱及受压环梁为界分为内外结构，外围结构采用外围幕墙斜柱支撑+V 型柱支撑的单层网壳屋面，上方为金属屋面结构；内圈结构采用轮辐式索-桁结构+膜结构组合形式，其上方屋面覆盖 PTFE 膜材。

图1 三亚体育场效果

二、施工难点

(一)桁架跨度大、断面高，吊装难度大

外圈钢结构主要包括外立面幕墙斜柱支撑、外围单层网壳屋面与受压环梁和其下方 V 型柱连接；外侧钢结构最大跨度达42m。本工程大量采用平面环桁架，桁架未连成整体之前，稳定性较差。

(二)高空作业较多，安装精度要求高

本工程为倾斜柱群及平面环桁架钢结构，高空作业工作面较多，操作平台设置困难，高空施工安全质量要求严格。

(三)焊接量大、焊缝质量要求高

本工程高空焊接作业量大，多数采用对接全熔透一级焊缝，焊接难度较大，对焊缝质量要求较高。

三、胎架临时支撑体系总体布置

本工程胎架用于临时支撑v柱、幕墙柱及顶部平面环桁架，截面高2.0m，宽2.0m，立杆截面为180×7mm，腹杆截面为80×5mm，最大高度达26m，总计126个支撑胎架。

图2 胎架布置模拟图

四、支撑胎架卸载

(一)卸载难点

由于在胎架支撑顶部用火焰切割卸载方式，卸载工作需在高空进行操作，操作工人的人身安全措施难度大。支撑胎架数量众多，卸载面积广，重量较大，针对分级卸载计划，需选择大吨位卸载机械，且满足承载力要求。

(二)胎架卸载分析

屋盖钢结构支撑胎架整体同步卸载，安全拆除胎架，使主体钢结构自身受力，独立支撑，形成设计要求的受力体系。对于大跨度结构，当结构安装完成后，临时支撑结构体系的卸载顺序对结构最终的成型状态有较大的影响。因而钢结构卸载需以体系转换方案为原则，保证主体结构与临时支撑结构内力、位移不对结构造成局部破坏。

本工程钢结构长304m，宽268m，属于大跨空间结构。大跨度空间钢结构的卸载主要涉及两方面的问题：一方面是主体结构在卸载前、卸载过程中以及卸载完成后的结构安全性，卸载过程中结构的变形是否协调以及局部变形是否过大、结构的内力重分布是否满足设计要求等；另一方面是临时支撑体系在卸载过程中的结构安全性。

(三)卸载方案比选

1.分析模型构成

钢结构卸载模拟分析模型包括受压内环梁、外环梁、外围屋面网壳、内环 V 型柱、外立面幕墙斜柱支撑、以及支撑胎架。

分析计算模型按照设计院于提供的整体结构零状态位形进行建模，考虑临时支撑体系的卸载过程，并按照实际施工中的具体胎架结构形式进行精细化建模，将其与整体结构模型一同进行卸载模拟分析计算。

2.合理的卸载顺序：

按照钢结构和支撑胎架在卸载过程中受力最优原则，根据本工程结构特点以及临时支撑体系布置，将内外环临时支撑体系分成东西南北四个区，每个区分为四个组，从而进行分区分组卸载。采用分区同步卸载方法，根据本工程的结构特点以及临时支撑结构体系的布置，提出四种卸载方案进行对比优选。

方案一：先卸载中柱胎架，然后按照从东西到南北的顺序卸载内环胎架，最后再按照从东西到南北的顺序卸载外环胎架。

方案二：先卸载中柱胎架，然后按照从东西到南北的顺序卸载外环胎架，最后再按照从东西到南北的顺序卸载内环胎架。

方案三：先卸载中柱胎架，然后按照从南北到东西的顺序卸载内环胎架，最后再按照从南北到东西的顺序卸载外环胎架。

方案四：先卸载中柱胎架，然后从长轴方向附近开始逐步卸载南北侧的内外环胎架，最后从短轴方向附近开始逐步卸载东西侧的内外环胎架，内外环胎架同步卸载。

针对以上四种临时支撑体系卸载方案，进行卸载模拟分析。

(四)卸载路径优化分析

1.主体结构成型态对比

通过采用大型通用有限元软件 Midas/Gen 进行建模计算，不同卸载方案下，主体结构成型状态的受力和变形趋势基本一致，整体结构均未发生较大的变形，主体结构构件的应力均远远小于其设计强度，整体结构处于安全状态。

表1 主体结构成型状态对比表

2.卸载过程主体结构位移变化对比a

分别选取内外环梁关键点进行卸载过程主体结构的位移变化分析，关键点位置如下所示。

图3 东西向关键点位移变化

卸载过程中，南北向关键点主要发生竖向位移和 Y 向位移，其 X 向位移较小，而东西向关键点主要发生竖向位移和 X 向位移，其 Y 向位移相对较小。

对于东西向关键点，其竖向位移和 X 向位移的大幅度增加均发生在东西区内外环胎架卸载后，但其位移的增长过程不一致。方案一与方案三主要分为两个明显的增长段，经历一段水平段，再增长至34.6mm；方案二仅有一个明显的增长段，而方案四均匀地分三个阶段。综合四个方案的位移变化过程，方案二的位移变化最剧烈，方案四的位移变化最为平稳。

图4 南北向关键点Y向位移

对于南北向关键点，其位移变化主要体现在竖向位移和 Y 向位移上，综合四个方案的位移变化过程，方案一、二、三均在变化过程中出现较为剧烈的拐点，即出现位移的剧增剧减，对于结构的安全更为不利，而方案四在变化过程中虽然呈先增后减的趋势，但较为缓和，位移变化最为平稳。因此，从主体结构位移变化来看，方案四的位移变化更为平稳。

3.载过程支撑体系支座竖向反力变化对比

对于方案一和方案三，其内环胎架的竖向反力变化较小，但其外环胎架的竖向反力变化较大，尤其是东西向的外环胎架，最大反力变化达 400kN。

对于方案二，其外环胎架的竖向反力变化较小，而内环胎架的竖向反力变化相对略大，最大反力变化近 200kN。

对于方案四，总体来说各胎架在卸载过程中的反力变化均较小，胎架反力变化较为平稳，最大反力变化接近 100kN。因此，从临时支撑体系支座竖向反力的变化来看，方案四的支座反力变化更为平稳，结构更为安全。

图5 内外环胎架竖向反力

综合几种影响因素的计算结果，方案四的主体结构位移、主体结构竖向反力、临时支撑体系支座竖向反力等变化更为平稳，且在卸载过程中主体结构应力均远远小于设计强度，临时支撑体系结构的应力均满足规范要求，结构处于安全受力状态。

结论如下：本工程采用的卸载顺序，即先卸载中柱胎架，然后从长轴方向附近开 始逐步卸载南北侧的内外环胎架，最后从短轴方向附近开始逐步卸载东西侧的内外环胎架，内外环胎架同步卸载。

五、结语

三亚体育中心体育场面积大，胎架同步卸载数量多，要求精度高，施工难度级大。本文应用了有限单元模型建模计算，对临时支撑胎架卸载过程进行主体结构位移变化、胎架反力等影响分析，确定了合理的卸载方案。