武汉大学大学生体育活动中心 (以下简称“武大体育中心”) 比赛馆地上3层, 地下1层, 属于多层结构。平面尺寸为97.96m×92.43m, 屋面结构顶标高为28.281m, 工程主体结构为大跨度X形张弦桁架-中部天窗-撑杆-索结构体系 (见图1) 。

本场馆外部空间不足、场馆四周均有地下室结构且场馆内部空间狭小, 限制了场馆内、外大型起重设备的使用;本场馆整体工期短, 要尽可能地减少土建结构的预留, 以上2点使得常规的施工方案难以实施。为此, 项目部提出采用累积顶推的施工方案, 在场馆北侧设置拼装区域, 在场馆内部设置顶推支撑系统, 由北向南逐榀施工并顶推到位, 从而达到施工目的。

1) 顶推支撑系统设计难度大比赛馆上弦主梁为非连续形式, 中部结构较薄弱, 结构最终完成后依靠张弦桁架下弦的拉索提供受力支撑, 对顶推方案及顶推支撑系统的设计提出很高要求。

2) 顶推同步性要求高武大体育中心比赛馆钢结构整体顶推跨度达76m, 张弦桁架间的共用节点空间分布较分散, 如果顶推过程中各爬行器间出现较大的不同步位移, 会对结构的空间形态、结构内力和顶推安全造成较大的影响。

3) 顶推精度控制要求高由于该张弦桁架对顶推的同步性要求高, 因此在顶推过程中, 爬行器必须能够非常精确地控制每一步爬行量, 同时在各点位偏差超过限值的时候能够快速进行调节。

基于计算模拟分析提出可能实施的顶推施工方案, 并分析优劣选出最优方案。

武大体育中心上弦主梁为非连续形式, 中部结构较薄弱, 顶推过程中需要通过下弦拉索提供额外支撑。其重点在于各个拉索初始预应力的确定。

为有效控制结构顶推完成后的形态, 根据施工全过程模拟, 1~9号拉索的初始预应力为1 200, 1 100, 1 000, 950, 1 000, 1 100, 1 200, 1 600, 1 800k N。

通过模拟计算可知在预应力及顶推施工过程中, 北侧屋盖中部悬挑结构的最大z向位移为-123mm, 南侧屋盖中部悬挑结构的最大z向位移为-18mm, 整体结构呈现南高北低, 在结构形态上不对称。杆件应力最大为158MPa, 虽满足内力要求, 但内力分布并不对称。

1) 施工过程模拟结果不理想, 且本工程的施工流程较长, 部分流程存在不可控因素, 因此在整个流程中保持理想条件较困难。

2) 在预应力及顶推施工过程中, 屋盖结构较薄弱, 结构内力在施工过程中对外部条件较敏感, 且利用现有监测设备在施工过程中不能持续有效地得到准确的结构内力值, 容易在施工过程的某些时刻失去对结构信息的掌握, 进而影响施工安全。

3) 结构在卸载过程中, 由于索的存在, 不适合采用整体卸载方案。在整体卸载过程中, 结构整体会存在扰动, 进而影响索力和结构内力的再分配, 不易进行内力监控且不利于结构的稳定性。

4) 顶推到位后屋盖变形、索力和结构内力分布不对称, 与原设计效果有较大差别。在某些极端自然条件下 (大风、大雨、积雪等) , 会造成屋盖整体结构失稳, 存在较大的安全隐患。

比赛馆屋盖结构上弦主梁为非连续形式, 中部结构较薄弱, 顶推过程中在中部薄弱处增设2条滑轨提供支撑, 其重点在于中部顶推支撑系统的设计和屋盖结构的安全性控制。通过模拟计算可知, 顶推完成后, 屋盖钢结构的最大z向位移为-32mm (悬挑边跨跨中下挠) , 杆件应力最大为36MPa, 可知顶推施工过程中, 结构的形态及内力满足施工要求。

因此, 选取4轨不带索逐榀顶推施工为本工程的顶推实施方案。

顶推装置要求精确可调, 需要一个支撑系统给予结构良好的支撑。基于该需求设计了一种安全、稳定的支撑系统。

1) 支撑架整个屋盖系统作用于顶推支撑架上, 在顶推施工过程中, 为屋盖结构提供支撑, 满足结构的稳定性需求。

2) 顶部转换架设置于支撑架上, 为吊车梁与支撑架传递载荷。

3) 吊车梁设置于支撑架顶部转换架上, 顶推滑轨通过压块固定于吊车梁上, 主要为顶推轨道提供支撑。

4) 系杆主要用于满足顶推支撑系统的平面外稳定性要求。

本工程为分段吊装, 逐榀顶推, 顶推支撑系统每榀支撑架间的最大受力为每榀顶推单元自重, 根据软件模拟可知, 中部支撑架反力为190k N, 边跨支撑架反力为220k N。

屋盖在顶推支撑体系跨中的最大下压力约为220k N, 通过计算可知, 顶推施工过程中, 顶推支撑系统的胎架架体最大z向位移为-2mm, 吊车梁最大z向位移为-14mm, 杆件应力最大为78MPa, 顶推支撑系统的形态及内力分布满足施工要求。

滑靴设置于屋盖支座底部并作用于滑轨之上, 爬行器使屋盖结构通过滑靴进行顶推运动。

根据软件模拟, 在顶推过程中, 结构会产生一定的下挠, 结构的两侧会释放部分位移, 通过计算可知, 屋盖支座的最大x向位移为-1.6mm, 施工过程中应充分考虑支座两侧释放位移。因此滑靴两侧各设置轨道间隔为20mm的限位板。

滑靴 (见图6) 与轨道接触面间直接放置10mm厚聚四氟乙烯板起润滑作用, 主结构与滑靴通过焊接连接。

爬行器最大水平集中荷载为215k N, 作用于耳板;结构最大竖向集中荷载为220k N, 作用于滑靴承载面。

通过软件模拟, 可知在顶推过程中, 滑靴的最大应力约184MPa, 满足顶推要求。

1) 同步性指标确定比赛馆屋盖顶推由4个爬行器同时进行, 由于爬行器位置分散, 顶推过程中各爬行器出现较大的不同步性将可能导致结构产生较大应力, 不利于结构受力和爬行装置的安全。在模拟过程中强制各爬行器间存在20mm不同步位移, 通过计算可知杆件最大应力为42MPa, 满足施工要求。

为确保结构在顶推过程中达到最佳形态及内力分布, 最终确定爬行器之间的同步性偏差超过10mm时进行再调节。

2) 沿轨道方向侧向力指标确定结构在顶推工况下的受力如图7所示。

由图7可知, 在顶推工况下, 爬行器对顶推构件施加推力F₁以平衡其与顶推轨道之间的摩擦力f, 即F₁=f。

顶推轨道所受的力包括爬行器对其反推力F₂, 以及构件对其摩擦力f₂。由于顶推装置的爬行速度为6m/h, 因此可认为在顶推过程中, 构件近似匀速运动, 受力平衡即牵引力与摩擦力相等。因此顶推轨道受力合力为0, 顶推机构处于自平衡状态, 不产生沿顶推方向的水平力。

顶推装置要求精确可调, 并能够实现同步控制。基于此需求, 设计了一种安全、稳定、同步的顶推装置。

顶推装置由滑轨、滑靴、滑轨压块、滑轨垫块、液压爬行器、油泵、同步控制系统组成, 如图8所示。

1) 滑轨主要作为液压爬行器及滑靴推进的载体。

2) 滑靴在顶推作业中, 作为屋盖上部结构承载构件, 采用螺栓临时固定连接。

3) 滑轨压块主要用于临时固定滑轨。

4) 滑轨垫块垫块由钢板加工而成, 用于滑轨高度调节。

5) 液压爬行器同步顶推动力装置, 能够实现同步加载、卸载。

6) 动力系统动力系统由泵源液压系统 (为爬行器提供液压动力, 在各种液压阀的控制下完成相应的动作) 及电气控制系统 (动力控制系统、功率驱动系统、计算机控制系统等) 组成, 每台泵站有2个独立工作的单泵。

7) 同步顶推控制系统实现液压爬行器同步顶推。同步顶推控制系统的组成及布置如图9所示。

1) 液压同步控制系统TLC-1.3型计算机控制系统由计算机、动力源模块、测量反馈模块、传感模块和相应的配套软件组成, 通过CAN串行通信协议传递数据。本控制系统通过众多工程检验, 具有稳定可靠、高精度的特点。

2) 人机交互系统计算机自动控制系统的核心控制装置为西门子S7-200系列CPUS7-224, 触摸屏可以显示各顶推过程数据和保存数据, 如图10所示。

1) 位移监测系统位移传感器是一种属于金属感应的线性器件, 通过电位器元件将机械位移转换成与之成线性关系的电流输出, 然后再转换为数字信号直接送入计算机系统。本次顶推利用位移传感器直接实时反映屋盖顶推位移变化情况, 以便实时控制和动态调整各爬行器间的爬行量, 每个爬行器1个。

2) 应变监测系统BGK-4000系列应变计用于测量结构表面的应变。将钢结构粘贴表面清理干净, 根据应变计长度将端块焊接在钢构件表面, 然后将应变计用螺钉固定于端块上, 通过专用数据采集设备即可采集到钢结构表面的应变, 通过对采集的数据进行分析即可得到该测点位置处的钢结构表面应力。

3) 监测点位选择施工过程中, 采用振弦应变计监测钢结构应力和应变, 每个点对称布置2个振弦应变计, 选择应力较大杆件进行布置。监测点位布置如图11所示。

屋面钢结构总重约860t, 由于采用10mm厚聚四氟乙烯板, 因此滑动摩擦系数取值为0.1, 每条轨道的顶推摩擦力为215k N。因此, 可选用4台推进能力为1 000k N的爬行推进器, 每个轨道各布置1台。

TLPG-1000自锁型液压爬行器是一种能自动夹紧轨道形成反力、从而实现推移的设备。此设备可抛弃反力架, 省去了反力点的加固问题, 省时省力, 且由于与被移构件刚性连接, 同步控制较易实现, 就位精度高。

根据主动控制中的同步性指标, 顶推工艺流程控制如下:根据结构特点, 爬行器通过滑靴和结构间的共用节点及水平系杆传递荷载。要实现后续屋盖结构逐榀安装并逐榀顶推, 需严格控制整个顶推流程, 当各爬行器间不同步位移接近10mm时, 可通过计算机系统逐步调整各爬行器间的爬行速率, 确保顶推过程的安全。

顶推过程中利用位移传感器及压力传感器对爬行器行程及压力进行监测, 并通过控制中心进行偏差调整。

滑移单元需要进行8次滑移施工, 采用SAP2000建立有限元计算模型, 模拟整个滑移施工过程, 采用竖向约束加水平向弹簧约束形式, 弹簧刚度取0.001k N/mm, 杆件单元采用梁单元模拟, 布置4个爬行器, 如图12所示。

由于本工程的安全不同步值取15mm, 调节不同步值取10mm, 即滑移点不同步值>10mm时, 系统停下, 操作人员协同甲方检查滑移通道是否存在障碍, 待情况明确后启动系统单点单动功能, 直到所有顶推点的不同步值<10mm时再继续滑移。为安全考虑, 施工过程模拟计算中的最大不同步值取20mm, 具体为:爬行器1~4的位移分别为10, 30, 20, 10mm, 不同步位移为0, 20, 10, 0mm。

1) 第1次滑移结构最大下挠12.54mm, 杆件应力比均<0.5, 结构稳定系数为10, 满足施工要求。

2) 第2次滑移结构最大下挠12.56mm, 杆件应力比均<0.5, 满足施工要求。

3) 第3次滑移结构最大下挠12.51mm, 杆件应力比均<0.5, 满足施工要求。

4) 第4次滑移结构最大下挠12.83mm, 杆件应力比均<0.5, 满足施工要求。

5) 第5次滑移结构最大下挠13.01mm, 杆件应力比均<0.5, 满足施工要求。

6) 第6次滑移结构最大下挠13.06mm, 杆件应力比均<0.5, 满足施工要求。

7) 第7次滑移结构最大下挠13.08mm, 杆件应力比均<0.5, 满足施工要求。

8) 第8次滑移结构最大下挠13.36mm, 杆件应力比均<0.5, 满足施工要求。

屋盖钢结构逐榀顶推过程中, 初次顶推距离1m以内为第1阶段, 先低速进行顶推作业, 顶推速度控制在1m/h, 此时观测屋盖结构在z向和x向的位移, 并监测各爬行器沿轨道方向的位移。

顶推距离1~8m为第2阶段, 此时应逐渐将爬行器速率提升至顶推设备正常运行标准, 同时进行各项位移监测并及时调整各爬行器速率。

顶推距离8~8.4m为第3阶段, 在第3阶段卸载6mm后, 千斤顶压力接近于0, 卸载结束。在上述卸载步骤下, 各点位压力变化趋势一致, 且顶部环带桁架几乎无变形, 卸载过程稳定。分阶段逐榀顶推参数如表1所示。

通过软件模拟, 在整个顶推施工过程中, 各支座的位移及典型节点的位移、应力如图13, 14所示。

顶推时、顶推施工完成后, 对各支座及下弦铸钢件节点进行位移及应力监测。将施工完成后实测值与计算模拟值进行对比分析, 结果如图15, 16所示。

结果显示, 屋盖结构在顶推施工过程中支座的x向位移和构件应力均小于计算理论值, 铸钢节点的z向位移大于理论值。分析可能导致此现象的主要原因如下: (1) 实际顶推过程中, 滑靴与轨道间的摩擦力大于理论值, 导致支座端部x向位移较小, 故而杆件内力较理论值有5%左右的偏差, 较理论值小; (2) 屋盖在顶推施工过程中, 默认屋盖支座为刚性支撑, 但在实际施工过程中, 顶推支撑架架体出现了约2mm的沉降, 故测得的铸钢节点z向位移增大。

大跨度X形张弦桁架结构顶推施工是整体结构就位的关键, 武大体育中心工程采用同步顶推装置实现了顶推过程的精确可调以及同步性, 同时根据计算分析结果确定合理的顶推流程, 并进行了有效的控制, 保证了顶推过程的平稳、安全, 另外结合监测数据对顶推过程实施动态管理, 取得了良好的效果。