因钢拱结构质量轻、强度高, 在大跨度现代公共建筑中被广泛使用^[1,2]。工程中大跨度拱的最大变形往往限制在一定范围内, 非线性不是很突出^[3], 但稳定性却是重点关注的问题^[4]。因此, 有必要研究组合拱的强度、刚度控制及稳定性计算^[5,6]。与计算结果相比, 实体结构的动力特性有一定的差别, 主要是因为实际材料的弹性模量与计算中采用的不同^[7]。为了减少现场安装产生的累积误差, 对大跨度组合钢拱桁架进行工厂的预拼装, 以检验构件制作的精度, 及时调整、消除误差, 从而确保构件现场顺利吊装。进行各段的吊装、临时胎架的设置与拆除、主拱卸载、施工模拟等计算, 可以保证组合拱的顺利安装^[8]。

重庆西站 (见图1) 站房屋盖主结构采用正交空间管桁架结构体系, 屋盖结构横轨方向长417.3m, 顺轨方向宽266.88m, 屋盖呈弧线形。站房正立面设有组合拱钢结构桁架, 上拱宽6m, 下拱宽2m, 通过上下拱连杆连接。上拱跨度192m, 下拱跨度108m, 桁架跨度大, 平面尺寸巨大。桁架主要杆件截面规格180mm×8mm, 700mm×40mm, 使用的钢材材质Q345B, Q345GJB;工程钢管拱最大直径达700mm, 钢管最大壁厚达40mm。组合拱桁架端部设有30道平面悬挑次桁架, 桁架悬挑长5.5m。主要杆件截面类型为圆管和箱形, 使用钢材材质为Q345B。

东站房组合拱桁架主要由上拱、下拱和中部撑杆组合而成。组合拱结构拟采用地面拼装、分段吊装的方法, 吊装机械选用650t履带式起重机主臂工况安装, 50t汽车式起重机配合安装。上拱分为11段对称吊装;下拱共分9段对称吊装。分段情况如图2所示。安装顺序为:先安装下拱 (从两边往中间安装, 在中间位置合龙) →下拱合龙后再安装上拱 (上拱从两边向中间安装, 在中间位置合龙) 。

在上拱安装过程中, 每安装1段上拱后, 及时安装上拱与下拱之间的腹杆及与上拱相连的平面桁架, 以确保组合拱的侧向稳定。但在结构卸载之前, 上下拱之间的腹杆不参与受力, 只为确保结构的侧向稳定, 组合拱的上下拱在安装过程中均由临时支撑架承担 (临时支撑架落在混凝土板上时, 其下部采用相同的支撑架回顶至基础顶面) 。在安装过程中, 对组合拱进行渐变起拱, 跨中最大起拱值为50mm。上、下拱在安装过程中均设置支撑架。组合拱上拱相应吊装段安装之后, 立即安装两拱之间的拱间撑杆, 撑杆是主要截面为400mm×16mm, 325mm×12mm, 203mm×12mm等圆钢管, 长度不均, 从拱脚至拱顶撑杆逐渐变短, 撑杆中部有连系钢管梁。

东站房钢结构组合拱体系安装过程中, 主要涉及2类支撑架体系。上拱和下拱支撑体系单独设置、相互独立。下拱桁架安装时支撑架点使用1个2m×2m×1.5m的支撑体系, 设置5组支撑点。上拱桁架安装时支撑架点使用2个2m×2m×1.5m的组合支撑体系, 设置8组支撑点。

组合拱桁架上拱安装过程中, 为确保支撑架体系稳定, 将上拱支撑架与就近的混凝土结构或合龙后的下拱桁架连接固定 (见图3) 。临时支撑架落在混凝土板上时, 其下部采用相同的支撑架回顶至基础顶面。

东站房组合拱钢结构桁架吊装过程中, 为增加下部支撑架体系的安全度, 上拱桁架中部4个组合支撑架中心加设圆管加固, 即8个支撑架;下拱桁架中部3个支撑架中心加设圆管加固。截面中部增加≥219mm×10mm的圆钢管, 并通过≥60mm×3.5mm的圆管与原格构柱相连。组合拱桁架下的临时支撑架高度大, 最高一个支撑架高约37m, 单个支撑架稳定性能差, 为保证安全及稳定性, 需使用桁架将相邻2个支撑架连接成整体, 并设置剪刀撑及缆风绳。

程序自动计算结构自重, 并对其进行1.35倍的放大, 以考虑节点附加质量;分析了恒荷载、活荷载、温度荷载、风荷载 (10年) 组合工况下结构的应力和变形。取组合工况1.2×恒荷载+1.4×活荷载+0.7×温度作用+0.6×风荷载进行结构的应力和变形分析。同时考虑1.5倍的动力放大系数。

对拱架结构进行分块吊装 (见图4) 及计算, 结构最大变形:x向9.8mm, y向13.4mm, z向23.1mm;应力最大为84.6N/mm²。吊装单元最大悬挑跨度为12.0m, 根据JGJ7—2010《空间网格结构技术规程》, 取变形限制为1/250, 则最大变形为48mm, 满足要求;吊装单元非悬挑跨度最大24.0m, 取变形限制为1/400, 则最大变形为60mm。计算结果均满足要求。验算结果表明吊装单元的应力及变形均在允许范围内, 满足吊装要求。

卸载是施工过程的一个重要环节, 结构主体与临时支撑的脱离使主体结构转换为设计受力状态, 在这个过程中, 结构受力从一个多点支撑受力的状态向自身结构支撑受力的状态转变, 结构杆件的内力和结构的变形随着临时支撑的拆除一直处于变动状态, 直到拆除完临时支撑。由此可见, 临时支撑的卸载过程是对永久结构不断加载的一个过程, 结构会经历复杂的内力重分布。

主拱卸载是在整个东站房屋盖体系 (墙面桁架除外) 安装完成后进行。主拱的卸载顺序为 (见图5) :从中间往两边卸载, 先卸载中间3段支撑体系→卸载跨中剩余支撑架→卸载支座边支撑架。

主拱卸载计算如图6所示, 安装过程中, 组合拱最大挠度为15.1mm, 杆件最大应力为130.7N/mm²。卸载过程中, 组合拱最大挠度为34.6mm, 杆件最大应力为137.5N/mm², 卸载完成后, 组合拱处于最终状态时的最大挠度为25.2mm, 杆件最大应力为43.2N/mm², 挠度最大位置发生在组合拱跨中位置, 杆件最大应力发生在组合拱拱架支座附件的弦杆位置。

通过对组合拱在安装、卸载过程中结构的变形、杆件应力以及支撑架进行受力分析, 使组合拱及支撑架在安装、卸载过程中的位移和应力得到了控制, 且组合拱的安装方案、卸载方案是安全、可行的。

组合拱在卸载前后, 进行了拱的竖向变形测试。测点布置如图7所示, 布置于上拱的下弦7个点和下拱的下弦5个点。通过粘贴反光片定位, 由全站仪分别进行卸载前和卸载后2次竖向位移的测试。

拱桁架变形检测到卸载后大拱跨中最大竖向位移为24.4mm, 小拱跨中最大竖向位移为18.5mm。但大、小拱在同一竖向位置的竖向变形不一致。大拱竖向变形大于小拱相应位置值, 且越往两边差值越大 (见图8) , 主要反映2个拱的竖向刚度与相应荷载的比值不同, 另一方面反映2拱之间的杆件大部分处于受压状态, 受压变形导致二者存在差异。

构件的截面、弹性模量、几何尺寸、连接、空间位置等能够综合反映在结构动力特性之中。为了得到拱实体的主要振动频率, 采用脉动试验的方法。脉动试验是一种以环境影响为输入信号, 以结构微小振动为响应信号的试验方法, 利用位移传感器拾取振动对结构的响应信号, 计算分析功率谱和凝聚函数, 以确定结构的频率。

测点布置于小拱顶, 分东西向、南北向和竖向。所得的时程曲线、傅氏谱及相位谱如图9所示。

实测结果如表1所示, 竖向频率为2.88Hz, 水平南北向频率分布在2.00～3.88Hz, 水平东西向频率分布在2.00～3.88Hz。与计算结果相比有明显差距。动力特性的测试值常不同于计算值, 表明理论计算与实际成型的钢结构动力特性的复杂性, 需要在设计中考虑实际材料的弹性模量、平均构件加工精度及平均施工水平, 以避免结构的主振周期与特征周期相近。

1) 重庆西站东站房组合拱钢结构桁架上拱跨度192m, 下拱跨度108m, 中间以相应支撑杆件相连。采用地面拼装, 设置临时胎架、分块吊装的方法进行安装。

2) 进行了分块吊装及卸载的计算分析, 其结果指导了实际吊装过程及卸载过程, 保证了施工顺利进行。

3) 实测得到拱卸载前后的竖向变形差, 卸载后大拱跨中最大竖向位移为24.4mm, 小拱跨中最大竖向位移为18.5mm。大拱竖向变形大于小拱相应位置值, 且越往两边差值越大, 主要反映2个拱的竖向刚度与相应荷载的比值不同。

4) 动力特性实测得竖向频率为2.88Hz, 水平南北向频率分布在2.00～3.88Hz, 水平东西向频率分布在2.00～3.88Hz。与计算结果相比有明显不同, 主要是因为实际材料的弹性模量、平均构件加工精度及平均施工水平不同。