大跨度屋蓋振動舒適度分析及管桁架結構施工技術研究*

劉衛東,侯 博,林建華,周 茜,張志偉

(北京城建八建設發展有限責任公司,北京 102218)

0 引言

空間結構[1]的特點不僅表現在三維受力,而且其可通過曲面形體有效抵抗外荷載的作用?？缍仍酱?空間結構越能展現其優越的技術經濟性能。大跨鋼結構的優點為自重小,經濟性好;剛度好,抗震性能好;便于工業化生產;形式多樣化,造型美觀;建筑、結構和使用功能統一等[2-3]。

常見大跨屋蓋剛性空間結構形式有薄殼結構、空間網格結構、立體桁架結構[4-5]。目前,我國鋼管桁架結構越來越受重視[6],其是由鋼管通過焊接有機連接而成?？臻g管桁架結構是在網殼結構和網架結構基礎上發展起來的,通常為三角形截面,穩定性好,在工程中應用廣泛[7-8]。

1 工程概況

行政綜合樓等7項工程位于北京市昌平區某校園內,總建筑面積63 279m2,總用鋼量8 092t,結構安全等級為一級。其中風雨操場地下1層為藍球館,層面為操場,如圖1所示。屋蓋兼具運動功能,采用空間鋼桁架結構,平面投影輪廓為橢圓形,保證操場運動人員的舒適性及屋蓋下空間不受干擾是建筑的主要功能指標。風雨操場屋蓋管桁架采用地面散拼、單榀整體吊裝施工方法。本文通過大跨度倒三角空間管桁架共振及施工技術的分析、監測,確保工程施工質量達到舒適性功能指標和設計要求,并總結出大跨度屋蓋空間管桁架結構綜合施工技術。

圖1 風雨操場效果Fig.1 Effect of wind and rain playground

2 風雨操場共振技術分析

2.1 風雨操場屋蓋結構體系

風雨操場屋蓋結構為管桁架結構,桁架跨度36m、高度2.115m,單榀最重桁架重約43t,安裝高度為5.55m,桁架上弦中心線最大標高4.920m。桁架桿件均為圓管,截面為φ180×10～φ450×28。外圈封邊為熱軋H型鋼梁,規格有HN400×200×8×12,HM440×300×11×18,HN300×150×6×9。

鋼屋蓋主要由13榀主桁架、2榀弧形桁架、次桁架、馬道、外圈鋼梁、搖擺柱組成,結構模型如圖2所示。桁架兩端通過抗震球形支座支承于混凝土柱頂,如圖3所示。屋蓋外圍為搖擺柱,上方有270mm厚建筑做法,如圖4所示。通過設置抗震支座、搖擺柱、270mm厚建筑做法提高結構消能減震能力。

圖2 風雨操場結構分解模型Fig.2 Structure decomposition model of wind and rain playground

圖3 抗震球形支座Fig.3 Seismic spherical support

圖4 270mm厚建筑做法Fig.4 270mm thick building method

2.2 共振技術分析

根據建筑功能需要,體育館屋頂作為學校風雨操場,需鋪設270mm厚建筑做法,屬于重型屋面,設計時進行結構找坡,減輕屋面荷載。由于結構為大跨度桁架上人屋蓋,屋蓋豎向振動頻率在3.0Hz左右,人步行頻率為1.5～3.2Hz,因此人員在大跨度桁架屋蓋上活動時易引起共振,需進行共振深化設計計算。

首先通過TEKLA建立鋼結構模型,然后導入MIDAS形成整體計算模型,采用MIDAS進行有限元分析計算,如圖5所示。分別分析水平地震作用下的結構位移、靜力荷載作用下的結構位移、結構屈曲穩定驗算、屋蓋舒適性響應、運動對屋蓋下空間的影響等。由于大跨度屋蓋結構剛度較小,低階固有頻率偏低,結構對振動擾動較敏感,需驗算樓蓋結構豎向自振頻率及其在人行激勵下的豎向加速度。

圖5 整體計算模型Fig.5 Overall computational model

1)自振頻率

通過MIDAS對添加混凝土材料后的整體模型進行特征值分析,振型數設為6個,計算結果如圖6所示,結構豎向自振頻率為4.2Hz,大于3.2Hz,初步判斷不會發生共振。

圖6 特征值分析結果Fig.6 Results of the eigenvalue analysis

2)工況1：人群自由行走

為保證上人屋面使用舒適度,屋蓋在行走激勵荷載下進行結構振動舒適度驗算。風雨操場總面積為3 800m2,參考HCM2000《美國道路通行能力手冊》,單位面積人數為0.3～0.5人時,活動人處于準自由狀態,當單位面積人數在0.5～0.8人時,活動人處于正常步數受限制狀態。計算時按0.8人/m2考慮,操場上總人數為3 040人。輸入時程曲線,如圖7所示。

圖7 自由行走時程曲線Fig.7 Time-history curve of free-walking

規范要求豎向自振頻率f≤2Hz時,加速度限值為0.22m/s2;豎向自振頻率f≥4Hz時,加速度限值為 0.15m/s2;當2Hz

圖8 屋蓋中央處豎向加速度曲線(工況1)Fig.8 Vertical acceleration curve at the center of the roof(condition 1)

圖9 屋蓋2/3處豎向加速度曲線Fig.9 Vertical acceleration curve at two-thirds of the roof

3)工況2：人群有節奏豎向振動

為保證上人屋面使用舒適度,屋蓋還需進行人群有節奏豎向振動舒適度驗算。參考HCM2000《美國道路通行能力手冊》,當有節奏性行走時,計算時按0.5人/m2考慮,操場上總人數為1 900人。輸入時程曲線,如圖10所示。

圖10 有節奏豎向振動時程曲線Fig.10 Time-history curve of rhythmic vertical vibration

屋蓋中央處豎向加速度曲線如圖11所示。風雨操場中央處結構豎向最大加速度為 0.150m/s2,滿足規范要求。

圖11 屋蓋中央處豎向加速度曲線(工況2)Fig.11 Vertical acceleration curve at the center of the roof(condition 2)

模擬分析計算表明,結構豎向自振頻率為4.2Hz,2種工況條件下風雨操場屋蓋中央處結構豎向最大加速度滿足規范及舒適度要求,說明在270mm厚建筑做法、搖擺柱及抗震支座的作用下,結構不會發生共振,2種工況產生的振動不會對屋蓋下的空間造成干擾。

3 大跨度倒三角空間管桁架側拼

3.1 拼裝胎架設計

采用側拼方式進行倒三角管桁架拼裝。拼裝胎架由混凝土基礎、型鋼組成,如圖12所示。每組胎架設置2個混凝土基礎,高度600mm,基礎上放置1根HW300×300×10×12型鋼;上弦桿一側設置立桿及短牛腿,1根弦桿放置在H型鋼上,1根弦桿由短牛腿支撐固定,材料為[20;下弦桿由[20支承,槽鋼位置根據下弦圓管不同平面位置放樣確定。每榀桁架共設置8組胎架,采用25t汽車式起重機進行拼裝,拼裝過程中對拼裝精度進行把控及復核。

圖12 拼裝胎架剖面Fig.12 Cross section of assembly bed-jig

3.2 拼裝胎架精度控制措施

為保證構件地面拼裝質量,現場主要從4方面進行控制。

1)拼裝胎架設置完成后、開始進行拼裝前,對胎架總長度、寬度、高度等進行全方位測量校正,對桿件擱置位置建立控制網格,對各點空間位置進行測量放線,設置好桿件放置限位塊。

2)拼裝過程中對桿件逐一進行測量定位。

3)每個吊裝單元拼裝完成后采用全站儀進行全方位檢測、校核以確保與設計相符。

4)胎架在完成1次拼裝后,必須對其尺寸進行全方位檢測、復核,符合要求后方可進行下一次拼裝。

3.3 弦桿拼裝措施

桁架拼裝時,先吊裝桁架上、下弦桿,根據胎架底線及分段定位線進行定位。先在桁架主管端部焊接耳板,作為對接時的臨時固定,對接后將耳板割除磨平。桁架上、下弦桿鋼管間對接時,在鋼管內部設置內襯管,鋼管段就位后,把緊對接器,將主管間固定,如圖13所示。

圖13 桁架弦桿對接示意Fig.13 Connection of truss chords

3.4 桁架拼裝驗收

每榀桁架在地面拼裝完成后,均應進行驗收,驗收合格后方可進行吊裝作業。驗收內容主要為桁架拼裝精度、焊縫質量。實體拼裝精度應符合GB 50205—2020《鋼結構工程施工質量驗收標準》要求。焊縫應經第三方進行無損探傷。

4 大跨度倒三角空間管桁架吊裝

4.1 桁架吊點設置

桁架整榀吊裝,設置4個吊點,吊點在上弦桿與腹桿相貫節點處對稱布置,如圖14所示。

圖14 吊點布置Fig.14 Hanging point layout

4.2 桁架臨時穩定措施

桁架為倒三角,吊裝就位后僅有兩端下弦桿與支座連接,不穩定,無法松鉤。采用I20作為臨時支撐,從地面撐住桁架2個上弦桿,確保結構穩定,如圖15所示。待桁架間次桁架安裝到位,形成整體后方可拆除臨時桿件。

圖15 桁架吊裝就位臨時穩定措施Fig.15 Temporary stability measures for truss hoisting and placing in place

4.3 次桁架安裝措施

主桁架吊裝就位后,需及時將主桁架間次桁架安裝到位。次桁架采用塔式起重機輔助吊裝,必要時也可采用汽車式起重機進行吊裝。若次桁架拼裝后的重量超過塔式起重機起重能力,則需采取散件拼裝方法安裝。如圖16所示,制作由∟100×6,∟40×3 組成的吊框,吊框放置在桁架上弦桿上,人員進入吊框內進行安裝、焊接操作。

圖16 吊框示意Fig.16 The hanging frame

4.4 桁架起拱

由于風雨操場屋蓋最大跨度達36m,施工放樣前需進行預起拱,經計算后確定屋面中心起拱量為50mm,其他節點起拱量按屋蓋中心起拱量與屋蓋支撐柱(不起拱)進行線性插值確定。

4.5 安全防護措施

在桁架上弦桿設置安全立桿,采用φ48×3.0鋼管焊接在桁架弦桿上,拉設2道水平安全繩。桁架下弦桿上部鋪設水平安全網,根據施工進度調整鋪設范圍,確保覆蓋作業面。

4.6 吊裝流程

吊裝前先進行鋼絲繩選型與計算、地基承載力驗算。滿足要求后方可進行吊裝,吊裝流程如下。

1)采用500t汽車式起重機從北側開始吊裝。首先吊裝主桁架,吊裝就位后采用工字鋼支承上弦桿,臨時穩定后松鉤,如圖17a所示。采用同樣方法吊裝第2榀主桁架并臨時固定。

圖17 吊裝流程Fig.17 Hoisting process

2)采用塔式起重機和汽車式起重機將2榀主桁架間次桁架逐步安裝到位,次桁架采用散拼方式安裝,先安裝下弦桿,再安裝上弦桿,最后安裝腹桿,如圖17b所示。

3)采用同樣方法將北側剩余主桁架及次桁架依次安裝到位,連接形成整體,如圖17c所示。

4)汽車式起重機南移,逐步吊裝主桁架、次桁架。采用25t起重機在北側開始吊裝搖擺柱,采用塔式起重機安裝馬道構件,如圖17d所示。

5)采用汽車式起重機將南側剩余主桁架及次桁架安裝到位。逐步吊裝搖擺柱,并從北側開始吊裝搖擺柱與桁架間鋼梁,如圖17e所示。

6)采用25t汽車式起重機及塔式起重機逐步安裝剩余的搖擺柱及鋼梁等構件,至整體安裝完成,如圖17f所示。

5 大跨度倒三角空間管桁架監測

5.1 桁架拼裝測量

在桁架拼裝過程中,通過全站儀測出桁架控制點三維坐標,并按點號記錄,如圖18所示。將測得的數據輸入計算機,繪制實測坐標線模圖,將實體線模圖與設計線模圖通過平移、轉動等方法最大限度地進行擬合,使實體線模與理論模型盡量重合,最后不重合的差值為工廠制作誤差。

圖18 桁架拼裝測量Fig.18 Truss assembly measurement

5.2 桁架安裝測量

桁架均為倒三角且部分為弧形,下弦桿高度不同,測量難度大。桁架空間定位精度直接影響主桁架就位精度、主次桁架交接點對接精度,直觀反映在對接點錯口嚴重、焊縫過寬等現象,因此控制好桁架安裝定位精度是本工程的重點。桁架支座處安裝時需與設計坐標及深化坐標對比,確保精度。提取深化模型中關鍵控制點三維坐標,采用全站儀進行現場復核監控,如圖19所示。

圖19 桁架安裝測量Fig.19 Truss installation measurement

5.3 測量精度保證措施

1)儀器設備的檢校及復測、驗線 所有進入施工現場的測量儀器均需進行計量檢定,且每月進行自檢,確保其處于受控狀態。各基準控制點、軸線、標高等進行2次以上精測,以誤差最小為準。驗線與放線的人員、儀器和測量方法需分開,驗線精度需高于放線精度。

2)提高施工測量精度的措施 主要措施為選擇與鋼結構施工要求相適應的施工控制網等級。結合誤差分析理論和類似工程經驗,平面控制網按一級導線精度布設,高程控制網按三等準精度布設。

3)安裝誤差消除措施 鋼結構安裝誤差通常來源于構件在吊裝過程中因自重產生的變形、因日照溫差造成的縮脹變形、因焊接產生的收縮變形。若不采取措施減小、消除累積誤差,會產生嚴重的質量隱患。消除安裝誤差,應從安裝工藝和施工測控兩方面采取措施：①由于細長鋼構件較多,構件抵抗變形的剛度較弱,會在自重影響下發生不同程度變形。因此,構件在運輸、倒運、安裝過程中,應采取保護措施,如合理布設吊點,局部采取加強抵抗變形措施等,以減小因自重產生的變形。②由于日照溫差、焊接會使細長桿件在長度方向產生伸縮變形,從而影響安裝精度。因此,在上一單元安裝結束后,通過觀測其變形規律,結合具體變形條件,總結其變形量和變形方向,在下一構件定位測控時,對其定位軸線實施反向預偏,即節點定位實施反三維空間變形,以消除安裝誤差的累積。

5.4 風雨操場豎向自振頻率監測

施工完成后,通過監測儀器對風雨操場鋼結構屋面豎向自振頻率進行現場監測。依據有限元模擬分析結果,分別在鋼屋蓋上部面層正中間、北側中間、南側中間位置布置測點,監測其在地脈動工況下及人在屋蓋上行走工況下的豎向自振頻率(見圖20,21)。

圖20 地脈動工況下豎向振動加速度時程曲線及自振頻率Fig.20 Vertical vibration acceleration time-historycurve and natural vibration frequency under the condition of pulse working

圖21 人在屋蓋上行走工況下豎向振動加速度時程曲線及自振頻率Fig.21 Vertical vibration acceleration time-historycurve and natural vibration frequency under the condition of people walking on the roof

由表1可知,風雨操場豎向自振頻率為3.9Hz>3.2Hz, 說明采用大跨度倒三角空間管桁架綜合施工技術,保證了風雨操場結構的安全和舒適性。

表1 豎向自振頻率監測結果Table 1 Results of the vertical natural vibration frequency monitoring

6 結語

本文對風雨操場屋蓋結構進行共振技術分析,研究了大跨度倒三角空間管桁架測量、拼裝及吊裝技術,主要結論如下。

1)深化階段共振技術分析結果表明,屋蓋結構豎向自振頻率及在不同荷載作用下的最大加速度滿足規范要求。

2)采用側拼方式進行大跨度倒三角空間管桁架拼裝,拼裝胎架由混凝土基礎、型鋼組成。通過焊接耳板、設置內襯管等措施拼裝弦桿。

3)采用汽車式起重機進行大跨度倒三角空間管桁架安裝,通過放置吊框、預起拱、鋪設安全網等措施保證安裝質量與安全。

4)通過提取深化模型中三維坐標,將實體線模圖與設計線模圖進行對比,采用全站儀進行現場復核等測量措施,保證了加工、安裝過程的質量和安全。

5)現場監測結果表明,風雨操場豎向自振頻率為3.9Hz,采用大跨度倒三角空間管桁架施工技術,可保證風雨操場結構安全和舒適性。