异形大跨度钢结构临时支撑施工技术

上海市机械施工集团有限公司 上海 200072

1 工程概况

上海东方体育中心工程位于黄浦江以东、川杨河以南、济阳路以西，总用地面积3.48×105m2，投资约20亿元人民币。

整个工程包括综合体育馆、游泳馆、室外跳水池、服务中心、大平台及室外大平台等单体工程。其中综合体育馆结构高43 m，长166 m，宽172 m。地下2层，地上3层。钢结构体系主要由10榀跨度达151 m的钢架组合而成，10榀钢架截面均为空间倒三角形，单榀钢架质量逾550 t。整个综合体育馆工程总用钢量约6 000 t。综合体育馆效果图、三维结构模型如图1所示。

2 总体施工技术路线

综合体育馆钢架结构采用2台大型履带吊跨外分段节间综合安装，跨中钢架分段则采用地面原位拼装、逐段提升到位。钢架分段临时支撑根据结构特点采用格构式组合刚性支撑。

图1 综合体育馆效果图及三维结构模型

大跨度异形钢架分成5～7段由两端向跨中对称安装。钢架分段由钢架柱、钢架梁分段组成，如图2所示。

图2 钢架分段示意

钢架柱为钢管交汇而成的棱台形钢架，头重脚轻，质量最大分段达148 t；钢架梁为空间倒三角管桁架，质量最大分段达68 t。

3 工程的特点、难点及应对措施

1）钢架柱、钢架梁构件分段均超大、超宽、超重，构件无法由工厂预制直接运输至现场吊装，必须设置拼装胎架在现场卧拼。其中钢架柱构件为空间不规则棱台，高重心且偏心，临时支撑设置难度相当大。因此，必须精确计算每1榀钢架柱的重心位置，并结合已完成的平台结构设计做出既满足竖向稳定又满足侧向稳定的支撑体系。同时还要考虑支撑系统无法事先设立，须随钢架柱吊装同步设置的特点。临时支撑点受力亦须采用计算软件分析，并采用受力转换手段来确保平台结构的安全性。

2）钢架梁为空间异形倒三角桁架体系，安装时，构件一端与已完成的钢架柱或钢架梁上下弦杆对接，另一端采用临时支撑系统搁置。由于看台结构已经完成，临时支撑的设计难度相当大。因临时支撑之下利用看台结构架设，支撑高度高低不一，最大支撑高度达33.80 m，故临时支撑下部构造须架设转换钢平台，将竖向受力传递至看台柱上，其上部构造还须满足构件进档和标高控制的要求。

3）受看台结构的影响和部分桁架梁提升的要求，临时支撑的设计须类型多样，分成二肢格构体系、三肢格构体系以及四方架格构体系。格构体系的设计既要满足自身的强度要求，又要确保其临时稳定。因此，结合计算软件分析，对应设计的临时支撑侧向拉结需与看台结构梁有效连接。

4）临时支撑系统卸载是实现结构由施工工况向设计要求的最终转换，结构受力将重分布。支撑卸载是一个复杂的受力过程，不合理的卸载顺序容易导致结构局部应力超大、支撑受力过大等不利工况。因此，必须采用有限元施工模拟软件进行多工况的反复比对，以确定最优方案。同时采用应力应变检测的方法实时掌握支撑卸载过程中的变形和受力的动态[1,2]。

4 异形大跨度钢结构临时支撑施工技术

4.1 异形钢架柱临时支撑设置

因单榀钢架柱安装时，构件头重脚轻且向内侧偏心，故临时支撑设置既要考虑构件的竖向稳定，又要考虑构件的侧向稳定。因此，支撑体系设置成为由竖向支撑和侧向斜支撑组成的空间格构刚性支撑体系。

临时支撑的上部节点采用刀板与钢架主弦杆焊接固定，根部节点则通过路基箱将力传递至混凝土平台梁柱上。

4.2 异形钢架梁临时支撑设置

钢架跨度从中间向两边次第减小，自136 m减小至73 m，其中中间8榀覆盖整个场馆2层看台区域，边上2榀覆盖结构平台区域。钢架梁临时支撑设置须满足以下要求：满足钢架梁临时稳定要求；满足局部钢架梁提升要求；由于看台结构已经完成，支撑点须通过合理转换传力至看台柱上；临时支撑自身结构须满足强度和稳定要求。

根据以上要求，结合异形钢架结构特点以及看台结构形式，我们有针对性地设计了由φ609 mm钢管和20#槽钢组成的双肢、三肢、四肢格构式钢支撑。

支撑分为ZC1、ZC2两种类型。ZC1为四肢格构式钢支撑，ZC2为双肢格构式钢支撑。钢架梁支撑立面布置如图3所示。

图3 TR6、TR1钢架梁支撑立面布置

由于临时支撑受力点作用在已完成的结构看台上，因此须设计转换钢平台，将受力传递至看台柱上。转换钢平台由1 300 mm×700 mm×12 mm×25 mm钢箱梁与400 mm×408 mm的H型钢梁组成。ZC1转换钢平台如图4所示，ZC1格构式钢支撑施工如图5所示[3-5]。

图4 ZC1转换钢平台构造

图5 ZC1格构式钢支撑施工示意

4.3 临时支撑卸载要求

本工程共设置54组支撑点，其中20组支撑点为外围支撑，采用单根φ609 mm钢管支撑，剩余34组支撑点为由φ609 mm钢管组合成的格构柱。通过采用Madis有限元施工计算软件进行施工全过程模拟分析，最终确定了临时支撑的总体卸载流程：即临时支撑整体卸载顺序为从轴中向两侧对称卸载，单跨钢架卸载顺序为从根部往跨中对称卸载。卸载顺序如图6所示[6-8]。

图6 临时支撑卸载流程

5 结语

在本工程施工时，结构卸载过程采用全站仪观测和布置应变计相结合，分析结构卸载完成后的变形及应力状况。综合体育馆卸载完成后，结构最大应力为64 MPa，位于跨度最大的TR1跨中；结构最大竖向变形为76 mm，位于TR1跨中。从观测结果可以看出：结构应力及变形值均满足设计要求。