鄂爾多斯東勝體育場(chǎng)巨拱安裝與張拉方案_第1頁
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鄂爾多斯東勝體育場(chǎng)巨拱安裝與張拉方案

1內(nèi)蒙古草原“弓”與鋼管拱鋼索的設(shè)計(jì)鄂爾多斯東勝體育中心位于東勝區(qū)的鐵路路上,西接科倫路,南接民族西街,總面積約49.3公頃。其中的體育場(chǎng)工程占地面積6.26萬m2,觀眾席共有35107座,地上3層,總建筑面積100451m2。體育場(chǎng)設(shè)有開合屋蓋,可以滿足全天候使用要求,建成后將成為我國規(guī)模最大的開閉頂體育建筑。建筑方案結(jié)合內(nèi)蒙古草原“弓”造型,巧妙地采用鋼管拱橋的設(shè)計(jì)理念,通過鋼索將屋蓋大部分重力荷載傳給巨拱,使大跨度屋蓋桁架高度大大降低,水平荷載則由下部剛度較大的混凝土看臺(tái)結(jié)構(gòu)承擔(dān)(見圖1)。主體育場(chǎng)固定屋蓋投影為橢圓形,短軸為220m,長軸為268m,固定屋蓋和活動(dòng)網(wǎng)殼頂部標(biāo)高為54.742m,巨拱高度129m,跨度330m。2該項(xiàng)目的特點(diǎn)2.1活動(dòng)屋蓋組合鋼結(jié)構(gòu)工程總用鋼量約1.1萬t,為可開合屋蓋斜拉索懸掛空間鋼管桁架體系。固定屋蓋與巨拱形成整體受力體系,共同承擔(dān)各種荷載效應(yīng),固定屋蓋的一部分重量經(jīng)拉索提拉傳給巨拱,再傳給大拱腳基礎(chǔ)。巨拱為四邊形管桁架結(jié)構(gòu),通過46根拉索與主桁架中部連接,主桁架兩端與環(huán)形桁架連接,環(huán)形桁架通過彈性球鉸支座與混凝土柱連接。主桁架中弦層腹桿上設(shè)置臺(tái)車軌道,軌道上安裝可開合式屋蓋(見圖2)。活動(dòng)屋蓋由兩個(gè)單元塊組成,在中間直線相交,閉合時(shí)可與固定屋蓋完全吻合?;顒?dòng)屋蓋沿跨度方向設(shè)置4道主桁架,并沿縱向布置2道主桁架,以增強(qiáng)主桁架的側(cè)向穩(wěn)定性,同時(shí)為尾部的弧形造型提供支撐。邊桁架作為主桁架的支承結(jié)構(gòu),活動(dòng)屋蓋每側(cè)各有7個(gè)臺(tái)車安裝于邊桁架下方,支承整個(gè)活動(dòng)屋蓋,并將力傳遞給下部固定屋蓋主桁架。2.2鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安裝調(diào)試本工程屬于一個(gè)綜合性系統(tǒng)工程,跨學(xué)科合作項(xiàng)目包括:鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制作與施工;起重機(jī)械、液壓設(shè)計(jì)、加工與安裝;電器、自動(dòng)控制安裝與調(diào)試。3部分必須聯(lián)合設(shè)計(jì)、聯(lián)合交叉施工,共同調(diào)試,才能取得最后成功。2.3固定屋蓋安裝、裝卸、拉索張拉本工程工期緊,結(jié)構(gòu)體型和單重均超大,內(nèi)部施工場(chǎng)地有限,且結(jié)構(gòu)形式及受力復(fù)雜,固定屋蓋安裝、卸載,巨拱的卸載、拉索張拉等順序的確定,都直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)最終的內(nèi)力分布及變形情況,也直接影響整個(gè)結(jié)構(gòu)的施工成本。所以需對(duì)施工方案進(jìn)行詳細(xì)的對(duì)比分析,對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行大量的施工計(jì)算分析,最終制定經(jīng)濟(jì)、合理、安全的施工方案。2.4施工過程中注意的問題本工程結(jié)構(gòu)復(fù)雜,施工過程中,對(duì)結(jié)構(gòu)變形造成影響的因素較多,有結(jié)構(gòu)自重引起的變形,施工誤差引起的變形,預(yù)應(yīng)力索張拉引起的變形等,施工過程中需對(duì)各種變形進(jìn)行控制、協(xié)調(diào),消除、降低結(jié)構(gòu)變形量,減少活動(dòng)屋蓋臺(tái)車的卡軌力,最終滿足活動(dòng)屋蓋開閉運(yùn)行的適應(yīng)性要求。2.5大、跨跨式吊裝固結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本工程巨拱跨度330m,高度129m,單位重量5t/m。存在高度大、重量大、跨度大的特點(diǎn)。一般的大型履帶式起重機(jī)吊裝高度不足,而塔式起重機(jī)則缺少附墻條件且吊裝能力不足,同時(shí)由于巨拱跨度大,需設(shè)置較多的臨時(shí)支撐胎架,125m高的胎架搭設(shè)也是一個(gè)難題。巨拱整體傾斜6.1°,也大大增加了安裝難度。2.6拉索索力和拉索布置本工程固定屋蓋主桁架和巨拱是通過46根拉索連接傳力,具有“長、密、柔、非對(duì)稱”的特點(diǎn)。索最長88.762m,最大索力為1550kN;拉索布置密集,間距10m;巨拱自身剛度較柔;巨拱整體傾斜6.1°,導(dǎo)致巨拱兩側(cè)拉索不等長,索力也有差異。由于上述特點(diǎn),導(dǎo)致結(jié)構(gòu)群索效應(yīng)較大,索張拉的索力相互影響很大,張拉施工難度大。3安裝連接3.1鋼桁架現(xiàn)場(chǎng)拼裝施工綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件,結(jié)合工程情況,確定本工程鋼結(jié)構(gòu)的安裝施工總體思路:鋼桁架現(xiàn)場(chǎng)拼裝→用大型履帶式起重機(jī)進(jìn)行固定屋蓋安裝→對(duì)巨拱進(jìn)行累積提升安裝→拉索安裝并張拉50%→固定屋蓋卸載→活動(dòng)屋蓋安裝→拉索100%張拉。3.2結(jié)構(gòu)軌道主桁架安裝固定屋蓋包括兩榀結(jié)構(gòu)主軌道桁架,38榀次桁架及環(huán)桁架、檁條等,桁架采取現(xiàn)場(chǎng)拼裝、分段吊裝。軌道桁架為截面復(fù)雜的空間桁架,最大截面為10m×9.37m,桁架分段最大重量為170t,主桁架吊裝采用1臺(tái)500t和1臺(tái)400t履帶式起重機(jī)進(jìn)行,次桁架主要采用1臺(tái)160t和1臺(tái)150t履帶式起重機(jī)進(jìn)行安裝,安裝順序分別從結(jié)構(gòu)南北兩側(cè)向中間進(jìn)行(見圖3),中間兩榀次桁架由于巨拱提升施工的干擾,采取待巨拱提升后再安裝的措施。結(jié)構(gòu)軌道主桁架共分為8段,每榀主桁架設(shè)置11榀臨時(shí)支撐架進(jìn)行安裝施工(見圖3),支撐架采用2個(gè)2m×2m格構(gòu)式支撐架組成的門字架形式,支撐架最大高度46m,桿件主要采用└140×14,└75×5等。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)狀態(tài)和施工狀態(tài)受力并不一致,且支撐架承受屋蓋的荷載隨著結(jié)構(gòu)的安裝和后續(xù)支撐架的卸載也在不斷變化,所以需要根據(jù)施工方案,進(jìn)行施工過程分析,驗(yàn)證結(jié)構(gòu)施工過程的安全性,并求出施工過程中支撐架所承受的最大力,進(jìn)行支撐架設(shè)計(jì),支撐架設(shè)計(jì)應(yīng)力比控制在0.85以內(nèi)。3.3拱門施工3.3.1不同高度的拉索提升經(jīng)過經(jīng)濟(jì)性、安全性、可行性綜合分析,最終選擇巨拱兩端部分設(shè)置支撐架分段吊裝,中間段180m采取累積提升、最終高空對(duì)接的安裝方案。由于現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地限制,巨拱安裝選擇在固定屋蓋安裝結(jié)束后進(jìn)行,巨拱兩端共設(shè)置10榀支撐架,對(duì)兩端部分分段吊裝,吊裝機(jī)械采用1臺(tái)500t和1臺(tái)400t履帶式起重機(jī)。對(duì)于中間180m段,采用在90m位置設(shè)置兩副專用自頂升式龍門提升塔架對(duì)巨拱進(jìn)行累積提升。第1次提升中間100m,提升高度12.4m后,兩邊各拼接20m;再進(jìn)行第2次提升,提升高度16.6m,再次拼接20m;第3次將巨拱提升到設(shè)計(jì)標(biāo)高,安裝預(yù)留的對(duì)接段(10m),完成巨拱的合龍對(duì)接。巨拱提升時(shí)采取巨拱、馬道、結(jié)構(gòu)拉索、巨拱裝飾龍骨一起提升,以減少高空作業(yè),最終提升重量1500t。結(jié)構(gòu)第1段拼裝時(shí)采用正放姿態(tài),提升脫離拼裝胎架后,利用液壓提升器調(diào)節(jié)巨拱的6.1°傾斜姿態(tài),后續(xù)對(duì)接段直接以原設(shè)計(jì)傾斜姿態(tài)進(jìn)行對(duì)接。為了保障巨拱對(duì)接的精度、減少累計(jì)誤差及結(jié)構(gòu)附加內(nèi)力,采取在每次提升時(shí),對(duì)巨拱提升高出標(biāo)高約50mm,在巨拱下方(第1,2次在中間,第3次在兩端)加設(shè)臨時(shí)支撐架,然后利用提升器時(shí)巨拱降落,利用支撐架支撐調(diào)節(jié)巨拱的變形。如圖4所示。選用龍門塔架截面為4m×4m,跨度16m,安裝高度為127m,每個(gè)塔架設(shè)置2個(gè)提升點(diǎn),每個(gè)提升點(diǎn)設(shè)置2臺(tái)350t液壓提升器,對(duì)巨拱進(jìn)行4點(diǎn)提升,共8臺(tái)液壓提升器。3.3.2提升吊點(diǎn)安全分析根據(jù)巨拱提升方案,對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工過程驗(yàn)算,最大應(yīng)力比0.6,小于規(guī)范受力要求,結(jié)構(gòu)仍處于彈性受力階段,支撐架卸載后能夠恢復(fù),結(jié)構(gòu)提升過程安全可靠。對(duì)提升吊點(diǎn)進(jìn)行有限元分析,表明節(jié)點(diǎn)安全可靠。對(duì)提升塔架進(jìn)行各種不利工況下受力驗(yàn)算,塔架最大應(yīng)力比為0.62,滿足受力要求,安全可靠。3.4索拉施工3.4.1拉伸系的測(cè)定本工程46根拉索具有“長、密、柔、非對(duì)稱”的特點(diǎn),群索效應(yīng)較大,張拉時(shí)索力相互影響很大,張拉施工難度大。拉索規(guī)格采用ue7885mm×241半平行鋼絲束。拉索的安裝順序隨巨拱安裝順序進(jìn)行。安裝過程如下:(1)在地面上將拉索的上索頭與巨拱連接就位;(2)隨巨拱提升或吊裝,拉索逐漸展開;(3)巨拱安裝就位后,利用卷揚(yáng)機(jī)和葫蘆等將拉索下索頭與固定屋蓋相連;(4)對(duì)于被動(dòng)張拉索,根據(jù)制作索長誤差和索端節(jié)點(diǎn)安裝誤差調(diào)整索長,隨即將被動(dòng)索的索頭與端節(jié)點(diǎn)連接就位;(5)對(duì)于主動(dòng)張拉索,為便于被動(dòng)索的安裝,采用先適當(dāng)放長,待被動(dòng)索安裝完畢后,隨即預(yù)緊主動(dòng)索。3.4.2拉索張拉項(xiàng)目根據(jù)本工程的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),確定了張拉控制的項(xiàng)目以及主控項(xiàng)目。拉索張拉實(shí)行力和形雙控。力的控制主要為索力,形的控制主要為拉索吊點(diǎn)的豎向位移以及鋼拱的平面外位移,其中以控制變形為主。3.4.3第2階段2040%本工程拉索采用分階段、分批、循環(huán)、順序張拉的方案,共分2階段張拉:(1)鋼拱和固定屋蓋安裝就位后,進(jìn)行第1階段張拉,施加50%的初始預(yù)張力。(2)活動(dòng)屋蓋在合龍狀態(tài)下安裝就位后,進(jìn)行第2階段張拉,施加100%的初始預(yù)張力。每個(gè)張拉階段多循環(huán)張拉:(1)第1階段設(shè)2循環(huán):預(yù)緊→40%→50%。(2)第2階段設(shè)3循環(huán):50%→75%→90%→100%。將拉索分為12批,同批拉索的根數(shù)為2~4根,從中間向兩端對(duì)稱進(jìn)行,再從兩端向中間對(duì)稱循環(huán)進(jìn)行。為減小拉索錨固預(yù)應(yīng)力損失和長期預(yù)應(yīng)力損失,拉索張拉端采用冷鑄錨,并在理論施工張拉力的基礎(chǔ)上超張拉3%。3.4.4結(jié)構(gòu)自適應(yīng)對(duì)比本工程巨拱合龍后到拉索預(yù)緊,中間的施工方案和結(jié)構(gòu)的安全性是施工的一個(gè)關(guān)鍵,巨拱提前卸載,獨(dú)立拱結(jié)構(gòu)受力較大;將兩邊拉索掛索預(yù)緊后再卸載,又將增大支撐架的受力和施工成本。采用大型有限元分析軟件ANSYS,對(duì)巨拱分兩種施工情況進(jìn)行各種工況分析。1)對(duì)巨拱先卸載后掛索情況進(jìn)行了單拱在結(jié)構(gòu)自重標(biāo)準(zhǔn)值作用下受力分析、特征值屈曲分析、幾何非線性屈曲分析等(見圖5a),得出結(jié)論:獨(dú)立鋼拱在結(jié)構(gòu)自重標(biāo)準(zhǔn)值作用下,跨中橫向水平位移較大(約為矢高的1/127),應(yīng)力水平較高;在5倍結(jié)構(gòu)自重標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi),跨中節(jié)點(diǎn)位移隨荷載基本呈線性變化;經(jīng)考慮幾何初始缺陷的承載力分析,構(gòu)件最大應(yīng)力比為0.75。因此,盡管結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和構(gòu)件承載力滿足要求,但橫向水平位移過大,不滿足要求。2)先將鋼拱傾斜方向相反一側(cè)的拉索預(yù)緊,再對(duì)巨拱卸載,對(duì)索-拱進(jìn)行了各種計(jì)算分析(見圖5b),得出結(jié)論:在預(yù)緊拉索后再將支撐架主動(dòng)脫離鋼拱,形成索-拱子結(jié)構(gòu)。相對(duì)獨(dú)立鋼拱,索-拱的變形大大減小,應(yīng)力水平也有所降低,而且屈曲特征值大大增加,因此索-拱的安全性大大提高,同時(shí),由于是單邊掛索,巨拱變形后,變形位移向上,支撐架自動(dòng)卸載。所以,施工中應(yīng)先將鋼拱傾斜方向相反一側(cè)的拉索預(yù)緊,再將支撐架主動(dòng)脫離鋼拱,然后正式張拉拉索。3.5活動(dòng)屋蓋軌道預(yù)偏本工程活動(dòng)屋蓋每個(gè)單元設(shè)置14個(gè)臺(tái)車,通過卷揚(yáng)機(jī)帶動(dòng)臺(tái)車,在兩榀主桁架軌道上進(jìn)行滑動(dòng)來實(shí)現(xiàn)活動(dòng)屋蓋的開啟、閉合。由于在恒載、溫度荷載及預(yù)應(yīng)力等荷載的變化下,結(jié)構(gòu)將發(fā)生變形,如何在施工過程中,通過施工措施減小部分荷載對(duì)軌道的變形影響,提高機(jī)械臺(tái)車運(yùn)動(dòng)的適應(yīng)性,是本工程的一個(gè)重點(diǎn)。本工程采取對(duì)臺(tái)車軌道預(yù)變形、軌道后固定、機(jī)械臺(tái)車后固定的措施增強(qiáng)臺(tái)車運(yùn)行的適應(yīng)性,具體措施為:(1)在固定屋蓋主結(jié)構(gòu)安裝完畢,對(duì)拉索張拉50%索力,拆除結(jié)構(gòu)支撐架,結(jié)構(gòu)變形后進(jìn)行軌道安裝,這樣就消除了大部分恒載和預(yù)應(yīng)力對(duì)軌道變形的影響;(2)在安裝軌道時(shí),根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)軌道進(jìn)行預(yù)變形,減小后期恒載和預(yù)應(yīng)力荷載對(duì)軌道變形的影響;(3)活動(dòng)屋蓋與機(jī)械臺(tái)車之間先用臨時(shí)支撐固定,活動(dòng)屋蓋安裝完畢、整體卸載變形后再與機(jī)械臺(tái)車固定連接,消除活動(dòng)屋蓋恒載變形對(duì)臺(tái)車的影響。結(jié)構(gòu)索張拉50%后,在屋蓋封閉位置安裝活動(dòng)屋蓋,采用履帶式起重機(jī)對(duì)屋蓋桁架進(jìn)行單榀吊裝,桁架中間加設(shè)支撐架,桁架兩端在軌道拱上設(shè)置臨時(shí)支撐固定,活動(dòng)屋蓋安裝完畢,卸載變形后,再將桁架兩端與機(jī)械臺(tái)車固定。通過有限元軟件SAP2000對(duì)結(jié)構(gòu)建模,選取活動(dòng)屋蓋處于閉合,1.904°,3.808°,5.712°,7.616°,9.52°(完全開啟)6種狀態(tài)進(jìn)行適應(yīng)性分析。分析結(jié)果如下。1)原設(shè)計(jì)下臺(tái)車適應(yīng)性位移數(shù)據(jù)分析對(duì)應(yīng)臺(tái)車適應(yīng)性位移數(shù)據(jù)最大值為98mm,小于臺(tái)車適應(yīng)性允許值100mm,滿足設(shè)計(jì)要求。此時(shí)固定屋蓋軌道在活動(dòng)屋蓋運(yùn)行到相應(yīng)位置時(shí)位移變形如圖6a所示。2)考慮施工過程臺(tái)車適應(yīng)性位移數(shù)據(jù)分析在此狀態(tài)下臺(tái)車適應(yīng)性位移數(shù)據(jù)最大值為55mm,比結(jié)構(gòu)原設(shè)計(jì)狀態(tài)下98mm減小43mm。此時(shí)固定屋蓋軌道在活動(dòng)屋蓋運(yùn)行到相應(yīng)位置時(shí)位移變形如圖6b所示。3)考慮施工過程軌道預(yù)偏,臺(tái)車適應(yīng)性位移數(shù)據(jù)分析根據(jù)上述計(jì)算分析結(jié)果,考慮在軌道安裝時(shí)對(duì)軌道變幅中軸線偏離較大部分進(jìn)行施工預(yù)偏(見圖7)。對(duì)A軌道距離中線15.88m,長29.4m段進(jìn)行圓弧預(yù)偏,最大預(yù)偏距離19mm,對(duì)B軌道中間總長70.8m段進(jìn)行圓弧預(yù)偏,最大預(yù)偏距離38mm。軌道進(jìn)行預(yù)偏后,臺(tái)車適應(yīng)性位移數(shù)據(jù)最大值為40mm,比不預(yù)偏情況55mm減小15mm。預(yù)偏后固定屋蓋上軌道在活動(dòng)屋蓋運(yùn)行到相應(yīng)位置時(shí)軌道位移變形如圖6c所示。從上述分析可知:通過調(diào)整安裝施工順序,在軌道安裝前允許結(jié)構(gòu)自由變形,消除部分恒載和部分預(yù)應(yīng)力荷載產(chǎn)生變形對(duì)軌道的影響,可使臺(tái)車適應(yīng)性位移數(shù)據(jù)從98mm減小到55mm,通過軌道預(yù)變形使臺(tái)車適應(yīng)性位移數(shù)據(jù)從55mm減小到40mm,減小了結(jié)構(gòu)變形對(duì)軌道變形的影響,提高了臺(tái)車運(yùn)行效率。3.6施工方案的確定卸載過程是一個(gè)緩慢的受力體系轉(zhuǎn)變、傳力路徑轉(zhuǎn)變的過程,是從施工安裝階段到設(shè)計(jì)階段的轉(zhuǎn)化過程,在這個(gè)過程中必須遵循“變形協(xié)調(diào)、卸載均衡”的原則。否則,有可能造成臨時(shí)支撐超載失穩(wěn),或者桁架結(jié)構(gòu)局部甚至整體受損。因?yàn)槭┕るA段的受力狀態(tài)與結(jié)構(gòu)最終受力狀態(tài)完全不一致,必須制定切實(shí)可行的技術(shù)措施,確保滿足多種工況要求。本工程固定屋蓋和巨拱安裝過程中用到了大量支撐架,巨拱支撐架卸載在巨拱傾斜方向相反一側(cè)的拉索預(yù)緊后進(jìn)行,固定屋蓋支撐架卸載在結(jié)構(gòu)拉索張拉50%后進(jìn)行,根據(jù)施工過程模擬分析,由于拉索的作用,巨拱有6個(gè)支撐架(共10個(gè))都已與結(jié)構(gòu)脫離,固定屋蓋有12個(gè)支撐架(共22個(gè))都已與結(jié)構(gòu)脫離,其余未脫離的支撐架受力也減小了很多,對(duì)未脫離支撐架采用同步卸載的施工方案。本工程卸載是通過放置在支架上的千斤頂支撐裝置,通過多次循環(huán)微量下降來實(shí)現(xiàn)“荷載平衡轉(zhuǎn)移”。4工

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