大型體育館鋼結(jié)構(gòu)屋蓋的施工關(guān)鍵技術(shù)研究

陳 霆

0 引言

建筑鋼結(jié)構(gòu)以其質(zhì)輕、形美的特點(diǎn)廣泛被現(xiàn)代大型公共建筑所采用。鋼結(jié)構(gòu)的施工過程分為兩個(gè)階段，即加工制作階段和安裝階段。加工制作在工廠完成，質(zhì)量容易保證。安裝階段在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行，安裝過程是影響工程安全性的主要因素。

隨著鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用日趨廣泛，鋼結(jié)構(gòu)工程事故也備受人們的關(guān)注。以西安市某鋼結(jié)構(gòu)工程為例，當(dāng)桁架吊裝到第十一榀時(shí)，屋架全部側(cè)向傾覆倒塌。調(diào)查顯示，造成事故的原因是結(jié)構(gòu)安裝次序錯(cuò)誤，在安裝中沒有形成一個(gè)穩(wěn)定的受力體系而直接導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。

由此可見，施工技術(shù)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的安全施工和使用至關(guān)重要，有必要對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的施工技術(shù)和工藝進(jìn)行研究［1-3］。前人對(duì)鋼結(jié)構(gòu)高層建筑［4］，鋼結(jié)構(gòu)廠房［5］和鋼結(jié)構(gòu)住宅［6］等的施工技術(shù)進(jìn)行研究，但是對(duì)大跨度的鋼結(jié)構(gòu)屋蓋的施工技術(shù)研究還很少。此類結(jié)構(gòu)跨度大，高程高，連接節(jié)點(diǎn)復(fù)雜，施工過程有其特殊性和難點(diǎn)，有必要研究其施工技術(shù)。

1 工程概況

某大型體育館位于廣西柳州。其中主館設(shè)可容納體操比賽要求的主比賽場(chǎng)地一塊，以及兩塊單邊籃球場(chǎng)寬度的賽前訓(xùn)練場(chǎng)。

本工程屬新建工程，比賽場(chǎng)大跨度屋蓋采用雙向鋼桁架。建筑高度總高為29 m。體育館南北向長度為121.2 m，東西向長度為101.1 m，屋蓋為雙向箱形鋼管桁架和H型鋼梁組合而成的結(jié)構(gòu)，桁架最大跨度為72 m。本工程鋼結(jié)構(gòu)施工具有以下難點(diǎn):屋面桁架上弦節(jié)點(diǎn)域與桿件連接形式復(fù)雜;桁架跨度大(最大達(dá)77 m)、安裝高度高達(dá)29 m，吊裝難度較大，如何避免在吊裝過程中桁架產(chǎn)生永久變形等不利因素是本工程的一大重點(diǎn)。

2 鋼結(jié)構(gòu)加工制作

2.1 復(fù)雜節(jié)點(diǎn)加工

在本工程體育館屋面桁架鋼結(jié)構(gòu)中，由于屋蓋造型奇特，主桿件與腹桿需進(jìn)行曲折面過渡，過渡處連接點(diǎn)很多且形式復(fù)雜。箱形構(gòu)件相貫節(jié)點(diǎn)和方鋼管與H型鋼相貫節(jié)點(diǎn)，是兩種典型的復(fù)雜連接節(jié)點(diǎn)。

在節(jié)點(diǎn)制作中，因屋脊線不一致造成每榀主桁架高差不一，上下腹桿與主桿連接時(shí)分別需進(jìn)行曲折面加工。因此如何準(zhǔn)確地下料，保證裝配精度是本工程加工制作的重點(diǎn)。針對(duì)這一難題，用AutoCAD軟件建立三維線框模型進(jìn)行分析，確定好機(jī)械切割余量及焊接后的收縮余量，按照材料規(guī)格進(jìn)行合理的套料，并根據(jù)制作要領(lǐng)選擇正確的加工設(shè)備實(shí)地放樣拼裝。

2.2 異型H型鋼制作

本工程門式剛架部分采用的H型鋼絕大部分為異型H型鋼，其上翼板均傾斜角度不一致，在生產(chǎn)加工過程中均需對(duì)每支構(gòu)件的上翼板進(jìn)行預(yù)折面處理，如何控制角度確保構(gòu)件滿足設(shè)計(jì)要求是本工程加工制作過程中的重點(diǎn)。采取合理的折面處理并配合加工焊接組合方案控制變形，是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)順利拼裝的關(guān)鍵。上翼板在折彎機(jī)上預(yù)彎前進(jìn)行預(yù)先模擬焊接后的焊縫收縮應(yīng)變量，再結(jié)合異型構(gòu)件的上翼板折面角度，組立門焊后下翼板采用機(jī)械矯正，上翼板則采用火工加外力的方式進(jìn)行矯正。

3 桁架預(yù)拼裝工藝

鋼結(jié)構(gòu)主桁架最大跨度為72 m，大型鋼構(gòu)件限于構(gòu)件運(yùn)輸條件和現(xiàn)場(chǎng)起重設(shè)備的起重能力，在工廠必須將大構(gòu)件按需要長度及重量進(jìn)行分段，運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)后進(jìn)行拼裝。但為了保證構(gòu)件在現(xiàn)場(chǎng)的順利拼裝，減少現(xiàn)場(chǎng)對(duì)構(gòu)件的安裝調(diào)整時(shí)間，本工程主要對(duì)主桁架進(jìn)行預(yù)拼裝。

現(xiàn)場(chǎng)預(yù)拼裝胎架由工字鋼焊接而成，胎架制成后將其焊接在混凝土地面的預(yù)埋鋼板上，使整個(gè)胎架形成一個(gè)剛性體。在拼裝場(chǎng)地劃線后安放H型鋼馬凳，馬凳間及角鋼進(jìn)行支撐連接后，再安放立桿支撐。

依次對(duì)桁架下弦桿，下部統(tǒng)桿水平支撐，側(cè)腹桿，上弦桿，上部次弦桿，桁架中間立桿及上部桁架水平支撐，上部桁架次桿及其他支撐進(jìn)行安放。

4 鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)安裝方案

4.1 吊裝順序及設(shè)備布置

桁架預(yù)拼裝完成后，就可以進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)的吊裝施工。本工程分為西區(qū)與東區(qū)兩個(gè)區(qū)域，分別配備兩套獨(dú)立的施工班組進(jìn)行安裝，每個(gè)區(qū)域從結(jié)構(gòu)中軸線向兩側(cè)同時(shí)施工，見圖1。

圖1 鋼結(jié)構(gòu)安裝順序

為了保證本工程的工期計(jì)劃，現(xiàn)場(chǎng)配備兩套設(shè)備進(jìn)行安裝:兩臺(tái)25 t汽車吊，負(fù)責(zé)桁架構(gòu)件的卸車、拼裝、次構(gòu)件安裝等;兩臺(tái)80 t履帶吊，負(fù)責(zé)屋頂分段桁架、馬道等構(gòu)件的吊裝。

4.2 支撐架的設(shè)計(jì)

本工程臨時(shí)安裝支撐架最大設(shè)計(jì)高度25 m，其穩(wěn)定控制是關(guān)鍵。所有安裝臨時(shí)支撐架采用角鋼立柱格構(gòu)柱支撐。

支撐架最大承受力約100 kN，用于體育館內(nèi)端部桁架的支撐，支撐主要承受自身重量、上部桁架自重傳來的荷載、風(fēng)荷載及施工活荷載。支撐材料強(qiáng)度和截面:鋼材采用Q235鋼，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)尺寸為 1.2 m ×1.2 m ×0.8 m;其中立桿采用 L100 ×6，腹桿采用L70×6，頂部選用Ⅰ20(H200×100×7×11.4)進(jìn)行加固。支撐架四周布置纜風(fēng)繩，纜風(fēng)繩與水平面夾角在45°～60°之間，纜風(fēng)繩扣在距支撐底部高16.5 m處。

4.3 分段吊裝工藝

由于本工程桁架長度較長，為了保證分段構(gòu)件在吊裝過程中的穩(wěn)定性，需對(duì)主次桁架進(jìn)行分段吊裝。對(duì)整個(gè)屋蓋進(jìn)行施工模擬，找出桁架最佳的分段方式。施工時(shí)主要對(duì)主桁架(④軸～?軸桁架)、次桁架(?軸～軸桁架)進(jìn)行分段。對(duì)主桁架采用扁擔(dān)梁吊裝的方式進(jìn)行吊裝，吊點(diǎn)設(shè)置在桁架上弦節(jié)點(diǎn)處，每個(gè)吊點(diǎn)處吊索與水平面的角度控制在45°～60°。對(duì)次桁架進(jìn)行簡單吊裝，吊點(diǎn)設(shè)置在桁架上弦桿重點(diǎn)。

主桁架兩個(gè)分段吊裝后，在高空中的上下之間的微調(diào)采用設(shè)置在高空支架上的千斤頂來完成，側(cè)向主要利用支撐架上的拼裝胎架來保證構(gòu)件的相對(duì)位置，再利用設(shè)置在胎架兩側(cè)的千斤頂調(diào)整側(cè)向位移，最后調(diào)整到構(gòu)件的安裝預(yù)定位置進(jìn)行整體的焊接工作。

5 結(jié)語

針對(duì)某大型體育館鋼結(jié)構(gòu)屋蓋施工過程中碰到的問題，解決復(fù)雜節(jié)點(diǎn)加工、異型H型鋼制作及構(gòu)件連接等難點(diǎn)，詳細(xì)說明了桁架預(yù)拼裝工藝、大型鋼結(jié)構(gòu)屋蓋的吊裝方案等，闡述大型鋼結(jié)構(gòu)加工制作和現(xiàn)場(chǎng)吊裝中的關(guān)鍵技術(shù)，為設(shè)計(jì)大型鋼結(jié)構(gòu)屋蓋合理的施工方案提供指導(dǎo)。

［1］ 魏振義.內(nèi)蒙古某廠展覽館屋面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與施工［J］.建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)展，2005，7(6):89-92.

［2］ 鮑廣鑑.鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)及實(shí)例［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2005.

［3］ 張平順.鋼結(jié)構(gòu)工程安裝施工的幾個(gè)要點(diǎn)探析［J］.陜西建筑，2005(10):17-18.

［4］ 唐興國，鐘鐵毅.北京電視中心高層鋼結(jié)構(gòu)施工模擬分析［J］.北京交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，30(1):59-62.

［5］ 呂振強(qiáng).大型鋼結(jié)構(gòu)廠房的制作安裝施工［J］.施工技術(shù)，2006(4):38-39.

［6］ 劉靈敬，李瑞鴿，張耀庭.多層輕鋼結(jié)構(gòu)住宅施工的探討［J］.建筑管理現(xiàn)代化，2006(3):35-38.