张弦桁架具有结构自重轻、能跨越较大空间、受力合理等特点, 被广泛应用于大跨度体育及会展类场馆。张弦桁架通常为独立单榀式, 每榀桁架受力相对独立, 纵向每两榀桁架之间连系及传力较弱, 整体性和抗风性纵向较轴向弱, 同时结构冗余度较高, 施工时一般采用单榀地面组装并张拉后吊装的方法, 场地空间需求大。

结合武汉大学大学生体育活动中心工程的建筑造型及空间需求, 提出了一种新型的大跨X形网格立体共梁张弦结构, 该结构打破了张弦桁架上弦桁架连续、单榀桁架独立的通常做法, 通过每两个X形空间三角桁架共用顶部水平矩形梁以及下部水平拉索使整个屋盖结构连为整体, 增加了荷载传递路径, 结构受力更加合理, 且整体结构轻盈、内部空间美观。

本文以该新型张弦结构体系施工工艺为依托, 阐述四轨不带索累积滑移技术、屋面整体卸载和多级对称循环张拉技术等施工关键技术的应用。

武汉大学大学生体育活动中心是一幢由比赛馆、训练馆及其配套设施组成的综合性公共建筑。该场馆总建筑面积37 200m², 总长度215m, 总宽度117m, 地下1层, 地上3层 (局部夹层) , 建筑高度29.14m, 比赛馆平面尺寸为106.8m×92.4m, 主桁架跨度75.6m, 结构采用轻钢屋面, 建成后将成为国内高校规模最大的综合体育场馆, 如图1所示。

大跨X形网格立体共梁张弦结构主要由两侧对称的三角空间桁架、中部上连梁及下部水平拉索组成, 两侧三角空间桁架由上部交叉主梁、下部V形拉杆、竖向连杆及水平连系杆组成, 两侧支座与下部结构柱固接连接, 中部上连梁上部设置有采光天窗, 如图2, 3所示。

该结构体系两侧三角空间桁架在其自重作用下自身稳定性、受力及变形满足规范要求。

1) 比赛馆屋盖桁架跨度为75.6m, 如何布置滑轨涉及到在顶推过程中屋盖结构的强度和稳定性, 因此滑轨的布置数量与布置形式是一大难点。

2) 顶推过程中, 各个滑轨器的移动是否同步涉及到屋盖结构整体受力是否均匀, 因此如何控制各个滑轨器之间的协同作业是一大难点。

3) 屋盖整体顶推到位后, 整体屋盖结构质量达到860t, 如何将屋盖结构卸载至支撑结构上是一大难点。

4) 屋盖结构卸载到位后, 如何进行索拉张以及解决“群索效应”带来的索力和形态控制是一大难点。

针对该新型张弦结构体系, 提出了4种施工方案, 从支撑体系、可行性、安全管理难度、对进度的影响等方面进行对比分析, 如表1所示。

根据对以上方案的对比分析, 选择整体滑移方案作为本次施工的基本方案。

考虑到比赛馆屋盖主结构跨度很大, 结构主构件截面较小, 为保证结构在滑移过程中的强度和刚度满足要求, 采用四轨顶推的形式, 即在两侧支座处及三角桁架与上部连梁节点处分别设置4条滑轨进行结构滑移, 这样可以确保主结构跨中得到足够的支撑, 避免跨中应力或变形过大。

支撑架选用1350型和270型成品贝雷架组合拼装而成, 可实现构件的标准化和建造过程的装配化、工业化, 如图4所示。

屋盖体系在静置状态下主要承受竖向荷载;在滑移状态下承受竖向荷载及纵向水平荷载。

支撑加固体系包含滑移及拼装区支撑体系、拼装区操作平台、楼层加固系统、滑轨及滑靴等。所有支撑体系、滑轨、滑靴都需经过计算分析复核受力, 加固体系进行主体结构楼板受力复核, 并且设计措施确保后加固体系能够与楼板之间紧密接触, 如图5所示。

结构在顶推工况下的受力简化如图6所示。

由图6可知, 在顶推工况下, 爬行器对顶推构件施加推力F₁以克服其与顶推轨道之间的摩擦力f, 即F₁=f;对顶推轨道来说, 其所受的力为爬行器对它的反推力F₂, 以及顶推构件对它的摩擦力f₂, 可知, f=f₂, F₂=F₁, 另F₁=f, 则f₂=F₂, 即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。

一个顶推单元的钢结构安装完成、检查无异常、电气系统调试结束后, 进行顶推作业。首先进行试顶推:调节相应的泵站压力进行40%加载, 开始顶推至所有顶推点爬行器油缸推不动为止, 检查是否有异常情况, 确认无误后, 继续进行理论值60%, 80%, 90%, 100%加载。在所有滑靴 (支座) 开始顶推后, 暂停顶推, 全面检查各设备运行正常情况:顶推支座的顶推量、滑靴挡板是否卡位、爬行器夹紧装置、顶推轨道及桁架受力的变化情况等, 确认一切正常后, 继续进行顶推施工。

采用激光测距和人工观测相结合的方法控制滑移过程中4条轨道上各对应节点的同步性, 如图7所示。

本工程滑移单元需要进行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, 如图8所示。计算结果如表2所示。

滑移结构最大下挠13.36mm, 杆件应力比均<0.5, 满足施工要求。

本结构预应力施工分为2个阶段:拉索安装和拉索张拉。预应力施工穿插在钢结构施工过程中, 整体施工流程如图9所示。

本工程采用调节端单端张拉的方式。根据计算结果确定张拉千斤顶, 结合拉索索头锚具形式和相关锚固节点形式, 设计张拉工装如图10所示。

受结构整体性的影响, 每根拉索张拉过程中都会根据结构刚度不同对附近拉索造成不同程度的影响, 即“群索效应”。经模拟分析, 对9根拉索通过多次分级对称相向及相背的张拉顺序进行循环张拉, 总共分10级进行, 每一级张拉10%设计初拉力, 第1, 3, 5, 7, 9级按照从两端向中间张拉的顺序, 第2, 4, 6, 8, 10级按照从中间向两端张拉的顺序, 能够达到设计要求的索力和形态控制指标, 如图11所示。

索张拉时, 屋盖仅一端与支座固接, 另一端可自由滑动, 索需超张拉5%左右, 张拉时, 控制给油速度, 给油时间应≥0.5min。

预应力钢索张拉采用双控:以索力控制为主、变形控制为辅。预应力钢索张拉完成后, 应立即测量校对。

整个张拉过程中进行钢结构变形监控与拉索的应力监控。当索结构预拉应力值达到初始值的100%时, 拆除屋盖支撑架与轨道支撑架。

索张拉完毕后等待金属屋面板施工, 监控整个施工过程, 根据索的应力大小和结构的变形情况决定是否对拉索进行补张拉。补张拉完毕后将屋盖支座自由端与铰支座进行固定。

应力以索力监测为主、钢结构应力监测为辅, 索力实际预应力和理论计算预应力之间的误差控制在10%以内。

变形主要监测结构悬挑部分竖向位移 (起拱值) 及钢结构屋盖跨中部分竖向变形。

待拉索张拉完成后进行屋盖整体卸载, 卸载采用分片卸载的方式。分别在混凝土圈梁和顶推胎架顶上设置卸载专用临时钢支撑, 顶推到位后, 将屋盖安装在临时支撑上。屋面桁架设36个支撑点, 卸载顺序由卸载1区至卸载4区, 分片、分级卸载 (每级卸载5mm) , 如图12, 13所示。

施工流程: (1) 第1步用千斤顶顶升屋盖, 拆除滑轨、滑靴、吊车梁; (2) 第2步放置一定高度的临时支撑, 利用千斤顶将屋盖卸载至临时支撑上; (3) 第3步降低临时支撑或更换临时支撑, 重复以上步骤将屋盖继续卸载; (4) 第4步接近设计高度时, 安装固定铰支座, 利用千斤顶将屋盖卸载至支座上, 移除千斤顶, 完成卸载, 如图14所示。

1) 卸载量控制 (1) 测量未卸载前各支撑点的定位高度; (2) 掌握各次卸载量, 每一步卸载量都要严格按照规定要求; (3) 每次卸载后, 应测量卸载点标高, 以确定下一次卸载的调整值。

2) 卸载监测 (1) 支架监测卸载过程中全过程监测支架, 尤其是监测临时支撑变形等, 肉眼观测和全站仪监测同时进行。 (2) 屋盖钢结构监测随时监测各控制点的变形情况, 防止钢结构在卸载过程中变形与计算结果有较大偏差。

武汉大学大学生体育活动中心大跨X形网格立体共梁张弦结构体系属国内首例, 工程施工过程中无类似施工经验可供借鉴。除考虑安全性、经济性及工期等因素外, 还综合考虑了此创新性结构形式的工况受力、变形的复杂性, 科学、有效地解决了该结构体系的施工难题, 减少了资源、设备的投入, 满足了项目的工期要求, 确保了施工过程的可控性和可靠性, 也达到了设计要求。