六盘水凉都体育中心位于凉都大道与钟山大道交界处, 占地面积33万m², 总建筑面积15万m²。该工程主要包括体育场、体育馆、市民健身中心、游泳馆等。主体育场采用的铝镁锰合金屋面板具有防水、循环通风、隔热保温、美观等效果。

凉都体育中心主体育场为空间管桁架结构, 桁架上锚固有檩条, 檩条之间为焊接固定, 铝镁锰屋面板锚固在檩条上, 从而形成体育场屋面系统。现存在以下问题: (1) 檩条跨度大、定位及焊接难度高; (2) 铝镁锰屋面板铺设在檩条上, 易发生变形、翘曲等现象; (3) 屋面板与天沟搭接处咬合固定不牢; (4) 板下端收口处无法固定。

1) 屋面系统结构复杂, 安装檩条产生误差凉都体育中心主体育场主桁架为四边形空间管桁架, 连系桁架为四边形和三角形空间管桁架, 水平支撑为平面管桁架。桁架结构复杂, 现场通视条件差, 檩条放线定位施工难度高, 造成檩条在安装过程中产生误差。

2) 屋面板因承受荷载易发生变形该体育中心主体育场屋盖采用2个结构完全相同且相互独立的空间曲面钢桁架挑篷, 该挑篷为开放式, 上面铺设铝镁锰屋面板。六盘水市为云贵高原地形, 且主体育场位于山脚下, 风压大, 屋面板上、下表面均承受风荷载, 易发生变形、翘曲现象。

为使屋面板安装与檩条相吻合, 解决施工现场出现的问题, 则重新采集了现场数据, 修改檩条模型, 从而根据新的檩条模型拟合出与檩条相吻合的高精度屋面板模型。并对屋面板进行风洞试验、内力分析, 确保修改后的屋面板模型满足结构承载力及稳定性要求。使用拟合数据, 加工出符合规格的屋面板, 在檩条上铺设、固定安装。

该屋盖挑篷结构主要由矩形管桁架形成的主桁架和次桁架构成, 主檩条搭在挑篷主桁架上, 在主桁架空间定位球位置处以及其他重要位置处设有檩条支座, 主檩条焊接、锚固在支座上。为确保屋面造型的准确性, 控制点的测量定位从主桁架控制网架定位球节点上檩条支座坐标入手, 确定屋面檩条三维坐标, 修改檩条模型。根据现场施工及主桁架布置位置对檩条进行分区, 采集现场檩条及主檩托处坐标点数据。

利用钢结构Tekla Structures软件模拟桁架模型 (见图1) , 查找主桁架空间定位球的坐标, 参照施工现场主檩条支座的实地测设坐标, 并借助南方测绘CASS软件统一输出所选点的x, y, z三维坐标, 依据主桁架分区整理并以表格的形式呈现。

将所选搭接在主桁架上的主檩条分为5个区域 (见图2) :区域1为桁架1~3;区域2为桁架3~5;区域3为桁架5~13;区域4为桁架13~21;区域5为桁架21之后角点檩条。为便于准确定位, 以桁架10为中心, 同时向两边测量定位。因所选测设点在5个区域共有159个, 以2区部分点为示例说明, 如表1所示。

依据现场坐标, 借助计算机辅助工具以及Auto CAD软件, 建立新的檩条模型。取新建檩条模型桁架10主檩详图, 拟合该主檩上端所铺设弧形板的数据。

按修改后的檩条模型, 采集每2榀主桁架之间屋面板的弧度、弧长以及弦长等数据, 并对屋面板分区, 使其与前文檩条分区同步, 确定出屋面板三维拟合图。根据不同区域的檩条弯曲程度、跨度, 计算出每块区域屋面板的数量及弧度、弧长和弦长。

利用Auto CAD软件三维制图工具, 建立新的屋面板三维图 (见图3) 。

区域1沿次檩条跨度方向长32.7m (约为33m) , 计算出需大致铺设78块板, 从主桁架1起铺设;区域2铺设64块板, 从主桁架3起铺设;区域3铺设198块板, 从主桁架5起铺设;区域4铺设233块板, 从主桁架13起铺设;区域5铺设10块板, 从主桁架21左边起铺设。考虑曲面屋面角部处理还需另外铺设屋面板, 并与其相邻板搭接牢固, 共约需要600块铝镁锰屋面板。

利用钢结构分析软件3D3S建立模型, 经过计算得出屋面板受向下的力小于向上的力, 取最不利工况进行受力分析及验算 (见图4) 。

屋面板通过T形支座连接到次檩条上, 故屋面板受力应为多跨连续梁形式, 计算跨度取1.4m。在强度验算时, 结构重要性系数γ₀=1.1。安全系数λ_M=1.1, 其计算模型如图5所示。

1) 荷载计算恒荷载:屋面板自重0.046kPa;活荷载:0.500kPa;风荷载:负风压标准值ω_k1=-1.34kPa, 正风压标准值ω_k2=0.515kPa。

2) 荷载组合w_q^uw_q^u=恒+风=0.046×1.0-1.340×1.4=-1.83kPa。

3) 内力计算及强度验算边跨跨中弯矩M_{1, f}=0.08×w^u_q×L²=-0.29kN·m/m<M_{F, K}/λ_M=2.54 kN·m/m。

中间跨支座弯矩M_{m, f}=0.107×w_q^u×L²=-0.38kN·m/m<M_{F, K}/λ_M=2.455 kN·m/m。

边支座反力R_a=0.4×w_q^u×L=-1.02kN/m<R_{a, k}/λ_M=19.27kN/m。

式中:R_{a, k}是允许支座反力 (kN/m) 。

中支座反力R_b=1.143×w_q^u×L=-2.93kN/m<R_{b, k}/λ_M=13.00kN/m。

式中:R_{b, k}是边支座允许反力 (kN/m) 。

支座弯矩及反力综合验算:M_{m, f}/M⁰_{B, K}+R_b/R⁰_{B, K}-0.38/2.81-2.93/200=-0.15<1.0。

M_{m, f}是中间跨支座弯矩 (-0.38kN·m/m) ;M⁰_{B, k}为支座允许弯矩 (2.81kN·m/m) ;R_b是中支座反力;R⁰_{B, k}是支座允许反力。

由以上弯矩、反力验算可知, 强度满足要求。

4) 刚度验算n^u_max=3×w^u_q×L⁴/ (384EI_x) =-0.83。

容许挠度值[n]=L/200=7mm;n^u_max<[n], 刚度满足要求。

屋面板采用直立锁边YX65-430型1.2mm厚铝镁锰合金板。在现场根据测量所得屋面板长度压制面板。压型后的面板肋高65mm、板宽425mm, 每件板在铺装时为一块通长板, 纵向无搭接。压制成的面板应依据新生成的拟合数据, 采用弯弧机加工制成, 并与现场檩条相吻合。

屋面板安装时, 板小肋边朝安装方向一侧, 以利安装。采用高强铝合金固定支座与檩条固定, 再将屋面板卡在固定支座的梅花头上, 然后用电动锁边机将板肋锁在固定支座上。这种固定方式不需穿透板面, 因而不会产生应力集中。

铝镁锰屋面板安装新技术较传统技术具有质的跨越。结合凉都体育中心主体育场屋面系统施工遇到的问题, 借助精准测量仪器全站仪和一系列计算软件进行原因分析并提出解决措施, 且通过了从结构分析到现场施工的验证。