网架结构作为当前发展最快的空间结构形式, 有其独特优势, 整体刚度大、自重小、稳定性好、受力状态合理、工业化程度及经济性高, 可以轻松实现优美的大跨度建筑造型。网架结构的优势很好地适应了蓬勃发展的公共基础设施建设, 被广泛应用在体育馆、展览馆、机场等公共建筑中^[1,2]。网架安装施工方案也相对成熟, 广泛运用的施工方法有:高空散装法、分条 (块) 安装法、累积滑移法、整体提升法、整体顶升法等^[3]。工程实践过程中, 往往需根据现场实际情况合理选择施工方案, 实现网架安装施工的安全性、经济性等各项指标。

本文以2019年第七届世界军人运动会武汉商学院游泳馆屋盖网架安装为例, 重点阐述施工方案的选择及顶升施工在工程中的应用。

武汉商学院游泳馆项目位于湖北省武汉市经济技术开发区, 项目采用“奥运标准”建设, 建成后将成为国际单项赛事甲级游泳馆并作为2019年第七届世界军人运动会游泳赛事主场馆 (见图1) 。项目总建筑面积约1.4万m², 主体采用现浇钢筋混凝土框架结构, 屋盖采用双层焊接球钢网架结构, 屋盖网架平面最大尺寸为70.6m×75.6m, 网架厚度为3.5m, 网格为焊接球正放四角锥形式, 支承形式为下弦多点支承, 网架四周边界及?轴设置支座, 采用抗拉球形固定钢支座, 屋盖建筑最高点标高为19.800m, 网架下方设置两纵两横钢马道 (见图2～3) 。

施工方案的选择要充分考虑现场实际情况, 本工程网架安装工期短、现场施工场地狭小、支座间距大、网架边缘为弧形, 另外考虑施工经济性, 经过对工程工期、施工安全及经济性的考虑, 本工程选择顶升方案进行网架安装。另外, 本项目为体育场馆工程, 网架下方有比赛池池底 (-2.700m) 、比赛池池岸 (-0.040m) 、看台顶面 (4.960m) 、3层屋面 (10.200m) 各结构层, 各结构标高不一, 无法进行网架一次性整体拼装后顶升, 施工现场充分利用各结构层平台, 制订了网架逐层外延拼装顶升的方案。

逐层外延顶升是利用现场各层混凝土结构平台, 保证网架均在地面或平台进行拼装, 低标高平台区域网架拼装完成后, 顶升至稍高平台, 继续拼装网架, 继续顶升, 直至安装就位, 避免了网架高空拼装作业, 安全系数高, 同时可实现与混凝土部分结构的搭接作业, 有效缩短工期。

网架拼装采用由内而外逐网格外延的方法, 且拼装区域顺序与顶升顺序保持一致。拼装区域施工流程为:比赛池池底拼装→比赛池池岸拼装→拼装看台顶面→3层屋面区域拼装。具体拼装方法为:首先进行放线, 确定开始区域下弦球及下弦杆投影位置, 设置下弦球支撑点, 将最初4个下弦球通过下弦杆连接为网格, 安装精度检查无误后进行腹杆及上弦杆连接, 当最初网格具有一定刚度后, 检查各球节点坐标, 无误后向四周放射拼装。向四周放射安装2～3个网格后增添临时支撑点, 并检查临时支撑点落点与设计轴线的误差, 符合要求后继续向四周延伸安装网架, 直至达到顶升区域要求后, 进行顶升施工。顶升前需将已拼装完毕的网架进行防腐及防火涂料施工 (避免高空涂装施工) 。

顶升点布置需考虑的因素为:顶升支架的承载力和顶升油缸的工作能力、顶升过程中网架结构受力状态^[4]、顶升点位置混凝土结构的承载力。

本项目是逐层外延顶升施工, 顶升过程中, 涉及顶升点的增加与调整, 考虑上述因素, 具体顶升点的布置为:第1阶段顶升 (-2.700～4.960m) 施工共设置6个顶升点 (见图3) , 布置于比赛池底部 (无地下室) , 顶升油缸设置在上弦球节点处;第2阶段顶升 (4.960～10.200m) 共设置10个顶升点, 在?轴及?轴混凝土柱顶布置8个顶升点, 并将第1阶段顶升比赛池底部6个顶升点调整为2个, 位置也相应调整, 顶升油缸设置在下弦球节点处, 顶升受力位置设置在下弦球处, 与网架最终成型后的受力状态更加吻合, 能有效减少顶升过程中超应力杆件数量^[5];第3阶段顶升 (10.200m至支座上部) 共设置14个顶升点, 即在第2阶段顶升10个顶升点的基础上, 在轴混凝土柱顶增设4个顶升点 (见图5) 。

在第1与第2阶段顶升间置换顶升架时, 先将?轴及?轴新增的8套顶升设备及比赛池池底2套顶升设备装好, 受力同步后, 再将比赛池池底原6套顶升设备卸载拆除。在第2与第3阶段顶升之间增设顶升设备时, 直接将4套顶升设备布置于轴柱顶并保证受力同步即可。

此次顶升施工采用50t系列顶升架, 每套顶升设备最大顶升50t (为安全考虑, 一般≤40t) 。顶升架由上、下托架及标准节支架组成, 通过不断增加标准节的数量实现顶升架高度。顶升施工过程中, 关键安全控制点包括顶升架的强度和稳定性、网架杆件受力及顶升点位置混凝土结构受力, 同时要保证网架顶升的同步度。项目运用专业网架设计软件 (MST2016) 对顶升过程中各项受力参数进行计算, 并对发现的问题进行改进。

利用软件对3个阶段顶升最不利工况 (各阶段网架最大顶升量) 进行顶升点支反力计算, 结果如表1所示。

3次顶升最大支反力为285.4kN, 远小于顶升架400kN的承载力, 顶升架结构安全有充足保证。

为控制顶升架在顶升过程中的稳定性, 顶升高度>6m时, 需及时增加斜撑杆 (114×4钢管) , 当顶升架高度达到15m左右时, 顶升架设置4道斜拉索 (18钢丝绳与手拉葫芦或花篮螺栓配合) ^[6]。并采用全站仪对顶升架垂直度进行实时监控, 顶升架倾斜值≤H/1 000 (H为顶升架高度) , 且≤10mm。超过此范围, 应立刻停止顶升, 查找原因, 校正完毕后方可继续顶升。

顶升点布置要充分考虑底部混凝土结构的承载力, 此次顶升6个顶升点设置在无地下室结构的比赛池底部, 剩余顶升点均布置在混凝土柱顶或交叉梁处, 在柱顶和交叉梁处铺设钢板以平摊顶升架支反力, 在交叉梁下部设置反向支撑, 并在顶升施工初始阶段, 对顶升点位置混凝土强度进行监控, 如发现异常, 立即进行进一步加固或顶升卸载。

采用MST2016软件对各阶段顶升网架杆件应力比及长细比进行计算, 将应力比>0.9的杆件归为超应力杆件。长细比允许值为:压杆容许长细比180;拉杆容许长细比300^[3]。经计算, 无超长细比杆件, 存在超应力杆件, 结果如表2所示。

对超应力杆件采用2种方式进行补强:采用加强型杆件进行替换、对原杆件进行加强 (见图6) 。

顶升施工中, 各顶升点的相对高差超出设计允许偏差范围, 网架受力就会发生变化, 因此在顶升过程中需严格控制网架顶升的同步度。网架顶升的同步控制通过位移传感器实现^[7], 即通过设置在顶升点位置的位移传感器将各点位移数据传输给控制计算器, 当发现某一顶升点与其他顶升点的高差>15mm^[1], 计算机会通过调整供油或停止该顶升点顶升实现网架的同步顶升。

1) 顶升过程中, 需专人指挥, 各岗位密切配合, 网架下方严禁有人。

2) 顶升过程中, 密切监控网架杆件的变形情况, 特别是方案阶段分析出的超应力杆件。对于新出现的超应力杆件, 在杆件弯曲的初始阶段即可进行补强或更换, 避免在网架整体受力后的复杂受力情况下更换杆件。

3) 网架顶升期间, 要充分考虑风荷载对顶升施工安全的影响, 关注天气预报, 做好恶劣天气已顶升网架及顶升设备的应急准备, 遇6级及以上大风时, 停止顶升施工。

4) 一个阶段顶升施工完成或当天施工结束后, 要对电源、油缸等进行检查, 另外, 要保证网架受力已落在顶升架上, 避免液压油缸长时间受力。

通过对工程实践的分析, 验证了顶升施工方案在体育馆类网架屋盖安装施工中的各项优势。

1) 在充分考虑顶升施工中各安全因素的前提下, 顶升施工能够实现网架的地面或平台拼装, 避免高空拼装作业, 安全性高。

2) 避免满堂脚手架搭设等工作, 有效缩短工期, 提高经济效益。

3) 逐层外延顶升也能很好地适应网架下部土建结构复杂、拼装平台标高多变的工程。