空间桁架体系有哪几种基本形式（转载轮辐式索桁架外围支承结构拆撑方案对比研究）

原文来自--建筑钢结构进展-《轮辐式索桁架外围支承结构拆撑方案对比研究》潘文智，赵文雁，张坚洪，曹磊

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摘要：三亚体育中心体育场罩棚为轮辐式索桁架结构，其外围支承结构体系施工时共布置126个临时支撑胎架，临时支撑体系拆除是影响结构成型状态及施工安全的重要因素。综合对比位移、应力、支座反力等多因素，对拆撑方案进行对比研究，最终采用先拆除中柱胎架，然后从长轴方向附近开始逐步拆除南北侧的内外环胎架，最后从短轴方向附近开始逐步拆除东西侧的内外环胎架，内外环同步拆撑的方案，并与施工实测数据进行对比，进一步验证了方案的合理性，可为类似工程提供参考。

关键词：轮辐式索桁架；临时支撑胎架；拆撑；模拟分析

临时支撑体系主要在永久结构未成型前为其提供支撑依靠，并与永久结构组成一个共同作用的混合结构体系[1-2]。临时支撑体系的拆除是结构卸去支撑力、实现正常受力的过程。对于大跨度结构，当结构安装完成后，临时支撑结构体系的拆除将在结构中引起较大的内力重分布，对结构最终的成型状态有较大影响。

大跨度空间钢结构的拆撑主要涉及两方面的问题：一方面是主体结构在拆撑前、拆撑过程中以及拆撑完成后的结构安全性，拆撑过程中结构的变形是否协调、局部变形是否过大以及内力重分布后的结构内力是否满足设计要求等；另一方面是拆除过程中临时支撑体系的安全性[1-2]。

不少学者对大跨度空间钢结构的临时支撑拆除卸载进行了相关研究：张孝斌等[3]对某体育场的局部模型和整体模型进行非线性卸载偏差分析发现，桁架间的卸载量不同步对结构损伤较小，但对结构设计形态的影响较大；王泽曦等[2]对安顺体育中心体育场大跨度悬挑结构进行了模拟和分析，得到不同的卸载方案对卸载过程和卸载完毕后屋盖杆件及屋盖施工的影响；白国岩等[4]对大跨度弧形屋面临时支撑的卸载进行了研究，采用等效杆端位移法模拟卸载过程，提出了分阶段整体分级同步卸载的方案；曹平周等[5]对江苏大剧院音乐厅的临时支撑卸载方案进行了研究，详细对比了分阶段卸载和分区分步卸载两种方案；石开荣等[6]以高层悬挑转换桁架结构的临时支撑为研究对象，采用降温法模拟分级卸载，对其折撑敏感性进行了分析；常乐等[7]以三角锥体空间钢结构为例，分析对比了同步卸载与不同步卸载两种方案，研究了温度作用对钢结构的影响；田黎敏等[8]以某体育场为例，研究了提前拆除临时支撑对大跨度空间结构施工过程的影响。

上述文献均采用简化方式来模拟临时支撑胎架。为更真实模拟卸载过程中主体结构及临时支撑体系之间的耦合影响，本文基于三亚市体育中心体育场轮辐式索桁架的外围支承结构，建立主体结构及临时支撑体系的精细化整体施工仿真分析模型，对其临时支撑体系拆除方案进行对比研究，以保证结构卸载过程的安全，并为类似工程的施工提供参考。

1　工程概况

三亚市体育中心体育场项目位于三亚市吉阳区，为甲级大型体育场，约有4万个座位，体育场长边尺寸为304.4m，短边尺寸为268.2m，地上4层，建筑标高为45.3m，占地面积为31,670.8㎡，如图1所示。

图1　体育场整体效果图

Fig. 1　Overall rendering of stadium

体育场平面为不规则的五边形，下部为4层混凝土结构看台，上部为钢结构罩棚。罩棚以V形柱及受压环梁为界，分为外圈结构和内圈结构。

外圈钢结构主要包括受压内环梁、外环梁、交叉梁、内环V形柱和外幕墙斜柱，如图2所示。外圈钢结构最大跨度为42m，内环V形柱和外幕墙斜柱沿环向呈不同角度的向外倾斜，内环V形柱与受压内环梁采用关节轴承连接，柱脚采用固定铰支座与下方看台混凝土结构连接。受压环梁为箱形截面，最大截面尺寸为1,300mm×1,500mm×60mm；内环V形柱为圆管截面，截面尺寸为1,200mm×20mm。外圈钢结构上方为不锈钢焊接金属屋面。

内圈结构由52榀轮辐式索桁架和刚性受压环桁架组成自平衡结构，其上方为PTFE膜材屋面。其中，刚性受压环桁架内外圈弦杆间距为15~20m不等。

图2　体育场外围支承结构

Fig. 2　Perimeter supporting structure of stadium

2　临时支撑体系概况

本工程钢结构施工采用分段吊装的方式，从内到外设置了3圈临时支撑胎架，根据胎架的受力大小及支承结构构造的不同，126个临时支撑胎架可分为7种类型。临时支撑胎架的布置如图3所示。

图3　临时支撑胎架布置

Fig.3　Layout of temporary support jig frame

根据V形柱的倾斜角度以及受力大小，胎架采用不同的结构形式：对于南北区的内环胎架，由于其V形柱较小的倾斜角度及支承高度，故采用单胎架的形式；而对于东西区的内环胎架，由于其V形柱较大的倾斜角度及支承高度，故采用双胎架的形式，以保证胎架的承载力及刚度；对于外环胎架及中环胎架，由于其胎架的受力较小，故可采用单胎架的形式。

此外，由于V形柱、外幕墙柱的倾斜角度各不相同，对不同倾斜角度的构件设计了相对应的临时支撑胎架顶部工装；针对胎架下部混凝土结构的较大高差，根据胎架的底部支承条件设计了不同的底部工装，如图4所示。

图4　临时支撑胎架构造

Fig.4　Detail of temporary support jig frame

3　临时支撑体系拆除重难点

1）本工程由于构件跨度及梁截面尺寸均较大，V形柱和外幕墙柱的倾斜角度各不相同，受力较为复杂，拆撑顺序的不合理将导致胎架的反力发生较大变化，从而影响结构安全，因此其拆撑顺序的确定是临时支撑体系拆除的重、难点。

2）本工程共布置了126个临时支撑胎架，数量较多，无法进行同时、同步拆除，需考虑结构的特点及传力路径，对胎架进行分组拆除，因此支撑体系的分组也是临时支撑体系拆除的重点。

3）外围钢结构的成型位形对内圈轮辐式索桁架结构的张拉成型有较大的影响，其支撑拆除方案需考虑临时支撑体系拆除顺序对主体结构成型状态的受力和变形的影响，要与设计状态保持一致，这是临时支撑体系拆除的难点之一。

4　拆撑方案的模拟对比分析

4.1　拆撑控制原则

临时支撑体系拆除的控制原则如下[1-2]：

1）拆撑卸载过程会使结构及临时支撑的内力不断改变，应确保结构内力重分布是一个平稳变化的过程，且相邻支撑的内力不产生过大变化。

2）在拆撑卸载过程中，结构各杆件的内力应在弹性范围内并逐渐趋近于设计状态，将内力和变形控制在设计范围内，避免杆件因内力过大而破坏。

3）在拆撑卸载过程中，各临时支撑点的卸载变形应保持协调。

4）拆撑卸载方案应安全可靠，卸载过程易于调整控制，便于施工。

5）拆撑卸载完成后主体结构的受力与变形状态应与其一次成型状态保持一致。

4.2　4种拆撑方案的拆撑顺序

根据本工程的结构特点以及临时支撑结构体系的布置，提出4种拆撑方案进行对比优选：

1）方案1：先拆除中柱胎架，然后按照从东西到南北的顺序拆除内环胎架，最后再按照从东西到南北的顺序拆除外环胎架。

2）方案2：先拆除中柱胎架，然后按照从东西到南北的顺序拆除外环胎架，最后再按照从东西到南北的顺序拆除内环胎架。

3）方案3：先拆除中柱胎架，然后按照从南北到东西的顺序拆除内环胎架，最后再按照从南北到东西的顺序拆除外环胎架。

4）方案4：先拆除中柱胎架，然后从长轴方向附近开始逐步拆除南北侧的内外环胎架，最后从短轴方向附近开始逐步拆除东西侧的内外环胎架，内外环同步拆撑。

4种方案的拆撑顺序如图5所示。

图5　4种方案的拆撑顺序

Fig. 5　Support removal sequence of four schemes

4.3　拆撑方案的对比分析

根据上述4种拆撑方案，对主体结构及临时支撑体系进行精细化建模，临时支撑体系与整体结构模型一同进行拆撑模拟分析，拆撑模拟分析模型如图6所示。

图6　拆撑模拟分析模型

Fig. 6　Simulation analysis model of support removal

拆撑模拟对比分析结果如下：

1）主体结构成型状态对比

不同拆撑方案下，主体结构成型状态的受力和变形结果基本一致：整体结构最大z向变形为-44.4mm，最大x向变形为40.5mm，最大y向变形为16.6mm，整体结构均未发生较大的变形；整体结构最大等效应力为65.4MPa，主体结构构件的应力均远远小于其设计强度，整体结构处于安全状态。

2）主体结构等效应力变化

拆撑过程中，主体结构的等效应力变化如图7所示。4种拆撑方案下，主体结构的等效应力变化较为平稳，均未出现应力突变的情况，且结构构件的应力均远远小于其设计强度，说明拆撑顺序较为合理，结构的内力重分布较为缓和。

图7　主体结构等效应力变化

Fig. 7　Variation of equivalent stress of main structure

3）主体结构位移变化

分别选取内环梁的4个关键点进行拆撑过程中主体结构的位移变化分析，关键点位置如图8所示。其中，关键点1和关键点3的y向位移，以及关键点2和关键点4的x向位移均较小，故不作对比分析。

图8　位移变化分析关键点

Fig. 8　Key points of displacement change analysis

图9为拆撑过程中内环梁关键点的位移变化，由图9可知：

（1）对于东西向关键点，其竖向位移和x向位移的大幅度增加均发生在东西区内外环胎架拆除后，以关键点1的竖向位移为例，4种方案的最终位移基本一致，从拆撑前的6.9mm增长至34.6mm，但各方案中位移的增长过程不一致。方案1与方案3中位移的增长主要分为2个明显的增长段，先从6.9mm增长至21.0mm，经历一个水平段后，再增长至34.6mm；方案2中仅有一个明显的增长段，直接从6.9mm增长至34.6mm；而方案4中，位移均匀地分3个阶段从6.9mm增长至34.6mm。综合4个方案的位移变化过程，方案2中关键点1的位移变化最为剧烈，方案4中关键点1的位移变化最为平稳。

（2）对于南北向关键点，其位移变化主要体现在竖向位移和y向位移上，综合4个方案的位移变化过程，方案1、2、3中关键点的位移均在变化过程中出现较为尖锐的拐点，即出现位移的骤增或骤减，这对于结构的安全更为不利，而方案4中关键点的位移在变化过程中虽然呈先增后减的趋势，但较为平缓。

图9　内环梁关键点的位移变化

Fig.9　Displacement change of key points of inner ring girder

4）主体结构支座竖向反力变化

主体结构支座关键点布置如图10所示。

图10　主体结构支座关键点布置

Fig. 10　Layout of key points of main structure supports

图11为拆撑过程中主体结构的最大、最小支座反力，由图11可知：

图11　主体结构的最大、最小支座反力

Fig. 11　Maximum and minimum support reaction of main structure

（1）拆撑过程中，方案1~4的最大支座压反力分别为2,236kN、2,153kN、2,153kN和1,847kN，最大支座拉反力分别为256kN、282kN、256kN和148kN，因此方案4的最大支座压反力和最大支座拉反力均最小，主体结构支座处的受力更为安全。

（2）从拆撑过程中主体结构支座的最小竖向反力来看，方案1、2、3均出现相当一部分关键点的支座反力为拉反力的情况，其中方案1、3为东西向外幕墙柱支座出现拉反力，方案2为东西向内环V形柱支座出现拉反力。究其原因是方案1、3先拆除了内环胎架，内环胎架拆除后主体结构内环东西向具有外扩的趋势，而此时外环胎架仍未拆除，使得外幕墙柱支座出现拉反力；方案2先拆除了外环胎架，外环胎架拆除后主体结构外环东西向具有外扩的趋势，而此时内环胎架仍未拆除，使得内环V形柱支座出现拉反力。归结起来就是内外环胎架拆除不同步造成了此现象。而方案4采用内外环同步拆撑的方式，仅有少量的主体结构支座关键点出现拉反力，且拉反力相对较小，结构支座反力的变化较为平稳，更为安全。

5）临时支撑体系支座竖向反力变化

综合考虑本工程结构特点以及各方案的拆撑工序，选取内环1-15轴、1-35轴、1-51轴和1-71轴胎架，外环1-W5轴、1-W23轴、1-W42轴和1-W59轴胎架来反映支撑体系支座竖向反力的变化，胎架位置如图12所示。

图12　分析的胎架位置

Fig. 12　Position of the analyzed jig frame

图13为拆撑过程中关键胎架的支座反力变化，由图13可知：

（1）对于方案1和方案3，其内环胎架的竖向反力变化较小，但其外环胎架的竖向反力变化较大，尤其是东西向的外环胎架，最大反力变化达400kN，这是因为内环胎架拆除后，东西向主要由外环胎架来承担结构荷载。

（2）对于方案2，其外环胎架的竖向反力变化较小，而内环胎架的竖向反力变化相对较大，最大反力变化接近200kN，这是因为外环胎架拆除后，东西向主要由内环胎架来承担结构竖向荷载。

（3）对于方案4，总体来说各胎架在拆撑过程中的反力变化均较小，胎架反力变化较为平稳，最大反力变化接近100kN。

图13　部分胎架的支座反力变化

Fig.13　Support reaction change of several temporary supports

6）小结

综合对比主体结构成型状态、主体结构等效应力变化、主体结构位移变化、主体结构支座竖向反力变化、临时支撑体系支座竖向反力变化等计算结果，相比于方案1、方案2和方案3，方案4的主体结构位移、主体结构竖向反力、临时支撑体系支座竖向反力等的变化更为平稳，且在拆撑过程中主体结构应力均远远小于设计强度，临时支撑体系结构的应力均满足规范要求，结构处于安全受力状态。

因此，本工程采用方案4的拆撑顺序，即先拆除中柱胎架，然后从长轴方向附近开始逐步拆除南北侧的内外环胎架，最后从短轴方向附近开始逐步拆除东西侧的内外环胎架，内外环同步拆撑。

5　拆撑过程的施工监测

根据方案4的拆撑顺序以及现场施工情况，进行临时支撑体系的拆除。拆撑过程中对内外环梁的关键节点进行变形监测，以保证拆撑过程中的结构安全。内外环梁的拆撑变形测点的布置如图14所示，变形测点在梁上的具体位置如图15所示。

图14　内外环梁变形测点布置

Fig. 14　Layout of deformation monitoring points of inner and outer ring girders

图15　内外环梁测点具体位置

Fig.15　Specific positions of monitoring points of inner and outer ring girders

选取测点5、16、17、24、31、34、44、60这8个变形测点的数据与拆撑施工模拟的数据进行对比分析，如图16所示。

图16　拆撑监测数据与模拟数据的对比

Fig.16　Comparison between monitoring data and simulation data of support removal

由图16可知，各测点的实测变形值均较小，实测的相对变形与施工模拟的结果基本一致，拆撑过程中并未发现有过大的结构变形，说明拆撑顺序较为合理，有效保证了卸载过程中的结构安全。

6　结 论

本文基于三亚体育中心体育场轮辐式索桁架的外围支承结构，对其临时支撑体系拆除方案进行对比研究，可以得到以下主要结论：

（1）对于布置有多圈临时支撑体系的结构，沿径向各圈临时支撑的不同步拆除可能导致主体结构柱支座出现拉反力；沿环向先拆除受力较小的胎架、后拆除受力较大的胎架的拆除顺序，其主体结构内力及变形的变化更为平稳，对胎架结构的受力更为有利。

（2）通过对4种方案的拆撑模拟分析，综合对比位移、应力、支座反力等计算结果，最终采用方案4的拆撑顺序，即先拆除中柱胎架，然后从长轴方向附近开始逐步拆除南北侧的内外环胎架，最后从短轴方向附近开始逐步拆除东西侧的内外环胎架，内外环同步拆撑。

（3）通过对拆撑过程的变形监测可知，各测点的实测变形均较小，实测的相对变形与施工模拟的结果基本一致，拆撑过程中并未发现有过大的结构变形，说明对比分析所得的拆撑顺序合理可行，有效保证了拆撑卸载过程中的结构安全。

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