大悬挑重载高支撑体系设计与方案比选★

杨国松

(江苏沪宁钢机股份有限公司，江苏 宜兴 214231)

大型场馆项目屋盖普遍采用钢结构，结构形式采用桁架结构、网架结构或拱壳结构，其都具有安装高度高、结构荷载大的特点。结构安装时需设置临时支撑体系，且结构安装加载顺序的不同，也会对结构最终成型应力和变形产生影响。因此根据工程特点需选择合适的支撑体系和安装顺序，使钢结构施工完成态尽量与结构设计态吻合。

北京工人体育场位于北京朝阳区工人体育场内，为改造复建项目。新建项目坚持“传统外观、现代场馆”设计理念，通过保持主体建筑椭圆形造型、立面形式和比例、特色元素与建设初期相比基本不变，恢复工人体育场原有风貌，新工体建筑效果如图1所示。

体育场看台主体结构为混凝土框架结构，地上6层，地下2层，采用桩筏基础，采用下沉式主赛场，屋盖为大开口空间单层拱壳钢结构，整个体育场屋盖结构体系包括隔震支座、外受拉环梁、内受压环桁架、拱肋、次梁及内悬挑钢梁等，结构体系清晰明了；
受压环桁架及屋面荷载通过主拱肋传递给底部的受拉环梁，而后向下传递至混凝土看台框架结构，结构传力路径明确，其结构示意图见图2[1]。

本工程为大开口空间单层拱壳钢结构，屋盖最高点标高约46 m，主赛场为下沉式，标高-13.86 m，采用大型履带吊在主赛场结构面进行屋盖受压环及主拱的吊装方案，因此施工高度达59 m，结构剖面如图3所示。受压环分段位置需设置高度达56 m的高支撑，单个支撑点需承担屋盖施工荷载270 t。

受压环为倒三角桁架结构，桁架宽度8 m～12 m，桁架上下弦高度11 m。大截面桁架弦杆分段位置设置临时支撑，方案设计阶段初步拟定两种方案：

1)格构式组合支撑架。临时支撑立柱采用格构式支撑柱，相邻四个支撑柱通过水平桁架连接形成组合支撑架。

2)独立管组合支撑架。临时支撑立柱采用大截面圆钢管，相邻六个支撑柱通过斜向桁架和水平钢管连接形成组合支撑架。

2.1 格构式组合支撑架

组合支撑架立柱布置在桁架上弦分段对接位置，采用格构式支撑立柱，立柱平面投影尺寸为1.5 m×1.5 m，由四根立杆及其间的斜腹杆组成，杆件之间采用法兰螺栓连接。立杆截面尺寸为φ180 mm×10 mm，斜腹杆尺寸为φ102 mm×6 mm。

格构式支撑立柱底部设置预埋件固定于结构底板，顶部支撑屋盖压力环桁架上弦，立柱支撑高度约56 m，相邻四个格构式支撑立柱通过一圈水平桁架连接成一个组合支撑架。水平桁架布置在35 m高度(约桁架高度的2/3位置)，水平桁架截面尺寸同立柱截面。支撑总体轴测如图4所示。

压力环桁架下弦通过在支撑立柱之间横向设置一道水平桁架支撑，并在水平桁架下部设置四根斜撑传递荷载。支撑结构形式如图5所示。

2.2 独立管组合支撑架

倒三角形压力环桁架上下弦均设置独立管组合支撑架立柱，并且分段两端均设置立柱，立柱规格φ609 mm×10 mm，因此单个组合支撑架立柱数量为6根。立柱之间设置斜向单片桁架，桁架倾斜角度为45°。桁架弦杆截面尺寸为φ180 mm×10 mm，斜腹杆尺寸为φ102 mm×6 mm。支撑总体轴测如图6所示。

6根立柱分成两个三角形格构柱，用钢管连接相邻三角形立柱形成组合支撑架，如图7所示。

由于支撑设计为独立式的支撑，没有通过水平联系将所有组合支撑架连接成一个环形支撑体系，因此屋盖的压力环桁架和主拱安装顺序的不同将会使屋盖结构及支撑结构产生不同的内力及变形。经施工初步分析有如下两种安装思路：

1)压力环分段和主拱结构同步安装，即履带吊吊装定位压力环分段后，立即将与之相连的主拱安装定位，减小大型履带吊在场地内的行走，对施工效率及有限场地施工组织布置有利。

2)先压力环后主拱安装顺序，即压力环先安装成环后再进行主拱的对称安装，对结构变形控制有利。

全过程施工仿真模拟是结构由支撑及主结构支座受力逐渐转移为仅由主结构支座受力过程，在此过程中钢屋盖随着支撑点位变化内力进行重新分布。施工过程中对结构安全有影响的因素很多：支撑结构的设计、主结构安装顺序和支撑卸载过程的有效控制等均对结构最终状态产生较大影响[2]。

通过对两种支撑架结构形式及相同支撑形式两种安装顺序组合形成的三种方案进行结构安装工况分析，而后对比分析屋盖结构及支撑结构的变形及应力，比选有利于施工安全的方案。

4.1 格构式支架同步安装法

本工法采用格构式装配支撑进行施工，屋盖压力环桁架和主拱进行同步安装，因全过程工况较多，下面选取5个典型安装工况如图8所示。

采用Midas Gen 2021对钢屋盖结构进行全过程施工仿真模拟计算，钢屋盖施工过程中，屋盖最大竖向变形为490 mm、最大应力为146 MPa；
临时支架的最大应力为239 MPa，所有应力和变形均在设计允许范围之内[3-4]。

4.2 独立管支架同步安装法

本工法采用独立管支撑进行施工，屋盖压力环桁架和主拱进行同步安装，选取5个典型安装工况如图9所示。

通过仿真模拟计算，钢屋盖施工过程中，屋盖最大竖向变形为483 mm、最大应力为131 MPa；
临时支架的最大应力为181 MPa，所有应力和变形均在设计允许范围之内。

4.3 独立管支架先成环安装法

本工法采用独立管支撑进行施工，屋盖压力环桁架先安装成环后再对主拱进行安装，选取5个典型安装工况,如图10所示。

通过仿真模拟计算，钢屋盖施工过程中，屋盖最大竖向变形为473 mm、最大应力为119 MPa；
临时支架的最大应力为174 MPa，所有应力和变形均在设计允许范围之内。

4.4 各方案计算结果汇总

通过上述对三种安装方案进行全过程模拟分析，分析结果汇总如表1所示。

表1 三种安装方案分析结果汇总表

北京工体屋盖钢结构安装方案[5]，通过三种不同的施工方案对比分析其变形与内力，独立管支架先成环安装法屋盖结构最终成型后，结构最大变形、应力和支撑结构最大应力均最小，最终选定独立管支架先成环的安装方法。

通过上节对三种方案比选分析，六立柱独立管组合支撑架受力较为均衡，圆钢管立柱传递竖向荷载，斜向桁架传递水平荷载。进行压力环分段吊装时，其水平荷载主要为风荷载，镂空的桁架结构形式产生的风荷载较小，斜向桁架满足受力要求。当压力环安装成型后再对称安装斜向主拱肋，此时压力环与支撑形成一个封闭的环向支撑体系来承担主拱肋的竖向及水平荷载，大大增加了支撑体系的抗侧能力，此方法应用于重载高支撑结构体系中，大大减小了支撑使用量同时提高了支撑的整体刚度，在屋盖现场安装施工过程中，通过全站仪测量监测，支撑及屋盖压力环结构侧向位移及竖向变形均满足施工规范要求，结构应力与分析计算结果基本吻合，满足设计要求。

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