上海工程技术大学体育馆钢管桁架的设计与安装

　　摘要：通过对工程实例的分析，从设计与施工的角度，对屋面钢拱架，提出相应的设计与安装技术要点，希望能对今后同类工程有所借鉴。关键词：拱架；胎架；桁架；铰接

　　中图分类号：TU323．4

　　文献标识码：B

　　文章编号：1008-0422(2006)04-0115―03

　　收稿日期：2006―02―25

　　作者简介：吉祖强，1996年毕业于郑州工业大学一级注册建造师，长期从事建筑施工监理工作

　　1设计概况及说明

　　上海工程技术大学体育馆拱架是断面为倒三角形的空间钢管桁架结构，模拟竹篮子的柃攀形式，如图1。虽作为建筑的装饰构件，但造型颇具特色，是整个建筑的点睛之笔。

　　拱架长向尺寸122．5m，短向27．2m，高度44m，在中部融合。拱架跨中高度4．0m，至拱脚逐渐收至1．2m，跨中宽度约为4m。由于在支座处拱体还存在较大弯距，故三根弦杆不能汇交于一点而是拉开一定的距离。弦杆与靴板间采用穿心板式铰支座，避免杆端附加弯距。四个拱脚处设球形铰支座(图2)，与埋于基础顶面的预埋件相焊，可沿任意角度转动，在计算时拱脚处以固定铰支座考虑。

　　拱架采用STAADPRO3．1版软件进行计算。钢材采用0235B。上下弦杆为246X10―457X12，为使人感觉杆件是渐进变化的，采用变截面高频焊接锥体钢管，每段均呈线性变化。腹杆为080X6～中140X6，采用等截面高频焊接钢管。杆件截面尺寸由端部至跨中逐渐变大，这样，在地面上的人看来，上下部的钢管在视觉上是一样粗的。

　　拱架分为六节，分别为桁架一(HJ―1)4个，桁架二(HJ―2)2个，分别如图3，4。在桁架一，二交点处上弦杆由四根融合为两根。由于有最多10根杆件交汇，难于加工，于是采用中600X16焊接球节点，杆件均交汇于球节点中心。焊接球由16厚钢板热弯咸两个半球再焊接而成。在桁架二内下弦杆由二根汇合为一根，有7根杆件交汇，采用中750X20焊接球节点。

　　本工程所有构件均采用弹性设计法，以结构变形为主进行控制设计。采用7度抗震设计，地震影响系数ε＝0．08，上海地区风压0，55kn／m2，取风压高度系数1．60，风振系数1．50。在承载能力极限状态下考虑恒载(构架自重)，地震荷载，风荷载等12种组合，并考虑在+40℃和-20℃极限温度的影响。经统计分析，杆件主要由如下四种工况控制：

　　1)7．2X静载十0．9(0．2x1．4X风载(Z)十13X地震(Z))

　　Z向为短跨方向

　　2)1．2x静载+0．9(0．2x1．4X风载(―Z+7．3X地震(Z))

　　3)7．2X静载十0．9(0．2x1．4X风载(―X+1．3X地震(Z))

　　4)1．2x静载+7．2x温度(40℃)

　　下弦杆主要由第1)工况控制，拱脚：I由第3)工况控制，跨中(即融合处)杆件应力最小，其余较为平均。上弦杆拱脚处应力最大，强度受第1)、4)工况控制，其余应力较小。腹杆应力较小，主要由此4种工况控制。杆件应力图5。在最不利荷载组合工况下，主拱挠度为1／800，小于《钢结构设计规范》所规定的1／400。杆件的长细比均≤180。钢材普遍应力为屈服强度的30％―80％，变形及平面内外稳定性均能满足要求。总用钢量约110t。

　　从立面图看，拱架呈光滑抛物线型，其曲率由中部向拱脚处逐渐变大，一方面为了满足建筑造型的需要，使拱架曲线丰满圆滑，富有张力。另一方面，为了尽量减少拱脚处水平推力，要求拱脚下部曲率变化大，到拱脚处与水平线夹角尽量大，所以根据这一原则，根据建筑给定的几个控制点的坐标，用最小二乘法进行曲线的拟合，首先假定曲线为二次抛物线，根据建筑坐标，用mathlab求出此连续方滑曲线的代数多项式(也可用手算及编制的拟合程序)，使曲线尽量符合建筑的造型，并使方程式形式简单。经过多次试算，确定跨中曲率半径最大，为65．8m，拱脚处曲率半径为46．2m，拱脚相应最大水平力150KN，由于曲率半径较大，曲率较小，UL设胎架，地面上设竖向临时支撑；3)看台侧设为临时出入口。

　　方案一虽然对土建施工影响较小，不需临时出入口，但起吊力臂较大，约为30m，起重量不能满足要求，且所需场地较大。方案三可结合后浇带的位置预留出入口，对基础梁影响较小，但侧边空间窄小，且需铺设道路。架立竖向临时支撑会受建筑物的影响。方案二北出入口正对主干道，运输方便，且场地开阔，便于在地面上架立竖向临时支撑。故最终选择方案二。

　　2．2临日寸出入口

　　由于材料运输及吊装的要求，需在沿建筑物主轴南北两个方向预留临时出入口，此处的结构暂不施工，只预留柱插筋。安装胎架需用80t汽车吊，通过北入口进出，由于桩基及基础已先施工，故需做好保护工作，在汽车通行的地方，铺300厚碎石垫层，并铺钢走道板。

　　2．3胎架

　　胎架安装在建筑物中部，用以提升拱架，胎架由四个角钢桁架组成，每个桁架设一个独立基础，四个基础之间设拉梁两两连接。立杆为L125X8，腹杆为L80X5，每段桁架截面尺寸为2400x1200，高度48m，由各段长度为3m的小桁架拚装而成。节点处采用加焊节点板并用螺栓连接接长。由于胎架较高，采用NK-800汽车式起重机，44m主臂+9．5m副臂。胎架平面图如图6，胎架顶部连接，并在胎架中部沿桁架短向设置剪刀撑，并在胎架顶部沿四角伸出四根钢铰线，固定于地面，倾角约30，以保证胎架的整体稳定性。桁架在吊装过程中，应分别验算胎架和半个拱架在提升时的强度，刚度及稳定性，使之满足要求。

　　2．4临时支架

　　临时支架是分节钢管桁架的临时支撑，是截面成矩形的角钢桁架。其制作与胎架一样，只是截面较小，其高度根据半拱立于地面时的高度确定。由各段长度不等的小桁架螺栓接长而成。

　　2．5拱架的安装

　　拱架分节在TV预制，HJ-1分为五节，HJ-2分为两节，总共24节。弦杆在受力较小的部位断开，一般在各节弦杆1／3处，各节最大长度不超过12m，以便于运输。弦杆与腹杆相贯线的焊接仅两节相交处的三根腹杆在现场焊接外，其余均在TV完成，现场只需进行弦杆的剖口对接焊。通过临时支架并辅以45T汽车吊架立并焊接各节拱架，最终形成两个半拱置于地面。然后由安装在胎架顶部的四部卷扬机配合拱脚处的四个汽车吊同步提升两个半拱至预定位置，在中部精确就位后先将拱脚处的螺栓固定，将靴板与球形铰支座焊接固定，然后将拱架在中部焊接连为一体，最后将球形支座底板与基础顶面预埋钢板焊接，完成拱架的安装。本文来自《上海工程技术大学学报》杂志