体育馆屋面钢结构分析与施工研究

摘要:绍兴文理学院体育馆钢屋盖采用钢管桁架结构。钢结构在厂内散件加工，现场拼装，精度要求高，高空焊接工作量大，制作安装难度大。基于工程特点，文章对屋盖结构形式与体系进行了分析，提出吊装与张拉安装的施工方案。

关键词:屋盖；钢结构；桁架；现场拼装；吊装

中图分类号:TU242　文献标识码:A　文章编号:1009-2374(2011)24-0072-03

一、工程概况

绍兴文理学院体育馆总建筑平面14295m2，其中半地下室面积1675m2，地上面积12620m2，由5层主楼及2层附楼构成，固定座位4200多个，可承接篮球、排球、手球、乒乓球、羽毛球、荷球、举重等各种体育赛事以及晚会、会议等活动。馆内设有中央空调、大型的全彩显示屏、专业的比赛照明、专业扩声设备以及完善的休息化妆场所。另设有贵宾室、运动员休息室、记者室、裁判室，可满足体育竞赛、文艺表演、商品博览、大型集会和休闲健身等多功能要求。体育馆屋面工程是60.8m跨度方管钢桁架，由于主桁架长度长、吊装分段重量重，且为斜放的平面桁架结构。吊装阶段桁架平面外刚度差，容易产生变形，吊装高度最大达43m，且受现场条件限制，吊装难度极大，吊装的成功或失误直接影响到工程质量、工期和安全。

二、桁架屋盖结构形式

(一)整体布置

桁架向场内悬挑平均35m。在设计中经过方案比较，决定采用空问钢管桁架。根据下部柱间距的要求和檩条的跨度及其经济性，主桁架榀问中心距定为两个柱跨为16m，这样可以使主桁架榀数较少，主次桁架的受荷面积合理，桁架高度较小；主桁架的宽度为3.5m，榀间净距为12.5m(即檩条跨度)。每四榀主桁架组成一片屋盖。总共12片单独屋盖构成体育场的完整项盖。

设计在主桁架间设置四榀次桁架作为横向连接，次桁架分别位于主桁架前后两端，前支座和斜撑前两个节问。主桁架与次桁架形成了四纵四横的空问结构，有效承受各种荷载，协调桁架问变形，满足双向的稳定。计算结果表明，这种结构布置方案很经济，受力合理。

单片屋盖径向边缘为曲线平面桁架。屋盖问只有檩条和屋面板的活动连接，在结构上是完全脱开的，这种布置方式，目前国内是首次。完全脱开的单片屋盖彻底避免了在以往顶盖设计中的温度应力问题，省却了大量的设计构造措施和施工保证措施，加快了工期，节省了造价。因各片屋盖问可以自由变形，不需要在场内端设置大的连接梁或桁架以协调变形，屋盖整体布置如图1所示:

(二)节点形式

节点布置不仅对结构安全有重要的影响，而且直接影响钢结构的制作、安装及造价。因此节点设计是整个钢结构设计工作的重要环节，其受力性能对结构设计至关重要。对本工程中构造比较复杂的支座节点，应用有限元软件ANSYS进行了三维非线性分析，计算模型如图2所示。节点主要有:(1)钢管柱顶部汇交四向分叉钢管斜柱节点；(2)主次梁不等高且不等截面连接节点(方管主梁、H钢次梁连接节点)；(3)斜柱顶部节点(弧形主梁、拉杆耳板、斜柱顶部汇交节点)；(4)竖向撑杆顶部节点(H钢主次梁连接，下部连接竖向撑杆耳板节点)等。结构示意图如图2所示:

通过对有限元模型的大量数值模拟，综合分析了节点的承载力和刚度。支座节点应力最大值位于下支撑板处，但该值未超过钢材的屈服强度，且达到该应力值的面积很小，考虑到钢板在受力时会变形从而减小应力集中程度，实际受力时钢板的应力会更小，节点的安全度是有保证的。

三、结构与应力分析

该体育馆的拱梁的跨高次为1:100，所以索拱体系较柔，刚性强度较弱，索拱体系均有悬索和拱梁组成的。这与斜拉结构、张弦结构在受力方面有很大的不同，此结构的索中预应力的施加和建立的差异有较大的不同。在结构张拉的时候，施加预应力时，虽然在索中的应力只是一小部分，由于索拱体系较柔，索长的变化绝大部分让结构体系的变形抵消。在设计计算的时候索的初始应变尽量取值较大，这时张拉的时候伸长值就会变大。

设计要求在屋面荷载(包括屋面板、檩条和支撑共0.525kN/m2)和索梁自重作用下下拉索中建、227MPa的拉应力，同时保证水平撑杆水平。故必须确定下拉索中预应力的大小、在这种拉应力作用下索梁几何形状的分布(水平撑杆和桅杆的转角、拱梁的位移)以及其它索的应力值。在钢屋盖结构安装结束并施加部分附加恒载(如屋面系统)，简称施工阶段1，屋盖桁架在支承柱顶采用聚四氟乙烯滑动支座；桁架与支承柱连接后施加剩余的附加恒载，简称施工阶段2。

在施工阶段1，由支座处周边拉力环形析架和屋面析架形成自平衡状态，缓和柱顶水平推力对下部结构影响。采用滑动支座期间施加恒载越多，施加后续竖向荷载对柱项水平推力越小，但析架挠度以及构件内力增加；反之，采用滑动支座期间施加恒载越少，施加后续竖向荷载对柱顶水平推力越大，但有利于控制桁架挠度以及减小桁架构件内力。因此，在竖向荷载作用下，应在减小屋盖析架对支座产生水平推力以及保证桁架刚度之间找到平衡点。

设计考虑今后承建商可以有不同施工方案的选择，定义了施工上限及施工下限概念，施工下限即在施工阶段1施加的荷载为屋盖自重+25％附加恒载，施工上限即在施工阶段1施加的荷载为屋盖自重+50％附加恒载。施工阶段1桁架的竖向变形通过起拱解决，起拱值取恒荷载作用下的析架变形值，活荷载作用下桁架竖向变形控制在跨度的1/500。

四、钢结构吊装

(一)支撑体系

根据屋盖的受力特点，在每榀主桁架的前端点设置胎架支撑(见图3)，胎架支撑主要由支撑底座、支撑柱、缆风绳、千斤顶及加强构件等组成。支撑底座为5m×1m的走道板，采用H型钢及钢板焊接而成，直接放在地面上，并设置抗滑键:支撑柱采用φ609×25的钢管制作，分段采用法兰螺栓连接，材料为Q235A，两支撑柱采用8道φ9.3mm钢丝绳和双拼1-100×6交叉支撑拉结为一整体。

(二)钢骨架吊装

梭柱为等腰三角形格构柱，三角形底边和腰长分别为2.5m和2.8m，由于梭柱的吊装不能和下部混凝土结构同步进行，只能采用部分预埋、后期对接的方式。为保证对接的精确性，梭柱的制作整体进行，即预埋部分与后吊装部分整体加工，在对接位置处预留拼接耳板，制作完毕后将预埋部分和后吊装部分切割分离，吊装对接时，通过耳板处螺栓定位(见图4)，可以保证梭柱对接时钢管不错位。当胎架支撑和梭柱就位后，先吊装主桁架1和主桁架2，并将节问的封口桁架和背桁架进行高空拼接，形成一个稳定的结构受力单元，然后依次向两侧对称安装，最后进行次桁架、膜骨架、骨架支撑和撑杆的安装。整个吊装采用SC500-2型履带式起重机，主臂长43m，当回转半径为18m时，起重量为4.34t。

五、钢结构预应力张拉

(一)预应力张拉

根据总包钢结构安装进度以及结构设计张拉原则以及顺序，并综合考虑现场可能出现的实际情况以及工期、造价多方面因素，初步制定预应力张拉细化顺序按图5方式进行:

(二)拉索及钢拉杆制作

拉索和钢拉杆均为甲方采购成品，运至现场安装。拉索采用破断强度为1670MPa高强镀锌钢丝束索体，钢丝的质量和性能应满足《桥梁缆索用热镀锌钢丝》(GB/T17101-2008)中的规定，索体的弹性模量不应小于1.95GPa。索体护层材料采用高密度聚乙烯，其技术性能应满足行业标准《建筑缆索用高密度聚乙烯塑料》cJ/T3078中的规定。锚具的强度应符合钢索破断后而锚具和连接件均不能破断的准则。锚具、销轴和螺杆均为锻件，锚具采用合金结构钢，其技术性能应满足国家标准《合金结构钢》(GB3077)的规定；销轴和螺杆采用优质碳素结构钢，其技术性能应满足国家标准《优质碳素结构钢》(GB699)中的有关规定。锚具组件表面镀锌厚度40～60um。

采用等强合金钢棒钢拉杆，杆体须端部锻造镦粗后整体热处理达到力学性能要求。杆体力学性能要求:RelI≥345MPa，Rm～470MPa，A≥21％，Z≥50％，Akv≥27J(20℃)。UU型，表面喷涂环氧富锌漆，厚度60～100um。拉杆及其连接零部件检查与验收应满足国家标准《钢拉杆》(GB/T20934-2007)要求。

(三)钢拉杆以及拉索安装

由前面可知总包采用单元地面拼装后再整体吊装方案，钢拉杆以及拉索的安装可以在地面进行安装，与总包地面拼装同时进行，包括四边形环形拉索安装以及钢拉杆的安装。

拉索安装:等钢结构竖向撑杆与拉索索夹节点焊接好并定位后，将四根拉索分别与拉索索夹耳板连接；钢拉杆安装:将钢拉杆下部接头与索夹连接，并安装索夹扣，最后把钢拉杆上部与上部钢梁简单连接，方便吊装完后与节点上耳板连接施工。如图6所示:

六、结语

此工程钢结构屋盖结构十分复杂、跨度大、支撑种类多。针对结构体系的复杂性，对整体结构进行了计算分析和设计，并对其中的节点设计进行了深入分析并采取了合理的解决措施，从而保证钢结构及整体结构安全可靠，满足国家现行规范中各项设计指标的要求。经实践证明该吊装方案是在确保安全的前提下，使用机具少，工期最短的吊装方案之一。

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