體育場(chǎng)鋼勁性混凝土、鋼結(jié)構(gòu)和索膜罩棚結(jié)構(gòu)相結(jié)合的施工技術(shù)

何建波 陳少華

上海綠地建筑工程有限公司 上海 200232

1 工程概況

1.1 建筑概況

海口市五源河體育場(chǎng)主體結(jié)構(gòu)由混凝土看臺(tái)結(jié)構(gòu)和屋蓋罩棚結(jié)構(gòu)組成，兩者共同受力并形成整體?；炷量磁_(tái)結(jié)構(gòu)通過變形縫劃分為東、西看臺(tái)2個(gè)獨(dú)立的結(jié)構(gòu)單元；屋蓋罩棚對(duì)應(yīng)看臺(tái)結(jié)構(gòu)變形縫劃分為獨(dú)立的結(jié)構(gòu)單元，并分別支承在看臺(tái)結(jié)構(gòu)上，體育場(chǎng)南北長(zhǎng)約250 m，東西長(zhǎng)約268 m（圖1）。

圖1 工程效果圖

1.2 看臺(tái)內(nèi)部鋼結(jié)構(gòu)

本工程?hào)|、西看臺(tái)主體結(jié)構(gòu)分別為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土框-剪與消能黏滯阻尼器結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式。看臺(tái)部分構(gòu)件采用型鋼混凝土梁、柱及鋼柱的形式。型鋼混凝土柱主要為十字勁性柱，少部分為H形勁性柱及箱形勁性柱；型鋼混凝土梁為H型鋼梁。西看臺(tái)外排斜柱采用箱形鋼柱，內(nèi)排斜柱采用十字形鋼柱。

1.3 西看臺(tái)屋蓋罩棚結(jié)構(gòu)

西看臺(tái)屋蓋罩棚結(jié)構(gòu)由上下壓環(huán)梁結(jié)構(gòu)體系和索桁架結(jié)構(gòu)兩部分組成。最外側(cè)的上下壓環(huán)梁體系主要由圓管與斜撐組成，下壓環(huán)梁截面是φ1.2 m的圓管，板厚為30、40 mm，上壓環(huán)梁截面是φ1.5 m的圓管，板厚為30、35、40、45 mm，圓管之間采用法蘭連接，下壓環(huán)梁與滑移支座通過短柱連接；內(nèi)側(cè)索結(jié)構(gòu)由20榀索桁架組成，最大懸挑尺寸65.6 m，最低點(diǎn)標(biāo)高為16.315 m，最高點(diǎn)標(biāo)高60.923 m。內(nèi)環(huán)索直徑為115 mm，上徑向索直徑為90～100 mm，下徑向索直徑為90～95 mm，懸掛索直徑為24～32 mm。

1.4 東看臺(tái)罩棚承重結(jié)構(gòu)

東看臺(tái)罩棚承重結(jié)構(gòu)主要采用傾斜的“7”字形變截面傾斜柱和懸挑鋼梁組成。傾斜柱采用□450 mm×200 mm×20 mm×20 mm，懸挑梁采用□（450～150） mm×200 mm×20 mm×20 mm，柱腳與看臺(tái)埋件通過焊接方式連接。

2 施工難點(diǎn)分析

本工程中結(jié)構(gòu)構(gòu)造復(fù)雜，型鋼柱、梁規(guī)格類別多，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造復(fù)雜，深化設(shè)計(jì)工作量大、難度大，如何保證深化設(shè)計(jì)的及時(shí)、準(zhǔn)確也是一大難點(diǎn)。

1）鋼結(jié)構(gòu)安裝過程中，結(jié)構(gòu)不但受風(fēng)荷載的影響，而且也會(huì)因日照和溫度等天氣變化而變化，使結(jié)構(gòu)的空間位置始終處于動(dòng)態(tài)變化狀態(tài)，勁性斜柱最大垂直高度達(dá)34 m，斜度達(dá)到26°，空間定位復(fù)雜、測(cè)量放線難度大，對(duì)測(cè)量控制的方法和測(cè)量精度提出了高要求，現(xiàn)場(chǎng)安裝測(cè)量控制也是本工程一大難點(diǎn)。

2）由于結(jié)構(gòu)構(gòu)造復(fù)雜、構(gòu)件截面尺寸大，制作、運(yùn)輸、安裝難度大，尤其是①、?軸線內(nèi)環(huán)索支座部位單支構(gòu)件逾52 t；罩棚上下的壓環(huán)梁制作、安裝，及燈塔結(jié)構(gòu)制作、安裝（安裝高達(dá)60.923 m），也是工程中的難點(diǎn)。

3）本工程中鋼構(gòu)件現(xiàn)場(chǎng)焊接工作量大，大部位構(gòu)件板厚均在35 mm以上，南北兩端環(huán)索支座部位最厚板厚達(dá)150 mm，在焊接過程中容易產(chǎn)生根部裂紋、表面裂紋、層狀撕裂、焊接效率低、焊接應(yīng)力大、焊縫組織粗大、沖擊韌性較低等焊接問題，如何保證焊接質(zhì)量也是本工程的一大難點(diǎn)。

4）本工程中西看臺(tái)的罩棚采用索膜結(jié)構(gòu)，徑向最大懸挑尺寸為65.6 m，內(nèi)環(huán)索跨度達(dá)227 m，施工過程復(fù)雜。如何擬訂施工方案，保證施工完成后達(dá)到設(shè)計(jì)要求同樣是本工程一大難點(diǎn)。

3 施工階段過程控制要點(diǎn)

3.1 施工總體工藝流程

本工程鋼結(jié)構(gòu)總體施工順序?yàn)椋嚎磁_(tái)基礎(chǔ)內(nèi)錨栓預(yù)埋→東西看臺(tái)±0.00 m以下結(jié)構(gòu)施工→土建地下室施工→東西看臺(tái)±0.00 m以上結(jié)構(gòu)施工→土建地上結(jié)構(gòu)施工→東西屋面罩棚結(jié)構(gòu)施工→燈塔結(jié)構(gòu)施工→索結(jié)構(gòu)施工→膜結(jié)構(gòu)施工→完成鋼結(jié)構(gòu)主體工程→其他零星部位施工。

3.2 鋼結(jié)構(gòu)測(cè)量放線要點(diǎn)

1）移交資料的復(fù)測(cè)。復(fù)測(cè)場(chǎng)區(qū)平面控制網(wǎng)、高程控制網(wǎng)及同鋼結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)的土建結(jié)構(gòu)相互關(guān)系。

2）平面控制網(wǎng)的建立。構(gòu)建鋼結(jié)構(gòu)專用平面控制網(wǎng)、控制點(diǎn)應(yīng)不受施工影響，且使用方便和通視。

3）控制網(wǎng)布設(shè)原則。遵循“先整體，后局部”的二次布網(wǎng)原則。

4）平面控制點(diǎn)選擇。平面控制點(diǎn)應(yīng)兩兩通視、土質(zhì)堅(jiān)硬穩(wěn)固，便于點(diǎn)位長(zhǎng)期保存、采用混凝土標(biāo)樁埋設(shè)。

5）高程控制網(wǎng)的建立。高程控制網(wǎng)的水準(zhǔn)點(diǎn)直接布設(shè)在平面控制網(wǎng)的網(wǎng)點(diǎn)上，并按照路線進(jìn)行各水準(zhǔn)點(diǎn)間的閉合觀測(cè)。

6）構(gòu)件安裝的測(cè)量校正。測(cè)量校正包括鋼柱地腳螺栓、鋼柱、鋼梁、網(wǎng)架及桁架等。

7）構(gòu)件安裝的變形監(jiān)測(cè)。主要為結(jié)構(gòu)變形及沉降觀測(cè)，在勁性結(jié)構(gòu)安裝完成后設(shè)置變形監(jiān)控點(diǎn)，并在構(gòu)件施工過程、每一施工段完成，最后主結(jié)構(gòu)施工完成時(shí)，通過設(shè)置的變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形值分別進(jìn)行記錄并匯總。

3.3 鋼結(jié)構(gòu)加工制作控制要點(diǎn)

1）焊接H型鋼加工制作。制作主要難點(diǎn)是H型鋼組裝時(shí)的裝配精度控制、焊接變形控制和H型鋼的整體收縮應(yīng)力的控制。利用H型鋼生產(chǎn)線來確保H型鋼的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，采用自動(dòng)組立機(jī)來控制裝配精度，選用先進(jìn)的焊接工藝來控制焊接變形，采取機(jī)械校正來保證其外形尺寸的正確性。

2）箱形構(gòu)件加工制作。選用德國(guó)進(jìn)口的ESAB數(shù)控切割機(jī)，坡口加工采用半自動(dòng)切割機(jī)兩邊同時(shí)加工，保證鋼板兩邊受熱均等，不產(chǎn)生旁彎和變形；采用BOX專用組立機(jī)，確保箱形構(gòu)件隔板的定位精度及形位公差；使用美國(guó)林肯雙弧雙絲焊機(jī)，控制BOX焊接（埋弧焊）的質(zhì)量；利用軌道式搖臂鉆，保證鉆電渣焊孔的精度；選取日本進(jìn)口電渣焊機(jī)，確保電渣焊的焊接質(zhì)量；選擇割槍、端面銑、美國(guó)八拋頭拋丸機(jī)、德國(guó)高壓無氣噴涂機(jī)，以確保切帽口、校正、銑端面、拋丸涂裝等的質(zhì)量。

3）十字柱加工制造?，F(xiàn)場(chǎng)制作簡(jiǎn)易胎架（圖2），保證下料和裝配的準(zhǔn)確度。

圖2 十字柱組對(duì)簡(jiǎn)易胎架

3.4 鋼結(jié)構(gòu)焊接質(zhì)量控制要點(diǎn)

本工程鋼結(jié)構(gòu)安裝階段的焊接主要有焊接圓管、H型鋼、箱形構(gòu)件、鋼圓管等構(gòu)件的焊接，尤其是厚板的焊接等，現(xiàn)場(chǎng)采取合理有效的焊接技術(shù)、焊接工藝以控制焊接質(zhì)量。

1）焊接人員的確定。選定經(jīng)專項(xiàng)培訓(xùn)、取得中級(jí)及以上職稱并有一年以上焊接經(jīng)驗(yàn)的焊接技術(shù)責(zé)任人員；挑選經(jīng)專項(xiàng)培訓(xùn)、有焊接實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)并具有質(zhì)檢上崗資質(zhì)證的焊接質(zhì)檢人員。

2）焊接工藝方法及焊接設(shè)備。主要焊接方法有手工電弧焊、CO2氣體保護(hù)焊等；使用的主要焊接設(shè)備有：直流手工電弧焊機(jī)、交流手工電弧焊焊機(jī)、CO2氣體保護(hù)焊機(jī)、焊接材料烘焙設(shè)備及焊條保溫筒等。

3）引弧板、引出板和襯墊板的設(shè)置。其鋼材強(qiáng)度小于被焊鋼材強(qiáng)度，且具有與其相近的焊接性；在接頭端部應(yīng)設(shè)置焊縫引弧板、引出板，并在其延長(zhǎng)線上引弧和終止；鋼襯墊應(yīng)與接頭母材金屬貼合良好，焊縫連續(xù)；且有足夠的厚度以防止燒穿，并保證鋼襯墊與焊縫金屬熔合良好。

4）厚板焊接工藝的選定。選用合理的接頭坡口形式、低氫焊接材料；采用多層窄焊道焊接來確保韌性；分層焊接的每道焊縫收頭錯(cuò)開50 mm，控制層間溫度高于預(yù)熱溫度，必要時(shí)進(jìn)行中間消氫熱處理；焊后處理采用后熱和消氫處理。

3.5 鋼結(jié)構(gòu)安裝控制要點(diǎn)

1）預(yù)埋錨栓安裝。混凝土墊層澆搗完成后，綁扎鋼筋、埋設(shè)錨栓，對(duì)預(yù)埋錨栓進(jìn)行平面定位，安裝定位板并調(diào)至設(shè)計(jì)標(biāo)高，固定預(yù)埋錨栓，使其在混凝土澆搗時(shí)不產(chǎn)生位移，預(yù)埋錨栓安裝完畢后，土建進(jìn)行支模，然后澆筑混凝土。

2）南北剪力墻處勁性鋼結(jié)構(gòu)安裝。根據(jù)吊裝機(jī)械分段，采用2層一節(jié)，較重鋼柱按照1層一節(jié)進(jìn)行分段。勁性鋼梁采用塔吊吊裝。南北側(cè)剪力墻內(nèi)壓環(huán)梁支座質(zhì)量為52 t，采用600 t履帶吊四點(diǎn)安裝。

3）西看臺(tái)上壓環(huán)梁臨時(shí)支撐布置。臨時(shí)支撐均按照壓環(huán)梁結(jié)構(gòu)的正投影位置布置，且設(shè)置在壓環(huán)梁節(jié)點(diǎn)附近，每個(gè)節(jié)點(diǎn)處設(shè)置1組臨時(shí)支撐，臨時(shí)支撐垂直設(shè)置在壓環(huán)梁結(jié)構(gòu)下方的混凝土結(jié)構(gòu)看臺(tái)上。臨時(shí)支撐主要設(shè)置在混凝土梁或混凝土梁與混凝土柱交接位置（圖3）。但是ZC-2支撐設(shè)立位置正好處于4層和5層看臺(tái)內(nèi)邊沿的懸挑結(jié)構(gòu)處，此處懸挑結(jié)構(gòu)板薄，不便加固，此懸挑的混凝土結(jié)構(gòu)施工時(shí)已預(yù)留支撐安裝位置的懸挑樓板暫不施工，待鋼結(jié)構(gòu)施工完成，拆除臨時(shí)支撐時(shí)，再對(duì)該處進(jìn)行補(bǔ)缺。

圖3 臨時(shí)支撐設(shè)置立面示意

4）西看臺(tái)屋面罩棚鋼結(jié)構(gòu)安裝。安裝前，對(duì)西看臺(tái)壓環(huán)梁吊裝工況進(jìn)行分析，選取支座最低位置，此時(shí)構(gòu)件長(zhǎng)約18 m，質(zhì)量約34.6 t。南北兩側(cè)同時(shí)吊裝并安裝壓環(huán)梁，中間段最后施工。

5）東看臺(tái)屋面罩棚鋼結(jié)構(gòu)安裝。東看臺(tái)上部的罩棚結(jié)構(gòu)截面為L(zhǎng)形、箱形變截面結(jié)構(gòu)，鋼柱下部與混凝土柱頂部預(yù)埋件焊接連接。罩棚鋼結(jié)構(gòu)懸挑長(zhǎng)約4.5 m，結(jié)構(gòu)吊裝采用分片地面拼裝后整片一次性吊裝就位。根據(jù)吊裝工況分析，罩棚結(jié)構(gòu)拼裝后，共計(jì)54片吊裝單元，每片質(zhì)量約1.6 t，罩棚安裝后頂部最高標(biāo)高21 m，吊裝使用100 t履帶吊。履帶吊采用主臂工況，臂長(zhǎng)54 m，吊裝半徑33 m時(shí)，起吊高度達(dá)44 m，額定吊裝質(zhì)量滿足吊裝要求。

3.6 索膜罩棚結(jié)構(gòu)安裝控制要點(diǎn)

3.6.1 ?索結(jié)構(gòu)安裝

1）環(huán)索的鋪放。先鋪設(shè)環(huán)索操作平臺(tái)，搭設(shè)高度為2～3 m。然后利用3臺(tái)吊車將最內(nèi)側(cè)環(huán)索吊放到操作平臺(tái)并依次鋪放其他位置環(huán)索。

2）吊裝索夾。利用吊車吊裝索夾，將下層環(huán)索與索夾相連，利用倒鏈和橫擔(dān)將拉索提升至索槽，然后擰緊蓋板螺母。再按照鋪放下索的方法鋪放上索，將標(biāo)記點(diǎn)對(duì)齊并擰緊蓋板螺母。

3.6.2 ?索網(wǎng)張拉

1）張拉的先序工作。主要有拉索連接板后焊并驗(yàn)收、索網(wǎng)低空組裝、所有拉索及其連接檢查、索網(wǎng)與周邊鋼構(gòu)連接檢查、周邊鋼構(gòu)及其支撐的穩(wěn)定可靠性檢查等，結(jié)構(gòu)構(gòu)件和附屬構(gòu)件（如支架、纜風(fēng)繩等）不得阻礙索網(wǎng)的張拉提升路徑的檢查，以及張拉提升設(shè)備校驗(yàn)檢查等。

2）張拉提升的施工。張拉過程中應(yīng)確保整體位形與理論分析基本相符，幾何穩(wěn)定，拉索不出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)。對(duì)模擬張拉過程進(jìn)行施工全過程力學(xué)分析并預(yù)控；張拉過程中工裝索張拉長(zhǎng)度與理論值的偏差小于25 mm、張拉過程中張拉力與理論值的偏差小于20%。

3）提升張拉過程。通過分級(jí)加載試提升，觀察和監(jiān)測(cè)提升索網(wǎng)、外圍結(jié)構(gòu)以及張拉提升設(shè)備系統(tǒng)和工裝的動(dòng)態(tài)過程，復(fù)核模擬工況計(jì)算和設(shè)計(jì)條件，保證張拉提升過程的安全。

4）正式張拉提升。對(duì)整個(gè)索網(wǎng)一步步張拉提升，直至徑向索與外圍環(huán)梁連接就位等過程隨時(shí)進(jìn)行檢查，即千斤頂受載均勻，張拉提升承重和液壓動(dòng)力等監(jiān)視系統(tǒng)處于正常狀態(tài)。

5）張拉提升就位。當(dāng)索頭與外圍環(huán)梁連接就位時(shí)，在空中停留一段時(shí)間，利用自鎖裝置長(zhǎng)期可靠鎖定，液壓千斤頂卸載、拆除，完成張拉提升。

6）設(shè)備卸載、拆除。索網(wǎng)與環(huán)梁連接就位后，張拉提升設(shè)備卸載和拆除。在確認(rèn)各部分無異常的情況下，可卸載至100%，使張拉工裝索不再受力。

7）重復(fù)上述步驟，繼續(xù)張拉下一批拉索，直至整個(gè)索網(wǎng)施工完畢。

4 結(jié)語

本工程為鋼勁性混凝土、鋼結(jié)構(gòu)和索膜罩棚索膜結(jié)構(gòu)相結(jié)合的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，通過采用針對(duì)性的施工工藝，克服了施工過程中的諸多難題，最終順利完成了施工，也形成了一套鋼筋混凝土、鋼結(jié)構(gòu)和索膜結(jié)構(gòu)相結(jié)合的施工技術(shù)成果，為后續(xù)類似體育場(chǎng)施工提供了可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。