天長全民健身中心體育場鋼結(jié)構(gòu)屋蓋施工過程分析

錢 剛，計康生，謝 堅，王明花，李運軍，楊世昱

(安徽中亞鋼結(jié)構(gòu)工程有限公司，安徽 合肥 230051)

我國空間結(jié)構(gòu)發(fā)展30 a，創(chuàng)新了螺栓球網(wǎng)架、焊接球網(wǎng)架、單層網(wǎng)殼、張弦梁、索網(wǎng)、穹頂?shù)瓤臻g結(jié)構(gòu)體系.空間鋼結(jié)構(gòu)以其整體剛度好、自重小、含鋼量低、跨度大的優(yōu)勢，在大型體育場館項目中被廣泛應(yīng)用.近年來，由于我國舉辦冬奧會和亞運會，一大批大型體育場館項目竣工，我國空間結(jié)構(gòu)設(shè)計、加工、施工水平達(dá)到前所未有的高度.其中,近年來新建的有代表性的有國家速滑館、杭州奧體中心、西安奧體中心[1-16].

國家速滑館作為冬奧會最典型的大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)項目，從建筑設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工技術(shù)、場館運營等方面均進(jìn)行了大量研究.其馬鞍形造型、巨型索網(wǎng)結(jié)構(gòu)、索網(wǎng)幕墻等體系代表了空間結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù).BIM技術(shù)、聲學(xué)設(shè)計技術(shù)、智慧場館運營技術(shù)為先進(jìn)體育場館建造與運營做出了示范作用[9-14].

大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)通常采用模塊化施工技術(shù)進(jìn)行施工，將整體空間結(jié)構(gòu)劃分為若干個區(qū)塊，逐步進(jìn)行施工.空間結(jié)構(gòu)的施工過程中結(jié)構(gòu)的邊界條件、結(jié)構(gòu)體系與竣工后的結(jié)構(gòu)體系有較大差異，每一個施工步均是一個獨立的結(jié)構(gòu)，其邊界條件由臨時支撐胎架、吊點、支座等約束.因此,空間鋼結(jié)構(gòu)的施工過程分析對結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量、施工合理性、結(jié)構(gòu)安裝可靠性等方面具有重要影響.

本文以天長全民健身中心體育場鋼結(jié)構(gòu)屋蓋項目為研究對象，對施工過程中拼裝、吊裝、合攏、卸載等主要施工過程進(jìn)行了分析，以保障鋼結(jié)構(gòu)施工的安全可靠.

1 工程概況

項目位于安徽省天長市，南至興業(yè)大道，北至天寧大道，東至二鳳南路，西至園林路.體育場結(jié)構(gòu)東西縱向長度約213 m，南北橫向長度約243 m，屋蓋最高點完成面標(biāo)高約為32.945 m.鋼屋蓋建筑造型呈鉆石形狀，如圖1所示.

屋蓋結(jié)構(gòu)由主體受力系統(tǒng)、屋面主檁條及交叉支撐系統(tǒng)構(gòu)成.主體受力系統(tǒng)為朝向體育場中心的徑向片桁架和外環(huán)環(huán)向立體桁架以及墻面彎折下去的平面桁架組成.通過支座桿件支撐在下部7～14.805標(biāo)高的砼柱頂.同時懸挑端部設(shè)置一圈內(nèi)環(huán)三角桁架增強(qiáng)整體性，并于屋蓋中部設(shè)置了環(huán)向片桁架，屋蓋上弦每隔一段距離設(shè)備了交叉水平支撐以有效傳遞水平力.

2 模塊化施工工序

采用模塊化施工方法，將體育場鋼屋蓋共分為8個區(qū)，每個區(qū)又分為單榀吊裝單元、3榀徑向桁架聯(lián)立吊裝單元和散裝構(gòu)件.總體施工工序分為整體施工和單區(qū)域施工兩個方面，涵蓋了構(gòu)件拼裝、構(gòu)件吊裝、桁架合攏、桁架卸載等工序.

2.1 整體施工工序

2.1.1 安裝順序

將鋼屋蓋施工區(qū)域按建筑平面逆時針分為1～8區(qū)，自北向南從1區(qū)和8區(qū)分別按順時針和逆時針逐步安裝，施工順序為：1區(qū)8區(qū)→2區(qū)7區(qū)→3區(qū)6區(qū)→4區(qū)5區(qū)，最終合攏位置在4區(qū)5區(qū)交界處主桁架附件，如圖2和圖3所示.安裝總體施工工序采用現(xiàn)場拼裝、分塊吊裝、逐步延伸、最終合攏的思路，如圖4所示.首先將支座單元進(jìn)行吊裝，采用臨時支撐架固定，再以三榀徑向桁架為聯(lián)立吊裝單元吊裝至支座附近，再用散拼單元進(jìn)行連接，桿件位置通過倒鏈及全站儀進(jìn)行調(diào)整和定位.合攏預(yù)留跨和最后一吊合攏位置如圖3所示.

2.1.2 卸載順序

鋼屋蓋安裝時在靠近支座外圈和懸臂遠(yuǎn)端內(nèi)環(huán)均設(shè)置了臨時支撐架，內(nèi)外環(huán)各80個，如圖5所示.卸載采用由外而內(nèi)，由北向南，隔一拆一，逐步拆除的施工順序.第一步由北向南，間隔拆除靠近支座外圈全部臨時支撐；第二步從看臺開始由東西向南北，隔一拆一拆除靠近V形柱附近的20個臨時支撐，剩下60個；第三步從看臺開始由東西向南北，隔一拆一拆除無V形柱附近的20個臨時支撐，剩下40個；第四步開始循環(huán)同步卸載，每隔臨時支撐每次卸載10 mm，從看臺開始由東西向南北，隔一卸一，直至卸載結(jié)束后拆除剩下40個臨時支撐.

卸載過程既是拆除支撐胎架的過程，又是結(jié)構(gòu)體系逐步轉(zhuǎn)換過程，在卸載過程中，結(jié)構(gòu)桿件內(nèi)力發(fā)生重分布，逐步趨向于設(shè)計計算模型，由內(nèi)外環(huán)多點支撐體系變成外環(huán)支撐懸臂環(huán)桁架.卸載時，嚴(yán)格對各控制點進(jìn)行位移監(jiān)控，以理論計算結(jié)果為參考，現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行衡量，準(zhǔn)確保持卸載時結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定.

2.2 單區(qū)施工工序

單區(qū)施工主要分為管桁架拼裝、吊裝、臨時支撐安拆、分塊桁架間合攏、卸載等工序.主要施工工序有聯(lián)立吊裝單元拼裝、典型分塊單元安裝和臨時支撐安裝.

2.2.1 聯(lián)立吊裝單元拼裝

單區(qū)聯(lián)立吊裝單元由三榀徑向桁架和三榀徑向桁架之間的上弦、下弦桿組成.全部桿件均在拼裝胎架上進(jìn)行，分為單榀小拼單元拼裝、雙榀單元拼裝、聯(lián)立吊裝單元拼裝.單榀小拼單元采用25 t吊車將散件進(jìn)行臥拼，雙榀單元采用兩臺25 t吊車將兩榀單榀小拼單元進(jìn)行吊裝，在聯(lián)立吊裝單元支撐胎架上進(jìn)行拼裝，最后再將第三榀徑向桁架進(jìn)行拼裝.拼裝全過程通過倒鏈、全站儀進(jìn)行位置復(fù)核，聯(lián)立吊裝單元拼裝全過程如圖6所示.

2.2.2 典型安裝單元安裝

典型安裝單元由三榀徑向桁架組成，包括單榀吊裝單元、聯(lián)立吊裝單元、散拼單元，如圖7所示，圖中紅色為聯(lián)立吊裝單元，灰色為散拼單元，黃色為單榀吊裝單元.單榀吊裝單元為桁架支座附近的支撐桿件組成，通過臨時支撐固定.聯(lián)立吊裝單元由三榀懸挑桁架及其腹桿組成，散拼單元為連接吊裝單元與懸挑桁架的桿件，拼裝好后形成三榀獨立的徑向桁架，在靠近支座和內(nèi)環(huán)桁架處設(shè)置臨時支撐固定.

鋼屋蓋共計聯(lián)立吊裝單元40個，最重單元約45 t，單榀吊裝單元共120個，最重單元約8 t，散裝單元為單根弦桿或腹桿，單重小于1t.結(jié)合場地條件和吊裝單元的重量，聯(lián)立吊裝單元、單榀吊裝單元和散拼單元分別采用350 t履帶吊、70 t汽車吊和50 t汽車吊進(jìn)行吊裝.

2.2.3 臨時支撐安裝

臨時支撐主要分為支座斜柱和鋼屋蓋的臨時支撐，支座斜柱臨時支撐主要為固定支座，保證聯(lián)立吊裝單元安裝精度用，鋼屋蓋臨時支撐為鋼屋蓋合攏前的支撐點，維持鋼桁架的穩(wěn)定.典型臨時支撐設(shè)置如圖8所示.

支座斜柱臨時支撐支撐在體育場看臺臺階之上，通過鋼梁、加勁肋、預(yù)埋件將臨時支撐胎架進(jìn)行固定，鋼梁下翼緣與預(yù)埋件焊接，縱向加勁板和鋼梁的高度根據(jù)臨時支撐實際需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，如圖9所示.

屋蓋臨時支撐支撐在體育場跑道處，澆筑混凝土基礎(chǔ)，在基礎(chǔ)表面設(shè)置埋件，將支撐胎架與埋件固定.臨時支撐胎架頂部設(shè)置桁架固定裝置和液壓千斤頂，用于監(jiān)測支座反力和限位，如圖10所示.

3 施工過程分析

在大跨度大懸挑空間桁架結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，施工工況與設(shè)計工況、正常使用工況有較大差異.通常結(jié)構(gòu)設(shè)計師設(shè)計施工圖時不考慮施工工況，因此施工分析是鋼結(jié)構(gòu)工程安裝必不可少的部分.本項目主要的施工工況有管桁架拼裝、管桁架吊裝、臨時支撐設(shè)置、管桁架合攏、管桁架卸載共五個工況.施工分析時，主要考慮結(jié)構(gòu)自重、活荷載、風(fēng)荷載、溫度作用.

3.1 管桁架拼裝分析

拼裝分析主要考慮拼裝支撐胎架的剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性能否滿足管桁架拼裝要求.胎架分析以聯(lián)立吊裝單元為最不利工況進(jìn)行分析，聯(lián)立吊裝單元是本項目拼裝過程中在地面拼裝尺寸最大、重量最重的單元.胎架采用Q235B鋼材焊接連接制作而成，立桿和底部連桿采用H300×200×12×10，橫向連桿和斜撐截面為20b，如圖11所示.

胎架的支架間距和寬度均為3 m，長度根據(jù)實際各構(gòu)件的長度進(jìn)行組裝確定.聯(lián)立吊裝單元在胎架上進(jìn)行拼裝時，根據(jù)聯(lián)立吊裝單元的自重，在每個懸臂支撐點施加10 kN荷載進(jìn)行驗算，胎架的整體位移如圖12所示，可知胎架的變形較小，位移幾乎為零.剛度足夠滿足聯(lián)立吊裝單元及其他拼裝單元的拼裝.

3.2 吊裝分析

本項目安裝以三榀徑向桁架為單元進(jìn)行，包括單榀吊裝單元和聯(lián)立吊裝單元，如圖7所示.單榀吊裝單元約重8 t，采用70 t汽車吊在體育場外進(jìn)行吊裝，吊裝半徑為14 m，起重性能為10 t；聯(lián)立吊裝單元約重45 t，采用QUY350型350 t履帶吊進(jìn)行吊裝，履帶吊主臂長42 m，副臂長度42 m，吊裝半徑為30 m，起重性能為47 t，均能滿足吊裝要求.

以三榀徑向桁架為例，對單塊鋼桁架安裝時支座斜柱安裝、單榀吊裝單元安裝、聯(lián)立吊裝單元安裝三個施工過程進(jìn)行了施工過程分析.施工步1為支座斜柱安裝，并在斜柱各肢采用臨時支撐固定；施工步2為單榀吊裝單元與支座斜柱拼裝；施工步3為聯(lián)立吊裝單元拼裝及臨時支撐安裝，如圖13所示.施工步驗算結(jié)果如圖14和圖15所示，結(jié)果表明各施工步最大位移約為29 mm，最大軸拉力為137 kN，最大軸壓力為-140 kN.均屬于正常施工安裝水平，遠(yuǎn)小于構(gòu)件承載力，說明本項目施工工序安全可靠，能夠保證體育場鋼屋蓋的安裝.

3.3 臨時支撐方案優(yōu)選

交叉環(huán)形鋼桁架跨度大、懸挑長度大、桿件交錯復(fù)雜，施工安裝時，臨時支撐的合理布置對結(jié)構(gòu)桿件內(nèi)力、結(jié)構(gòu)位移具有重要影響.結(jié)合本項目結(jié)構(gòu)方案特點，臨時支撐按照內(nèi)環(huán)和外環(huán)對稱布置，內(nèi)外環(huán)臨時支撐布置點選在同一榀徑向桁架之上.對三種臨時支撐方案均進(jìn)行了施工分析，并對每個方案的結(jié)構(gòu)最大撓度、桿件內(nèi)力進(jìn)行了對比分析，如表1和表2所示.

從表1～表2和圖16可知，三個方案的最大位移均發(fā)生在內(nèi)環(huán)東西位置處，方案一最為不利，有18根構(gòu)件單元應(yīng)力比≥0.7，處于高應(yīng)力水平，豎向撓度達(dá)到31 mm，方案三豎向撓度為9 mm左右全部構(gòu)件應(yīng)力比≤4，結(jié)構(gòu)處于低應(yīng)力狀態(tài).因此最終優(yōu)選出內(nèi)外環(huán)均設(shè)置80個臨時支撐為最終方案.

表1 臨時支撐方案最大撓度表/mm

表2 臨時支撐方案各構(gòu)件應(yīng)力比統(tǒng)計表

3.4 空間管桁架合攏分析

鋼屋蓋為大跨度空間管桁架結(jié)構(gòu)，施工時晝夜溫差大，因溫差而引起的變形和應(yīng)力較大，加大了合攏的難度.采用分塊安裝、逐步合攏的施工工序，等最后一段環(huán)形桁架安裝時，結(jié)構(gòu)的累計施工變形達(dá)到最大值，合攏時施工誤差的消除和合攏的焊接質(zhì)量是合攏的關(guān)鍵.

合攏焊接時，選擇溫度較為穩(wěn)定的天氣進(jìn)行，合攏當(dāng)天為陰天，合攏溫度為15 ℃.合攏時，現(xiàn)將合攏口的卡馬焊接固定，然后在進(jìn)行合攏口構(gòu)件對接焊縫的焊接，所有卡馬焊接保持在1 h內(nèi)完成.在進(jìn)行合攏計算時，選擇了升溫25 ℃和降溫25 ℃兩個工況作為驗算，各工況標(biāo)準(zhǔn)組合為：1.0恒載+1.0活載+0.6風(fēng)載+0.6溫差.圖17和圖18為合攏時結(jié)構(gòu)升溫工況與降溫工況的標(biāo)準(zhǔn)組合位移計算結(jié)果，從結(jié)果可知，最大位移發(fā)生在結(jié)構(gòu)南北端部外圈處，升溫和降溫最大位移分別約為38.5 m和31.6 m，處于較小水平，說明本項目合攏位置和工況較為合理.

3.5 空間管桁架卸載施工分析

如2.1.2節(jié)所述，本項目卸載方案采取先外后內(nèi)，逐步拆除的工序，考慮結(jié)構(gòu)自重及溫度工況的卸載施工步計算結(jié)果如表3所示.卸載分級分批進(jìn)行，第一批卸載控制在1 cm之內(nèi)，第二批卸載控制在2 m之內(nèi)，第三批卸載可控制在3 cm之內(nèi)，由高向低二邊對稱間隔進(jìn)行；以此類推，直至支架與鋼結(jié)構(gòu)完全脫離，即可拆除支架.根據(jù)計算支架拆除后，支承點處的豎向撓度值，一般都在45 mm以下，因此通過三次卸載，大多數(shù)支架可完全卸載.

表3 卸載施工步施工計算結(jié)果

從表3可知，外環(huán)臨時支撐卸載對結(jié)構(gòu)撓度影響較小，此時結(jié)構(gòu)主要由支座承擔(dān)荷載，外圈結(jié)構(gòu)與實際使用工況相似.內(nèi)環(huán)臨時支撐卸載時，每次卸載的結(jié)構(gòu)最大撓度均差不多，約為45 mm左右，與全部臨時支撐卸載后，接近于結(jié)構(gòu)最大撓度.環(huán)向管桁架伸臂懸挑長度約為27.5 m，其最大撓度限制為110 mm，卸載過程及完全卸載后的撓度均遠(yuǎn)小于撓度限制，滿足規(guī)范要求.內(nèi)外環(huán)臨時支撐卸載過程中，構(gòu)件應(yīng)力比幾乎全部小于0.5，處于低應(yīng)力水平.綜上所述，本項目卸載方案安全可靠，所有施工步過程中，結(jié)構(gòu)撓度較小，構(gòu)件處于低應(yīng)力狀態(tài)，保證了本項目大跨度大懸挑鋼屋架的順利施工安裝.

4 施工關(guān)鍵技術(shù)

本項目為大跨度大懸挑交叉環(huán)形管桁架結(jié)構(gòu)體系，其造型呈鉆石形狀.桿件交錯連接，鑄鋼節(jié)點最多連接肢數(shù)達(dá)到11肢，構(gòu)件安裝定位精度要求高，高空需同時焊接多根構(gòu)件，焊接質(zhì)量要求較高.施工關(guān)鍵技術(shù)主要有：采用模塊化施工方法，將鋼屋蓋劃分為8個區(qū)進(jìn)行施工，各區(qū)又細(xì)分聯(lián)立安裝單元，簡化施工方法；經(jīng)過多個方案優(yōu)選，確定臨時支撐胎架的布置方案，以內(nèi)外環(huán)兩條技術(shù)路線進(jìn)行布置，布置方案安全可靠且施工便捷；結(jié)合施工過程分析，確定合理的卸載方案，優(yōu)化施工工序，提高施工組織設(shè)計水平，達(dá)到人、材、機(jī)最有效利用.

5 結(jié)論與建議

以天長全民健身中心體育場鋼屋蓋為研究背景，從鋼結(jié)構(gòu)模塊化施工技術(shù)、鋼結(jié)構(gòu)拼裝、吊裝、合攏、卸載等方面進(jìn)行了施工過程分析，得出了以下結(jié)論：

(1)大跨度空間結(jié)構(gòu)中，結(jié)合施工場地條件和結(jié)構(gòu)特點，采用模塊化施工技術(shù)可以提高鋼結(jié)構(gòu)安裝效率、精準(zhǔn)度和質(zhì)量，能有效提高項目管理質(zhì)量和效率；

(2)單塊聯(lián)立安裝單元安裝時，支座斜柱、單榀吊裝單元和聯(lián)立吊裝單元安裝時，結(jié)構(gòu)豎向位移和構(gòu)件內(nèi)力較小，單塊施工工序安全可靠；

(3)臨時支撐的數(shù)量對鋼結(jié)構(gòu)安裝的豎向撓度以及構(gòu)件的應(yīng)力比影響較大，當(dāng)采用內(nèi)環(huán)外各80各支撐時，結(jié)構(gòu)豎向撓度約為9 mm，所有構(gòu)件應(yīng)力比均小于0.4，處于低應(yīng)力狀態(tài)；

(4)鋼屋蓋合攏時升溫和降溫工況下，結(jié)構(gòu)最大位均發(fā)生在結(jié)構(gòu)南北端，即為結(jié)構(gòu)長度方向最遠(yuǎn)端，合攏時通過卡馬進(jìn)行臨時位置固定，保證了合攏時散裝鋼構(gòu)件的焊接質(zhì)量；

(5)鋼屋蓋卸載時，當(dāng)拆除外環(huán)臨時支撐時，結(jié)構(gòu)豎向撓度約為7 mm，僅少量構(gòu)件應(yīng)力比超0.5，絕大部分構(gòu)件陰歷比小于0.5；當(dāng)逐步拆除內(nèi)環(huán)臨時支撐時，結(jié)構(gòu)豎向撓度約為45 mm，所有構(gòu)件應(yīng)力比小于0.5.