體育館大跨度張弦梁分段安裝關(guān)鍵施工技術(shù)

丁俊濤

上海建工七建集團(tuán)有限公司 上海 200050

萊茵體育生活之城項(xiàng)目位于浙江省杭州市桐廬縣，工程南側(cè)為已建一期訓(xùn)練基地，西側(cè)為在建住宅區(qū)，東側(cè)為金中路，北側(cè)為農(nóng)保田和高家路。工程平整后場地標(biāo)高為76.5～78.0 m，場內(nèi)基本平坦，項(xiàng)目造型整體類似一只展翅待飛的蟬，總體寓意為“蟬鳴寄意，桐翼于飛”，主體工程主要由體育館和專業(yè)足球場組成（圖1）。體育館屋面采用了預(yù)應(yīng)力張弦桁架結(jié)構(gòu)體系，由上弦剛體、下弦索及其之間的撐桿構(gòu)成。通過布置和張拉拉索，產(chǎn)生向上的等效預(yù)應(yīng)力荷載來優(yōu)化結(jié)構(gòu)的內(nèi)力狀態(tài)，提高結(jié)構(gòu)整體剛度，平衡支座部位推力，控制結(jié)構(gòu)外形尺寸（矢高或跨度等）[1-3]。

圖1 萊茵體育生活之城項(xiàng)目效果圖

1 工程概況

本工程體育館占地面積8 728 m2，建筑面積28 715.39 m2，建筑高度32.63 m，地下1層、地上3層。屋蓋投影近似為半徑為73.8 m的半圓形，場館內(nèi)部主要有比賽大廳、訓(xùn)練館及健身房這3個(gè)大空間。比賽大廳上方采用張弦梁結(jié)構(gòu)形式，訓(xùn)練館和健身房位于比賽大廳兩側(cè)，采用正交桁架結(jié)構(gòu)體系，跨度31.5 m，屋蓋靠近專業(yè)足球場一側(cè)桁架挑出11 m（圖2）。

圖2體育館鋼結(jié)構(gòu)題三維效果圖

專業(yè)足球場建筑設(shè)計(jì)緊扣“桐翼于飛”的設(shè)計(jì)立意，東西兩側(cè)看臺(tái)雨棚似騰飛的蒼鷹，羽翼豐滿，寓意桐廬發(fā)展的騰飛之勢，雨棚懸挑長度較長。專業(yè)足球場占地面積7 551 m2，建筑面積15 625.32 m2，建筑高度33.13 m，無地下室，地上3層，專業(yè)足球場座位數(shù)15 002座。體育館上部設(shè)計(jì)有8榀張弦梁，上弦桿采用700 mm×300 mm×20 mm×40 mm、700 mm×300 mm× 20 mm×30 mm的方鋼管，下弦桿設(shè)置φ101 mm鋼拉鎖，撐桿采用300 mm×250 mm×12 mm方鋼管，鋼結(jié)構(gòu)材質(zhì)為Q345B（圖3）。

圖3 張弦梁構(gòu)件

2 張弦梁施工特點(diǎn)、難點(diǎn)分析

體育館屋蓋投影近似半徑73.8 m的半圓形，比賽大廳上方采用張弦梁結(jié)構(gòu)形式，張弦梁共8榀，最大跨度達(dá)66 m，桁架高度約6 m，單榀最大質(zhì)量76 t。上弦桿為弓形鋼箱梁，拉索采用φ101 mm高釩索，索頭錨固端節(jié)點(diǎn)復(fù)雜?；【€形鋼箱型最大板厚60 mm，加工制作難，分段加工后現(xiàn)場拼裝精度、大跨度吊裝及張拉索現(xiàn)場分級(jí)張拉控制要求均較高。

1）針對(duì)體育館大跨度張弦梁結(jié)構(gòu)加工、安裝難度大、精度高的難點(diǎn)，采用數(shù)字化建模深化、放樣、數(shù)控下料切割的手段，控制空間彎弧箱形梁制作的加工精度。每榀張弦梁在工廠分6段加工，運(yùn)至現(xiàn)場拼裝成南、中、北這3段（每榀下設(shè)置2個(gè)塔吊標(biāo)準(zhǔn)節(jié)臨時(shí)支撐架）。

2）現(xiàn)場預(yù)先模擬張拉過程，進(jìn)行施工全過程力學(xué)分析。拉索安裝后8榀張弦梁由兩側(cè)向中間張拉，張拉主控索力，輔控跨中撓度、支座位移，及時(shí)調(diào)整偏差，確保張拉施工質(zhì)量安全。

3 大跨度張弦梁分段施工技術(shù)

3.1 主要起重機(jī)械設(shè)備和使用時(shí)間安排

350 t汽車吊1臺(tái)，吊裝南段8節(jié)張弦梁，計(jì)劃使用工期12 d；130 t汽車吊1臺(tái)，吊裝北段8節(jié)張弦梁，計(jì)劃使用工期20 d；35 t汽車吊2臺(tái)，吊裝中間8節(jié)張弦梁和屋面上的所有次構(gòu)件，計(jì)劃使用工期30 d。

3.2 張弦梁吊裝路線規(guī)劃

1）吊裝線路1。該路線設(shè)置在足球場內(nèi)，考慮到9 m支腿和2 m路基板，該線路寬度不小于12 m，供350 t汽車吊行走和站位，地基采用道碴夾碎石鋪墊層壓實(shí)處理的做法，地基承載力滿足250 kPa。

2）吊裝線路2。該路線設(shè)置在體育館北側(cè)，供130 t汽車吊行走和站位，適當(dāng)鋪墊厚不小于100 mm道碴或碎石層層壓實(shí)，地基承載力滿足140 kPa。

3）吊裝線路3。該路線設(shè)置在體育館中間，供2臺(tái)35 t吊車行走和站位，通過加固和復(fù)核地下室頂板結(jié)構(gòu)承載力滿足施工荷載要求。

為控制吊裝道路地基承載力，設(shè)置沉降監(jiān)測措施：在吊車支腿下路基板上標(biāo)注十字形標(biāo)記監(jiān)測點(diǎn)，在安全位置架設(shè)水準(zhǔn)儀器，實(shí)時(shí)監(jiān)測吊車空載和重載時(shí)的沉降情況，每隔1 min記錄沉降數(shù)值1次，時(shí)刻保持與吊裝管理人員的對(duì)講機(jī)連通狀態(tài)，實(shí)時(shí)匯報(bào)沉降情況，為吊裝安全保駕護(hù)航。

3.3 張弦梁拼裝胎架控制

以S-10和11軸的第7榀張弦梁為例：共分為3段（南段、中段、北段），南段質(zhì)量為18.728 t，中段質(zhì)量為22.816 t，北段質(zhì)量為25.417 t。

拼裝胎架必須嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行設(shè)置，胎架放置在桁架就近地面上，表面通過鋼墊板找平，安裝順序?yàn)椋耗隙巍倍巍卸巍?/p>

第1批拼裝南段8節(jié)：按照從左右向中間的安裝順序拼裝，G-E軸的水平系桿跟進(jìn)安裝，有利于增加桁架水平穩(wěn)定的作用。

第2批拼裝北段8節(jié)：按照從左右向中間的安裝順序拼裝，G-J軸和G-G軸之間的水平系桿必須跟進(jìn)安裝。

第3批拼裝中段8節(jié)：中1＋中2→中3＋中4→中5＋中6→中7＋中8，張弦梁安裝的同時(shí)中間1支水平系桿也要同時(shí)安裝，起到水平穩(wěn)定的作用（圖4、圖5）。

圖4 中段地面對(duì)接組焊示意

圖5 中段安裝順序示意

拼裝測量遵循“從整體到局部，先控制后施工”的原則，根據(jù)圖紙和工藝編號(hào)自下而上進(jìn)行對(duì)接拼裝組焊，并對(duì)拼裝過程進(jìn)行全面質(zhì)量評(píng)價(jià)，設(shè)置監(jiān)控點(diǎn)，專人負(fù)責(zé)監(jiān)控，確保質(zhì)量受控。用線錘及經(jīng)緯儀、水平儀測量控制鋼結(jié)構(gòu)垂直度及其標(biāo)高，測量完畢后，組織相關(guān)人員驗(yàn)收。張弦梁采取立拼的方法進(jìn)行拼裝，胎架布置在地面上，拼裝胎架采用20#工字鋼做成馬凳形式，馬凳至少4條支腿，最小支腿間寬度不得小于高度的一半，確保胎架的整體穩(wěn)定性（圖6）。

圖6 拼裝胎架示意

3.4 張弦梁吊裝流程

張弦梁最大跨度為66 m，共8榀，每榀張弦梁分6段加工，以散件的方式發(fā)貨至現(xiàn)場，在地面搭設(shè)的胎架上進(jìn)行分段拼裝、分段吊裝。每根張弦梁分3段吊裝，分段接頭處設(shè)置臨時(shí)支撐架，底面在拉索標(biāo)高處采用型鋼轉(zhuǎn)換層，頂部設(shè)置加強(qiáng)型鋼梁。

吊裝順序：第1步吊裝南側(cè)8段第1段張弦梁及G-E軸水平系桿，兩側(cè)向中間展開施工；第2步吊裝北側(cè)8段第3段張弦梁及G-J軸以南4.2 m處水平系桿，兩側(cè)向中間展開施工；第3步吊裝中間8榀第2段張弦梁及G-G軸水平系桿，兩側(cè)向中間展開施工；第4步從中間向兩側(cè)順序吊裝所有次構(gòu)件并完成所有焊接；第5步安裝拉索并完成預(yù)應(yīng)力加載，兩側(cè)向中間實(shí)施。

次構(gòu)件安裝時(shí)，使用35 t汽車吊在場內(nèi)進(jìn)行吊裝作業(yè)，35 t汽車吊在體育館地下室混凝土頂板上行走和吊裝，吊裝區(qū)域鋪設(shè)轉(zhuǎn)換鋼梁和鋼板路基板，通過轉(zhuǎn)換鋼梁轉(zhuǎn)至混凝土柱、梁上，確?；炷两Y(jié)構(gòu)的均布受力。

3.5 張弦梁吊裝工況分析

3.5.1 南段張弦梁吊裝工況

南側(cè)第1段張弦梁采用350 t吊車獨(dú)立吊裝，吊車站位于體育場內(nèi)，已經(jīng)考慮避開了建筑結(jié)構(gòu)障礙物。作業(yè)半徑26 m，吊車臂長取60 m，額定起重20.1 t≥構(gòu)件質(zhì)量17.23 t，附加系數(shù)≥1.1，無超載、無碰壁現(xiàn)象，工況滿足要求。

3.5.2 北段張弦梁吊裝工況

北側(cè)第3段張弦梁采用130 t吊車獨(dú)立吊裝，考慮避開了建筑結(jié)構(gòu)障礙物。作業(yè)半徑14 m，吊車臂長取41.1 m，額定起重28 t≥構(gòu)件質(zhì)量24.4 t，附加系數(shù)≥1.1，無超載、無碰壁現(xiàn)象，工況滿足要求。

3.5.3 中段張弦梁吊裝工況

考慮到拼裝順序和東西兩側(cè)建筑墻體障礙因素，吊車的站位均布置在一側(cè)，且始終站位在拼裝好的構(gòu)件靠體育館中間的一側(cè)，這樣從東西兩側(cè)施工時(shí)，即可避開S-6軸、S-15軸兩面墻體，且符合構(gòu)件拼裝的順序，也滿足吊車左右拼裝和吊裝機(jī)動(dòng)的靈活性要求，提高機(jī)械利用效率。35 t吊車起重荷載率復(fù)核：作業(yè)半徑6 m，臂長31.5 m，額定荷載17.2 t，雙機(jī)抬吊負(fù)載率按最不利75%折減系數(shù)，計(jì)算得12.9 t，中間構(gòu)件總質(zhì)量25.2 t，單吊點(diǎn)荷載12.6 t，12.9 t≥12.6 t，滿足吊裝工況要求。

吊點(diǎn)布置根據(jù)構(gòu)件的重心來確定，中間段構(gòu)件的吊點(diǎn)重心兩側(cè)各偏移4 m設(shè)置2個(gè)吊點(diǎn)，左右吊點(diǎn)間距8 m，兩吊車間距也是8 m。吊點(diǎn)的耳板采用30 mm厚度的鋼板焊接而成，吊耳重載力在800 kN以上，質(zhì)量最大的構(gòu)件為26 t，按照3個(gè)吊耳分配計(jì)算，每個(gè)吊耳荷載不超過90 kN，吊耳的重載力足以滿足實(shí)際荷載的需要，吊耳安全系數(shù)不小于8倍。

4 張弦梁施工相關(guān)技術(shù)措施

4.1 中段與兩端桁架對(duì)接限位

張弦梁中段吊裝前，在中段張弦梁箱梁的兩端分別焊接2塊定尺寸鋼碼板（500 mm×300 mm×30 m），碼板焊接長度300 mm，伸出200 mm，在接縫處位置碼板下口留半徑30 mm半圓施焊工藝孔。當(dāng)中段張弦梁從上往下慢慢就位時(shí)，兩端的碼板起到限制中間段張弦梁下沉的目的，便于調(diào)節(jié)高低板厚的齊平，左右板厚微調(diào)時(shí)則在側(cè)面附加七字形千斤頂碼板，可以用斜楔或千斤頂來調(diào)節(jié)縫口精度（圖7）。

圖7 中段兩側(cè)碼板示意

4.2 張弦梁的吊點(diǎn)布置

以南段張弦梁為例，其重心位置x＝0，y＝7.974（10.113），吊點(diǎn)平均布置在重心前后各4 m，吊點(diǎn)最大間距8 m，構(gòu)件質(zhì)量24.4 t，南側(cè)布置單個(gè)吊點(diǎn)，北側(cè)布置2個(gè)吊點(diǎn)，每個(gè)吊點(diǎn)的反力約82 kN，北側(cè)2個(gè)吊點(diǎn)采用2個(gè)10 t手拉葫蘆結(jié)合3 m鏈條調(diào)節(jié)平衡，吊具包括1根12 m、2根10 m長度的鋼絲繩和手拉葫蘆（圖8）。

圖8 南段吊點(diǎn)布置

4.3 臨時(shí)支撐架搭設(shè)

張弦梁施工時(shí)選用的臨時(shí)支撐架采用塔吊標(biāo)準(zhǔn)節(jié)，截面尺寸包括600 mm×1 600 mm×2 800 mm，1 600 mm×1 600 mm×3 000 mm這2種規(guī)格，頂部分配梁HW250 mm×250 mm×9 mm×14 mm，材質(zhì)均為Q235B。S-8軸右側(cè)1 m位置水溝對(duì)臨時(shí)支撐架沒有影響，對(duì)拼裝影響也較小，若有個(gè)別支點(diǎn)要在水溝處加固時(shí)，可以采用HW250 mm×250 mm×9 mm×14 mm型鋼補(bǔ)平加固。

支撐架布置應(yīng)避開張拉弦撐桿的位置不小于200 mm，支撐架若與撐桿產(chǎn)生碰撞，將無法安裝撐桿，所以須嚴(yán)格按照每一榀深化立面圖進(jìn)行布置。支撐架橫向采用H600 mm×300 mm×6 mm×8 mm型鋼梁連接穩(wěn)固，焊接V形欄桿，采用鋼絲繩拉緊作為生命線，可實(shí)現(xiàn)簡易安全通道?？v向采用鋼絲繩頂部拉至混凝土結(jié)構(gòu)柱頂位置臨時(shí)固定，拉在頂部受力會(huì)更加有利于穩(wěn)定，當(dāng)張弦梁安裝就位后，纜風(fēng)繩就會(huì)失去縱向作用，張弦梁自身剛度即可起到縱向的穩(wěn)定作用。

每個(gè)支撐架底部設(shè)轉(zhuǎn)換鋼梁，荷載通過轉(zhuǎn)換鋼梁傳遞到混凝土梁上，轉(zhuǎn)換鋼梁采用主梁H450 mm×200 mm×9 mm×14 mm和次梁HW300 mm×300 mm×10 mm×15 mm。經(jīng)驗(yàn)算，施工過程中轉(zhuǎn)換鋼梁最大位移為4.3 mm，最大應(yīng)力比0.3，滿足受力要求。轉(zhuǎn)換鋼梁架設(shè)在主混凝土梁450 mm×900 mm和次混凝土梁300 mm×700 mm上。通過計(jì)算分析，臨時(shí)支撐架、轉(zhuǎn)換鋼梁和結(jié)構(gòu)梁等的承載力均能夠滿足施工需要（圖9）。

圖9 轉(zhuǎn)換鋼梁示意

在下拉索通過的相應(yīng)標(biāo)高位置，調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)節(jié)腹桿支撐方式，并全部用高強(qiáng)螺栓鉸接固定，既要靈活避開下拉索的相對(duì)標(biāo)高位置，也能確保拆除時(shí)擰開螺栓，拆除幾根腹桿即可方便拆除標(biāo)準(zhǔn)節(jié)。拆除標(biāo)準(zhǔn)節(jié)時(shí)，只要先擰開下面3根紅色桿件的螺栓，移除桿件，即可順利移除整個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)。拆除時(shí)既要考慮避開安裝位置，也要考慮拆除時(shí)方便，并且保證該標(biāo)準(zhǔn)節(jié)受力穩(wěn)定性和強(qiáng)度不受破壞。每個(gè)支撐架深化時(shí)，在拉索上下的位置，支撐架的腹桿需要確保500～800 mm的空間。

5 拉索張拉施工技術(shù)

5.1 張拉機(jī)具

張拉設(shè)備包括千斤頂、反力架、油泵、油壓表、油管等。由于本工程拉索連接方式為單耳式，為了張拉操作，需要在張拉耳板處焊接附加張拉錨固點(diǎn)。

拉索每個(gè)張拉點(diǎn)需要2臺(tái)千斤頂和1臺(tái)油泵，每次張拉共有2個(gè)張拉點(diǎn)，共需4臺(tái)千斤頂和2臺(tái)油泵以及2套工裝。根據(jù)單根拉索最大施工張拉力的要求，選用YCW150B型千斤頂進(jìn)行張拉，2臺(tái)千斤頂并聯(lián)在一個(gè)張拉點(diǎn)能達(dá)到相應(yīng)的設(shè)計(jì)張拉能力。

5.2 張拉流程

鋼桁架全部拼裝完成、拉索安裝到位、鋼桁架間的連系桿件安裝完成后，即具備張拉條件。本工程拉索采用分批次流水且一次張拉到位的方法，主拉索張拉時(shí)，單根主拉索兩端同時(shí)張拉，張拉點(diǎn)設(shè)在桁架兩端位置。

5.3 張拉控制數(shù)據(jù)分析

通過對(duì)張拉前后張弦梁拱高的標(biāo)高監(jiān)測，本工程8根張弦梁張拉后拱高豎向位移值在10～62 mm范圍內(nèi)，符合設(shè)計(jì)控制的標(biāo)準(zhǔn)要求。另外，張拉過程中支座位移也全程受控。

6 結(jié)語

萊茵體育生活之城項(xiàng)目體育館屋面張弦梁鋼結(jié)構(gòu)總用鋼量約775 t，工期75 d。針對(duì)張弦梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和施工難度，深入研究了施工流程、輔助措施和張拉控制等方面的內(nèi)容，并通過項(xiàng)目實(shí)踐獲得了可靠的數(shù)據(jù)支撐。通過合理的施工部署，完善過程施工工藝，在保證施工質(zhì)量、安全、進(jìn)度的前提下，圓滿地完成了大跨度張弦梁的施工。