苏州高新区文体中心体育馆结构类型为框架+钢支撑结构,主体结构为地下1层,地上4层,典型层高为6m,主体结构高29.1m,建筑长度为192.0m,建筑宽度为120.0m,体育馆屋盖为钢桁架结构,长117.6m,宽92.4m,高6.0m,其中上弦与下弦为组合型构件,腹杆为H型钢,支座处竖腹杆为箱形构件,楼面吊杆为H型钢,材质均为Q345B,屋盖总用钢量约5 400t。

体育馆屋盖结构安装高度达29.1m,平面投影面积为10 866m²,结构自重达5 400t,杆件众多。若采用常规的分件高空散装方案,需搭设大量高空脚手架,高空组装、焊接工作量巨大,而且存在较大的质量、安全风险,施工难度可想而知,并且对整个工程的施工工期会有很大影响,方案技术、经济性指标较差。

根据以往类似工程的成功经验,本工程采用整体累积滑移安装:将体育馆屋面结构分成13个标准滑移单元,每2榀桁架为1个滑移单元;在体育馆北侧(33)~(34)轴2层混凝土楼面上搭设满堂脚手架,铺设竹排片作为拼装平台,拼装胎架。在 轴混凝土梁及 轴由水平正放三角桁架和竖向四肢格构柱组成的体系上各设置1道滑移轨道;用120t履带式起重机分段将单榀桁架吊装至拼装平台,将分段桁架焊接成整体并与滑移轨道连成一体;安装液压爬行器,采用液压同步滑移技术同步顶推第1个滑移单元,从(34)轴向(20)轴滑移8.4m后,暂停;在拼装区域上拼装下一榀桁架,使用2台汽车式起重机安装y轴方向连系杆件并使其与前部结构形成整体;依次类推,完成整个屋盖结构的液压累积滑移。

在北侧的(33)~(34)轴区域搭设支撑架,铺设拼装施工作业平台,沿 轴各布置1条滑移轨道,如图1所示。

x轴方向主桁架在地面散件拼装成若干分段,利用1台120t履带式起重机吊装至高空平台,对接成整榀桁架后再向前滑移施工。首先拼装、对接完成(20)轴、(21)轴的2榀x轴方向主桁架及之间的y轴方向连系桁架后形成滑移单元,进行第1次滑移,滑移距离为8.4m;其后每拼装完成1榀x轴方向主桁架及相应的y轴方向连系桁架后进行1次滑移,每次滑移8.4m,共滑移13次,滑移由(34)轴向(20)轴方向进行。滑移过程中应注意观察桁架的变形情况,同时观察滑移轨道上的标注尺寸,保证滑移的同步性。

屋盖结构滑移到位后,拆除两侧支座处滑移轨道系统,然后塞装柱顶支座,按x轴方向轴线割除滑靴后,将桁架与支座焊接,完成结构的滑移施工。设计要求施工阶段支座可滑移、屋面做好方可将支座固定成固定铰支座,故滑移到位后先安装两侧支座,但支座与底板不焊接,采取卡板限位即可,保持可滑动状态。

屋盖滑移、安装流程:预埋件放置((1)滑移轨道预埋件;(2)辅助措施预埋件)→四肢格构柱安装((1) 轴滑移轨道部分;(2)(20)~(21)轴、(33)~(34)轴悬挑部分)→水平三角桁架安装((1) 轴滑移轨道部分;(2)(20)~(21)轴、(33)~(34)轴悬挑部分)→(33)~(34)轴拼装平台搭设(采用钢管扣件式满堂脚手架)→安装滑移轨道→安装液压爬行器→地面分段拼装、对接(20)轴桁架→高空对接(20)轴桁架成整榀(采用120t履带式起重机,吊至平台南侧)→拼装、对接(21)轴桁架→高空散装y轴方向连系桁架→进行第1次滑移(从(34)轴向(20)轴滑移8.4m)→拼装、对接(22)轴桁架→重复散装y轴方向桁架及滑移操作直至最后1榀桁架滑移到位→卸载→切除辅助胎架。

体育馆屋盖为双向正交平面桁架结构,包括15榀x轴方向桁架和12榀y轴方向桁架,x轴方向桁架跨度92.4m,单榀质量74~96t,y轴方向桁架跨度117.6m,桁架最大高度为6m。

根据施工方案,x轴方向桁架在地面散件拼装成若干吊装分段后,吊装至(33)~(34)轴之间搭设拼装平台,拼装平台由10个格构式支撑架和满堂脚手架组成,桁架在平台上对接成整榀,每榀x轴方向桁架分成4个吊装分段((20)轴分成6个吊装段,(34)轴分成3个吊装段),分段位置分别位于 轴。y轴方向连系桁架在与x轴方向桁架相交处断开,弦、腹杆以散件形式吊装。

x轴方向桁架中,选取其中典型的(27)轴桁架为例,分段情况如表1所示。

x轴方向桁架采用1台120t履带式起重机进行吊装,3台50t汽车式起重机辅助吊装;其中(20)轴线上桁架分段最重17.7t,长16.8m,吊装半径19m;其余轴线桁架分段最重36.0t,长25.2m,吊装半径11m。

进行吊装、拼装前,应对最不利工况进行计算复核,复核无误后应进行试吊,试吊通过后方可进行吊装工作。

轴布置的滑移轨道需在土建施工时首先进行预埋板预埋工作。预埋板宽200mm,长400mm,厚25mm,每间隔800mm设置1块。同时,需保证轨道底面与混凝土梁顶面贴紧,不能贴紧时,可每隔200~300mm在轨道下垫塞钢板,使轨道与混凝土梁紧密贴合,预埋板设置要求位置准确,预埋板大样如图2所示。

因设计要求施工阶段支座可滑移,屋面做好后才可将支座固定成铰支座。故屋盖桁架滑移到位后安装两侧支座时,支座与底板先不焊接,采取卡板限位即可,保持可滑动状态,待3层吊挂层及屋面系统安装完毕后再割除限位板,焊接支座与预埋件之间焊缝。根据施工模拟分析,施工过程中支座水平位移值≤10mm,极限温差作用下的水平位移值最大≤20mm,考虑部分余量,限位板与支座底板净间距取35mm。支座埋件及支座分别如图3、图4所示。

滑移共设3条滑移轨道,分别沿 轴和 轴轨道设置在混凝土梁顶部, 轴轨道及(20)~(21)轴、(33)~(34)轴悬挑部分由格构式支撑架和顶部通长的正三角桁架组成轨道基底,在三角桁架上铺设滑移轨道。

轨道铺设时需在滑移梁与柱上弹出轴线,根据此轴线分开2根分轴线,以控制滑移轨道安装精度。将滑移轨道放置好,调整滑移轨道的顶面标高,最后焊接牢固。滑移轨道的轴线精度由两侧的定位分轴线保证。

滑靴布置原则为:保证每台液压顶推器受载均匀;尽量保证每台泵站驱动的液压顶推器数量相等,提高泵站利用率;在总体布置时,要认真考虑系统的安全性和可靠性,降低工程风险。根据本工程特点,在每个x轴方向主桁架与轨道交界处附近下部设置1个滑靴。本工程拟布置滑靴数量为42个,分布较均匀,可有效传递钢结构自身的竖向荷载和顶推器的水平顶推力。滑靴需具有的功能为:具有较大的承载能力,可以将钢结构的质量有效地传递给下部重型轨道;与滑移轨道有较大的接触面积,具有一定的稳定性;具有一定的抵抗侧向荷载的能力。

根据以上要求,滑移轨道底部至滑靴顶部高度为270mm,比成品支座(250mm)高20mm,以方便滑移到位后支座安装。中间桁架轨道上滑靴设计时,因(24)~(30)轴7榀x轴方向桁架中部比两端高度较低(下弦形心高差2.4m),如图5所示,故该7榀桁架下轨道需采用如图6所示滑靴形式。

中间轨道滑靴采用H型钢做立柱,通过4根圆管斜撑于2个方向的屋盖桁架下弦上,沿着滑移方向每根立柱通过圆管连接起来,传递液压顶推器的水平推力。其中立柱规格为:顶推器所在位置采用H400×400×25×30,其余位置采用H300×300×12×18,圆管加强管斜向规格为Ф89×5,立柱间圆管加强管规格为Ф245×10。

对顶推器进行合理设置是确保整个累积滑移施工成功的关键。合理的顶推器设置可使滑移过程中整个结构受力均匀、结构稳固。根据滑移轨道的布置情况和整个结构的特点在以下位置设置9个顶推器:(20)轴、(24)轴和(27)轴线上。顶推器工作时需要一定的作业空间,故顶推器与滑靴的接触点离轨道面需保持一定高度,并为了不妨碍顶推器的工作将纵向设置连系杆,设置在滑靴顶部,顶推器顶推力通过滑靴传递到顶推杆上再通过系杆均匀分散到整个结构上。

因体育馆钢桁架屋盖支座处下弦杆直接焊接于成品支座顶面,未设置支座牛腿短柱,其净高只有支座高度250mm。为满足顶推器的工作净空需要,避免设置转换梁,将顶推器位置处下弦杆后装,同时在滑移过程中设置临时加强杆,连接断开的2段下弦杆,加强杆的强度需不小于单个顶推器水平推力的大小,本馆采用2道[32a焊接于下弦杆两侧。

体育馆桁架屋盖跨度达75.6m,若只在两侧混凝土结构梁上采用2道滑移轨道会使桁架跨中在滑移过程中的竖向变形过大,最大竖向位移值达147mm,因此在桁架跨中位置增设1道滑移轨道,滑移轨道通过滑移胎架支撑,另南北两侧(20)~(21)轴、(33)~(34)轴悬挑部分滑移轨道也采用胎架支撑;滑移胎架由水平正放三角桁架和竖向四肢格构柱组成,其中三角桁架贯通,上弦杆采用H600×500×20×30,下弦杆采用H400×300×14×20,腹杆采用B200×10,材质均采用Q345B。三角胎架高2 000mm,宽1 415mm。竖向四肢格构柱平面尺寸为2m×2m,竖向节间距为2m,格构柱立杆截面为B200×10,腹杆截面为B89×6,材质均为Q235B。

体育馆钢屋盖在滑移安装过程中,由于其结构的约束条件与设计状态有所不同,因此,为指导项目实施,需对结构施工过程进行模拟分析。

体育馆滑移过程施工步骤共分为18个阶段:滑移第1单元桁架→滑移第1~2单元桁架→滑移第1~3单元桁架→滑移第1~4单元桁架→滑移第1~5单元桁架→滑移第1~6单元桁架→滑移第1~7单元桁架→滑移第1~8单元桁架→滑移第1~9单元桁架→滑移第1~10单元桁架→滑移第1~11单元桁架→滑移第1~12单元桁架→滑移第1~13单元桁架→最后1榀x轴方向桁架高空拼装完毕→填塞成品铰支座,并固定支座在滑移方向的位移→中间滑移胎架卸载→连接3层吊挂层→安装屋面系统后,固定支座x轴方向的水平位移。

采用有限元分析软件MIDAS/Gen对18个施工阶段中桁架竖向变形进行分析(具体分析过程在此不详述)。经施工模拟分析发现,桁架单元在滑移过程中,最大竖向变形出现在轨道梁中间的桁架跨中,两侧悬挑端在滑移过程中始终处于上翘状态。滑移过程中结构处于累积受力状态,其变形是逐步增加的,但同时随着累积滑移的进行,结构刚度也随之增大,最终变形趋于平缓;滑移过程中结构变形最大值发生在滑移步骤的第4步,最大竖向变形为15.3mm。

设计状态(恒荷载)下,y轴方向桁架悬挑端最大竖向变形值为-62.7mm,桁架跨中位置最大竖向变形值为28.1mm。安装屋面后卸载,桁架最大竖向变形值出现在y轴方向桁架悬挑端,数值为-64.4mm,跨中最大竖向变形值为32.3mm,与设计状态下的变形差异不大,满足设计要求。

结构在滑移过程中,桁架由于自重会出现下挠,从而导致结构边部产生水平位移。分析可知,桁架屋盖在滑移过程中,最大水平位移不超过5mm,较小,滑移过程不会出现卡轨现象。整个屋盖安装过程中,支座处最大水平位移为8.1mm(向桁架屋盖两侧外扩),小于支座预埋板上限位板与支座底板的预留间隙35mm,限位板设置满足要求。

根据仿真分析,为保证顶推器在滑移过程中的同步性,将每个顶推器在每次滑移过程中的顶推力大小列于表2,以指导现场施工,顶推器布置如图7所示。

液压同步滑移技术采用液压爬行器作为滑移驱动设备。液压爬行器为组合式结构,一端以楔形夹块与滑移轨道连接,另一端以铰接点形式与滑移胎架或构件连接,中间利用液压油缸驱动爬行,爬行器由液压泵源为其提供液压动力,在各种压力阀作用下完成相应操作。

液压爬行器的楔形夹块具有单向自锁作用。当油缸伸出时,楔形夹块夹紧,自动锁紧滑移轨道形成反力;油缸缩回时,夹块不松开,与油缸同方向移动。

同步控制系统由动力控制系统、功率驱动系统及计算机控制系统组成,液压同步滑移施工由计算机控制系统进行控制施工。操作人员通过液压同步计算机系统界面关注滑移过程,计算机控制系统通过数据反馈和控制指令传递,可全自动实现一定的同步动作、负载均衡、姿态矫正、应力控制、操作闭锁、过程显示和故障报警等多种功能,与传统反力架相比,可减少各种误差。

液压同步滑移系统具有以下特点:滑移设备体积小、自重小、承载力大,适用于狭小空间及大吨位构件滑移;采用计算机控制系统进行操作,操作灵活方便,可靠性强,故障率低,使用广泛;可多点布置爬行器,分散对下部支撑结构的水平推力;液压爬行器具有逆向运动自锁性,确保滑移过程的安全,同时爬行器与推移构件刚性连接,传力直接,准确性高。

钢屋盖滑移前,应对滑移系统及滑移辅助设备进行全面检查及调试工作,主要检查泵站所有阀门、硬管、溢流阀的调压弹簧,泵站与爬行器间的电线连接。确认无误后方可进行滑移操作。

1)待系统检测无误后开始正式滑移,滑移过程中各顶推器顶推力参照表2进行操作。

2)开始滑移时,液压爬行器伸缩缸顶推力逐渐上调,依次为所需顶推力值的20%,40%,检查滑移系统是否工作正常,若一切正常,可继续加载至60%,80%,90%,100%。

3)滑移单元即将移动时暂停滑移推进,保持推进系统压力。对液压爬行器及设备系统、结构系统进行全面检查,确认整体结构稳定性及安全性无问题的情况下,才能继续滑移。

1)液压滑移过程中,注意观测设备系统的压力、荷载变化情况等,并认真做好记录工作。根据设计滑移荷载预先设定好泵源压力值,由此控制爬行器最大输出推力,保证整个滑移设施的安全。

2)计算机控制系统通过容栅传感器反馈距离信号,控制每台爬行器误差在20mm内,从而控制整个滑移单元的同步滑移。

3)滑移过程中应密切注意滑移轨道、液压爬行器、液压泵源系统、计算机同步控制系统、传感器检测系统等的工作状态,确保滑移平稳、安全。

滑移过程中为直观地监测滑移的同步性和滑移状态,确保屋盖滑移顺利进行,初始滑移时在滑移轨道上以50mm为1个滑移单位,做出标记,进行编号。滑移过程中应设置3名观察员随时观测3道滑移轨道上各控制监测点相对轨道上标尺偏差情况,随时准确了解滑移状态,并做好记录。如发现同步偏差较大时立即进行调整,调整通过对单台爬行器进行点动控制,并分析初始滑移记录数据,详细分析记录数据偏差原因并在后续滑移施工过程中做相应调整。如初始滑移状态良好,滑移轨道标尺单位可适当加大。

因体育馆滑移施工过程中,在其中部设置了1条滑移轨道,滑移到位后,需卸载中间桁架;同时为方便体育馆支座安装,设计中将滑靴高度设计为270mm(支座高度250mm),故体育馆桁架屋盖两端支座也需考虑20mm的卸载。

具体卸载过程为:(1)屋盖桁架滑移到位后,首先割除支座处的轨道,安装混凝土柱顶成品支座(支座与埋板先不焊接,保持可滑移状态);(2)以x轴方向轴线上的3个滑靴为1个卸载对象,从(20)轴向(34)轴方向通过分层切割滑靴立杆的方式,使屋盖降下来;卸载时注意测量桁架变形情况,现场实际测得桁架竖向变形最大值为32.3mm,卸载后y轴方向北侧悬挑端上翘,变形值为64.4mm,与设计值偏差不大,满足设计要求;(3)复核桁架和轴线偏差,微调支座,最后焊接屋盖和支座间的焊缝,完成屋盖的卸载。

体育中心钢屋盖安装采用液压滑移,若采用常规的分件高空散装方案,需搭设面积为1万m²,高29m的满堂脚手架,且高空组装、焊接工作量巨大,存在较大安全隐患,与传统高空散拼相比节约了130万元施工措施费,杜绝了安全隐患。且液压滑移采用的是地面散拼与高空拼接相结合的方法,分区域施工,提高了拼装速度,每个滑移单元仅需6d即可安装完成,与传统高空散装相比大大提高了安装速度,节约工期约25d。通过这次施工,掌握了滑移过程中的重点、难点,为今后类似工程的施工积累了经验。