中國建筑金屬結(jié)構(gòu)協(xié)會
建筑鋼結(jié)構(gòu)分會主辦
1 概述
大跨度空間結(jié)構(gòu)施工中，應(yīng)用最廣泛的施工方法是高空分段或分塊吊裝法，這類施工方法最主要的一個技術(shù)措施就是臨時支撐體系的合理設(shè)置。臨時支撐體系保證施工過程順利進行和施工過程的安全性，臨時支撐體系提供永久結(jié)構(gòu)在未成形前的支撐依靠，使得永久結(jié)構(gòu)與臨時支撐結(jié)構(gòu)組成一個共同作用的混合結(jié)構(gòu)體系，臨時支撐體系已成為結(jié)構(gòu)施工系統(tǒng)的一部分并直接起著傳遞荷載的作用。
1.1臨時支撐體系分類
大跨度空間結(jié)構(gòu)安裝，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)體系、吊裝單元分割、下部結(jié)構(gòu)情況以及施工現(xiàn)場的條件不同，合理地選擇和設(shè)計臨時支撐體系，確保可操作、安全、便利和經(jīng)濟可行。
臨時支撐體系可按如下分類。
按支撐結(jié)構(gòu)形式可分為：實腹式、格構(gòu)式、組合式支撐等。
按支撐材料可分為：型鋼支撐、鋼管腳手架、貝雷架支撐、網(wǎng)架支撐等。
按支撐的作用方向可分為：豎向支撐、水平支撐、斜撐等。
1.2臨時支撐體系的選形和支撐點布置
臨時支撐體系由基礎(chǔ)連接、主體結(jié)構(gòu)和支撐構(gòu)造三部分構(gòu)成。臨時支撐體系的選形和布置需要綜合考慮安裝方案、需支撐的結(jié)構(gòu)形式、下部結(jié)構(gòu)、施工現(xiàn)場環(huán)境等技術(shù)條件，分析以下方面：臨時支撐自身的強度、變形及穩(wěn)定性；下部混凝土結(jié)構(gòu)的承載安全；臨時支撐裝拆的方便性；臨時支撐的經(jīng)濟性。
1.3臨時支撐系統(tǒng)卸載及結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換
臨時支撐體系的卸載過程，實質(zhì)上是將施工用混合結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換為理論設(shè)計的永久結(jié)構(gòu)體系的過程，所以也稱為結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換過程，是永久結(jié)構(gòu)在臨時支撐點處支座約束的動態(tài)減弱直至消除的變化過程。結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換過程的計算，就是尋求安全合理的循環(huán)卸載過程，以保證卸載過程中永久結(jié)構(gòu)和卸載過程的安全。
2 工程概況與安裝方案
2.1 工程及結(jié)構(gòu)概況
鄂爾多斯機場新建航站樓整體建筑造型酷似一只展翅的雄鷹，總建筑面積約為10萬?。鋼結(jié)構(gòu)屋蓋采用空間大跨度立體桁架和網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。出港、到港大廳（A區(qū)），為直徑108ｍ的大型穹頂，由中心球殼、內(nèi)環(huán)桁架、24榀主桁架及其間扇形區(qū)域網(wǎng)殼、外環(huán)桁架組成，穹頂結(jié)構(gòu)通過Y型鋼柱與混凝土柱相連接。登機長廊兩翼翼展為490ｍ，螺栓球網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。
2.2 施工安裝方案
在此僅介紹A區(qū)穹頂安裝方案，登機指廊螺栓球網(wǎng)架結(jié)構(gòu)采用搭設(shè)滿堂腳手架高空散裝的施工方案，不再敘述。
A區(qū)穹頂采用對稱旋轉(zhuǎn)累積滑移的施工方案。徑向主桁架采用地面拼裝，分兩段高空組裝，主桁架間單層網(wǎng)殼、內(nèi)環(huán)和外環(huán)桁架采用高空散裝。在結(jié)構(gòu)左右兩側(cè)分別搭設(shè)兩跨拼裝平臺，內(nèi)環(huán)先完成拼裝，左右結(jié)構(gòu)再同時拼裝，對稱旋轉(zhuǎn)累積滑移。拼裝平臺與滑移軌道布置（圖1）。
圖1 拼裝平臺與滑移軌道示意圖
結(jié)構(gòu)布置內(nèi)、中、外三環(huán)滑移軌道，內(nèi)環(huán)布置在內(nèi)環(huán)桁架下方，中環(huán)布置在半徑24.479ｍ上，外環(huán)布置在混凝土結(jié)構(gòu)柱上（半徑54ｍ），三環(huán)滑移軌道不等標高。外環(huán)和中環(huán)布置動力裝置，沿逆時針方向頂推滑移，內(nèi)環(huán)安裝滾輪作為從動軌道。第一次滑移同時拼裝兩個區(qū)間（30度）進行滑移，以后每次左右同時累積結(jié)構(gòu)的1/24區(qū)間，共累計滑移10次。
結(jié)構(gòu)卸載采取先固定穹頂結(jié)構(gòu)鋼柱支座，連接安裝雨棚和穹頂結(jié)構(gòu)連接桿件后，卸載穹頂中環(huán)軌道，再卸載內(nèi)環(huán)軌道，最后拆除卸載雨棚支撐架。
3 臨時支撐體系布置與選型
3.1臨時支撐體系布置及技術(shù)要求
在該大直徑球形穹項的安裝過程中，為滿足鋼構(gòu)件支撐和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的需要，需搭設(shè)臨時支撐體系，支撐體系要滿足以下的技術(shù)要求：單點支撐力大，支撐高度高；支撐點多，分布面廣；支撐落點均分布在下部混凝土結(jié)構(gòu)的頂板上，支撐體系應(yīng)確保下部混凝土結(jié)構(gòu)的安全。
在結(jié)構(gòu)左右兩側(cè)搭設(shè)兩跨拼裝平臺，在內(nèi)環(huán)桁架和中心球殼單元下搭設(shè)滿堂腳手架支撐。外環(huán)滑移軌道采用鋼梁布置在砼結(jié)構(gòu)柱上，中環(huán)滑軌下布置十二個支撐架，內(nèi)環(huán)滑軌下布置八個支撐架，另有左右各兩個支撐架用于主桁架高空對接，共布置二十四個支撐架（圖2）。
圖2 結(jié)構(gòu)支撐架布置圖
3.2支撐架結(jié)構(gòu)選型
支撐架的柱身選用3m×3m格構(gòu)柱，為提高支撐架的整體剛度和穩(wěn)定性，設(shè)置格構(gòu)式桁架結(jié)構(gòu)水平支撐（圖3）。支撐塔架的柱腳與基礎(chǔ)剛接。根據(jù)主結(jié)構(gòu)的安裝方案，將內(nèi)環(huán)支撐架、主桁架高空拼裝支撐架與滿堂腳手架連成整體（圖4）。
圖3 支撐體系三維圖
圖4 支撐架及桁架拼裝剖面圖
3.3抗側(cè)力體系的形成
支撐架主要考慮的水平側(cè)力為風(fēng)荷載。除支撐架自身需抵抗風(fēng)荷載外，主要考慮支撐于塔架塔身上的主桁架受風(fēng)作用。為增強各支撐塔架整體協(xié)同抗風(fēng)的能力，在各支撐架頂部設(shè)置格構(gòu)式柱頂系桿作為水平支撐體系。另外，為提高整結(jié)構(gòu)柱頂平面支撐系統(tǒng)的抗扭剛度，在角部區(qū)域設(shè)置隅撐。
根據(jù)現(xiàn)場條件，施工時可在內(nèi)環(huán)和中環(huán)的支撐架頂部設(shè)置雙向纜風(fēng)用以傳遞屋蓋主桁架所受風(fēng)載，內(nèi)環(huán)支撐架所受屋蓋主桁架的風(fēng)載由整體結(jié)構(gòu)傳遞。
4 臨時支撐體系設(shè)計計算
臨時支撐體系考慮支撐的重復(fù)使用按永久結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。荷載考慮靜荷載和動荷載，靜荷載：結(jié)構(gòu)構(gòu)件自重荷載+施工荷載；動荷載：風(fēng)荷載。支撐體系計算內(nèi)容包括結(jié)構(gòu)靜力分析計算、結(jié)構(gòu)抗風(fēng)分析、結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力分析、結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度分析和結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性分析。
4.1荷載工況
4.1.1靜荷載
荷載計算鋼結(jié)構(gòu)屋蓋自重荷載和鋼結(jié)構(gòu)施工均布荷載。作用于支撐架柱頂?shù)淖畲筘Q向荷載設(shè)計值取安裝過程和卸載階段各步驟中的最大值。
4.1.2溫度荷載
由于支撐塔架體系不是溫度敏感結(jié)構(gòu)，塔架設(shè)計不考慮溫度效應(yīng)。
4.1.3地震作用
由于施工過程持續(xù)的時間短暫，故支撐塔架設(shè)計不考慮地震作用。
4.1.4風(fēng)荷載
基本風(fēng)壓：0.5KN/?。風(fēng)荷載計算：格構(gòu)式柱身所承受的風(fēng)荷載、水平支撐所受的風(fēng)荷載以及屋蓋桁架的風(fēng)荷載。
4.2滑移支撐架、軌道梁設(shè)計驗算
4.2.1外環(huán)滑移軌道梁設(shè)計及驗算
（1）計算模型
外環(huán)滑移軌道頂面標高與混凝土柱頂標高（支座底部標高）相同，混凝土柱頂架設(shè)滑移軌道梁，跨度為14m，滑移梁箱型構(gòu)件截面H700×400×14×25，下部設(shè)置鋼管斜撐P219×10，斜撐支承于軌道梁的1/3處。
鋼屋蓋在三條軌道上旋轉(zhuǎn)滑移時，滑移梁承受上部傳遞的豎向荷載及徑向水平荷載。滑移梁上作用的豎向荷載為F=507KN，水平力Fh=137KN。水平力作用于滑移軌道頂面，根據(jù)滑移過程中滑靴位置按以下四種狀態(tài)建模分析（圖5）。
圖5 外環(huán)滑移軌道梁計算模型
（2）變形分析
外環(huán)軌道梁在上述荷載作用下的豎向變形△max=8.16mm，約為跨度的1/1700，軌道梁變形較小能滿足拼裝及滑移精度要求。
（3）桿件驗算
從計算結(jié)果可知，滑移軌道梁最大應(yīng)力比值為0.737，支撐桿件最大應(yīng)力比為0.668，軌道梁和支撐桿件強度和穩(wěn)定性滿足滑移施工要求。
4.2.2 中環(huán)滑移軌道梁設(shè)計及驗算
（1）計算模型
中環(huán)滑移軌道設(shè)置于徑向主桁架下弦處半徑為24.479m的圓周上，中環(huán)滑移軌道支撐架承受上部鋼構(gòu)件傳遞的豎向力和水平力，滑移梁上作用的豎向荷載為F=241KN，水平力Fh =92KN?？紤]滑移過程中各種不利狀態(tài)按兩種模型（圖6）進行分析。
圖6-1 支撐架計算模型一
圖6-2 支撐架計算模型二
（2）變形分析
外環(huán)滑移軌道支撐架系統(tǒng)變形如圖7所示。
圖7 外環(huán)滑移軌道支撐架變形圖
由以上變形圖可知，外軌道梁的豎向變形△max=-7.75mm，約為跨度的1/1600，中環(huán)滑移軌道支撐系統(tǒng)變形較小，能滿足滑移及拼裝過程中精度要求。
（3）桿件驗算
圖8 中環(huán)軌道支撐架系統(tǒng)應(yīng)力比柱狀圖
從上圖可知，滑移軌道支撐架系統(tǒng)桿件最大應(yīng)力比為0.743，桿件強度和穩(wěn)定性滿足滑移施工要求。
4.2.3內(nèi)環(huán)滑移軌道梁設(shè)計及驗算
（1）計算模型
內(nèi)環(huán)滑移軌道設(shè)置于內(nèi)環(huán)桁架下弦桿位置，環(huán)形軌道直徑為20m。內(nèi)環(huán)滑移軌道支撐架只承受上部鋼構(gòu)件傳遞的豎向力F=403.37KN，滑移梁承受滑移軌道與上部滾輪間的靜摩擦力Fh =80.674KN。根據(jù)滑移位置的不同，按兩種設(shè)計狀態(tài)建立滑移軌道計算模型（圖9）進行計算分析。
圖9-1 內(nèi)環(huán)支撐計算模型一
圖9-2 內(nèi)環(huán)支撐計算模型二
（2）變形分析
內(nèi)環(huán)滑移支撐架系統(tǒng)變形如圖10所示：
圖10 內(nèi)環(huán)滑移支撐架變形圖
由以上變形圖可知，內(nèi)環(huán)軌道梁的豎向變形△max=7.011mm，約為跨度的1/1100，內(nèi)環(huán)滑移軌道支撐系統(tǒng)變形能滿足鋼屋蓋滑移及拼裝過程中精度要求。
（3）桿件驗算
圖11 內(nèi)環(huán)支撐架系統(tǒng)應(yīng)力比柱狀圖
從上圖可知，滑移軌道支撐架系統(tǒng)桿件最大應(yīng)力比為0.763，桿件強度和穩(wěn)定性滿足滑移施工要求。
5 臨時支撐體系卸載及結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換過程模擬分析
5.1卸載控制原則和卸載方案
由于臨時支撐結(jié)構(gòu)?載或結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換將造成永久結(jié)構(gòu)內(nèi)力的重分布，必然會對永久結(jié)構(gòu)的局部構(gòu)件受力產(chǎn)生較大的影響，因此，永久結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換中的受力性態(tài)和安全性與臨時支撐結(jié)構(gòu)的卸載過程密切相關(guān)。
5.1.1卸載過程的控制原則
（1）結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換引起的內(nèi)力變化應(yīng)是緩慢的；
（2）在卸載過程中，結(jié)構(gòu)各桿件的內(nèi)力應(yīng)在彈性范圍內(nèi)并逐漸趨近設(shè)計狀態(tài)；
（3）在卸載過程中，各臨時支撐點的卸載變形應(yīng)協(xié)調(diào)；
（4）卸載過程中，應(yīng)避開不適宜的環(huán)境狀況，如大風(fēng)、雨雪天氣；
（5）卸載過程應(yīng)易于調(diào)整控制、安全可靠。
5.1.2卸載方案
本工程支撐點卸載順序按下列步驟：安裝焊接外環(huán)鋼柱支座，進行外環(huán)鋼柱的卸載；卸載中環(huán)滑移軌道上支撐點，可采取間隔選取每次12個支點同時卸載；同時卸載內(nèi)環(huán)滑移軌道上支撐點。
根據(jù)“變形協(xié)調(diào)，卸載均衡”的原則，通過放置在支架上的可調(diào)節(jié)點支撐裝置千斤頂，多次循環(huán)微量下降來實現(xiàn)“荷載平衡轉(zhuǎn)移”。臨時支座分批逐步下降，其狀況相當于支座的不均勻沉降，這都將引起桁架結(jié)構(gòu)內(nèi)力的變化和調(diào)整。對少量桿件可能超載的情況應(yīng)事先采取措施局部加強。為防止個別支撐點集中受力，宜根據(jù)各支撐點的結(jié)構(gòu)自重撓度值，采用分區(qū)、分階段按比例下降或用每步不大于10mm的等步下降法拆除支撐點。
5.2 臨時支撐體系卸載過程的計算方法
卸載過程需要確定的具體內(nèi)容包括：卸載步數(shù)、每個卸載步中同步卸載點的數(shù)量及范圍、每個卸載步中需要控制的位移量。安全合理的卸載方案需經(jīng)過多方案反復(fù)計算比較得到。計算過程如下：
（1）根據(jù)預(yù)定的卸載方案，在第一卸載步的同步卸載點均施加已設(shè)定數(shù)值的強迫位移，計算結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的內(nèi)力和位移。
（2）根據(jù)計算結(jié)果，驗算永久結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全性和結(jié)構(gòu)的變形，驗算臨時支撐結(jié)構(gòu)反力是否超過原設(shè)計值。
（3）若永久結(jié)構(gòu)和臨時支撐結(jié)構(gòu)均滿足要求，則在第1卸載步計算結(jié)果的基礎(chǔ)上，施加第2步卸載步應(yīng)增加的強迫位移值，計算結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的內(nèi)力和位移，否則，調(diào)整強迫位移值，重新進行第1卸載步計算。
（4）依次進行下一步計算，直到完成所有卸載步計算。
在計算過程中，若多次調(diào)整強迫位移值，永久結(jié)構(gòu)和臨時支撐結(jié)構(gòu)均不能滿足安全性要求，則應(yīng)調(diào)整卸載方案，重新進行驗算。
5.3卸載計算變形分析
5.3.1施工卸載后變形分析
計算僅考慮結(jié)構(gòu)件自重，考慮節(jié)點重量乘以1.1系數(shù)，鋼屋蓋按上述步驟卸載后屋蓋變形（圖14）：
圖14 完成卸載和安裝雨棚后屋蓋變形圖
完成內(nèi)環(huán)支撐點卸載后穹項變形△max=-25.2mm，安裝完成雨棚構(gòu)件后穹項變形△max=-28mm，雨棚端部變形△max=-33.6mm。
5.3.2設(shè)計狀態(tài)變形分析（圖15）
圖15-1 穹頂變形圖
圖15-2 雨棚變形圖
設(shè)計狀態(tài)，穹頂最大變形△max=-25.4mm，雨棚端部變形△max=-49mm。
5.3.3施工卸載與設(shè)計狀態(tài)變形對比分析
在結(jié)構(gòu)自重情況下，原設(shè)計結(jié)構(gòu)變形與考慮施工卸載分析得到的結(jié)構(gòu)變形相比（圖16），穹頂最大撓度從-25.4mm，增大到-28mm，雨棚懸挑處最大變形從-49mm，減小到-33.6mm。施工過程對內(nèi)部穹頂變形為不利影響，增大2.6mm，對雨棚變形為有利影響，減小變形15.4mm。
圖16 施工卸載與設(shè)計狀態(tài)變形對比圖
5.4 卸載計算應(yīng)力比分析
5.4.1施工過程分析
從結(jié)構(gòu)應(yīng)力比圖可以看出，施工過程最大應(yīng)力比為0.215（圖17）。
圖17 桿件應(yīng)力比云圖
5.4.2設(shè)計狀態(tài)分析
從結(jié)構(gòu)應(yīng)力比圖可以看出，設(shè)計狀態(tài)結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力比為0.196（圖18）。
圖18 桿件應(yīng)力比云圖
5.4.3設(shè)計狀態(tài)與施工狀態(tài)應(yīng)力比差值分析
從設(shè)計狀態(tài)與施工狀態(tài)應(yīng)力比差值（圖19）對比分析可以看出，考慮卸載施工過程分析后，結(jié)構(gòu)桿件受力有所變化，結(jié)構(gòu)應(yīng)力比最大增大0.047（不利影響），最大減小為0.135（有利影響），總體說，卸載施工過程對結(jié)構(gòu)的不利影響很小，在5%以內(nèi)。卸載方案安全可靠。
圖19 應(yīng)力比差值分析
6 結(jié)語
本文以鄂爾多斯機場航站樓大跨度空間結(jié)構(gòu)工程實踐為背景，通過對結(jié)構(gòu)的整體分析，綜合考慮安裝方案、施工現(xiàn)場環(huán)境等技術(shù)條件，提出了大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工過程中臨時支撐體系的布置方案，并對所使用的臨時支撐體系進行分析，得到了施工過程中支撐體系的桿件應(yīng)力和結(jié)構(gòu)變形情況。針對該工程，提出了一整套結(jié)構(gòu)卸載方案和分階段整體分級同步卸載的原則和卸載步驟，通過對卸載過程的數(shù)值模擬分析，得到了卸載過程中臨時支撐體系的受力變化情況和結(jié)構(gòu)本身受力的轉(zhuǎn)變過程，順利實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換，對類似工程的施工與卸載提供了參考依據(jù)。
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