拉薩市體育場鋼罩棚無支撐施工技術(shù)

王 策1，劉 峰2，翟鵬程1，高永祥1

（1.北京市機械施工有限公司，北京 100045；2.中國航天建設集團有限公司，北京 100045）

大跨度鋼結(jié)構(gòu)近年來在國內(nèi)發(fā)展迅速，主要應用于大型廠（庫）房、飛機機庫、火車站、大型場館等跨度要求較高的建筑，主要采用焊接球網(wǎng)架、鋼桁架、重型鋼結(jié)構(gòu)相結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式。針對不同的結(jié)構(gòu)形式，如何采用更加科學的施工方法，對大跨度鋼屋蓋結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量、安全、進度以及施工成本的有效控制在現(xiàn)階段顯得尤為重要。本工程地處拉薩市，考慮當?shù)厥┕の镔Y、大型施工設備緊缺而且物流成本極高，體育場鋼罩棚采用無臨時支撐累積安裝的施工方法，施工過程中保證結(jié)構(gòu)體系的自身安全穩(wěn)定,在國內(nèi)大跨度懸挑桁架施工技術(shù)中有所創(chuàng)新。

1 工程概況

拉薩體育場總長236.86m，總寬179.5m，建筑高度為45.936m，面積約為24 480m2，罩棚鋼結(jié)構(gòu)工程量約3 400t。鋼罩棚是由單榀空間桁架結(jié)構(gòu)通過環(huán)向的空間次桁架與張緊的圓鋼支撐相連接而組成的一個空間桁架體系。單榀空間桁架結(jié)構(gòu)由前端懸臂且支撐于看臺混凝土柱的空間管桁架與后端下落到二層平臺的格構(gòu)式桁架柱相連而成。

鋼結(jié)構(gòu)罩棚由84榀主桁架與336個環(huán)向桁架單元、44個支撐單元以及108組水平支撐構(gòu)成。其中最重的主桁架重量為37t；最輕的主桁架重量為22t。環(huán)向桁架單元最重為0.9t，支撐單元最重重量為2.5t。主桁架最大懸挑長度約為23m，最大矢高約4.9m高，最小懸挑長度約為11m，最小矢高約3.6m高。

桁架分為兩部分，一部分為格構(gòu)柱，一部分為桁架梁， 其中桁架梁分為8°和45°兩段，格構(gòu)柱為四肢格構(gòu)柱，桁架梁45°為四肢管桁架，桁架梁8°為三角管桁架。

鋼罩棚結(jié)構(gòu)采用Q345B鋼管，鋼管共20 534根，截面分13種，最大截面為P325×20mm，最小截面為P89×4mm。鋼管連接節(jié)點形式為圓管相貫節(jié)點及焊接空心球管節(jié)點。體育場效果圖和結(jié)構(gòu)模型如圖1、圖2所示。

圖1 體育場效果圖

圖2 體育場結(jié)構(gòu)模型

2 工程特點、難點及對策

1）體育場造型為“馬鞍”式造型，所有84榀主桁架均為“フ”字形桁架，每榀桁架的結(jié)構(gòu)斷面尺寸不一，橫斷截面尺寸最大4.9m，拼裝精度和變形控制難度大。

對策：采用剛性胎架進行桁架整體預拼裝，選擇合理焊接順序，減少焊接變形。

2）工程地處拉薩，施工設備、機具等資源缺少，物流成本極高，且受氣候等因素影響，物流時間很難保證。

對策：減少不必要的施工設備和物資的進場，盡量選擇公路運輸。

3）鋼罩棚主桁架懸挑跨度最大27m，“フ”字形主桁架有50%必須分段吊裝，若采用整體吊裝，吊裝機械至少500t履帶起重機以上，施工成本不可控。

對策：選擇180t履帶起重機，將180T履帶起重機無法整體吊裝的桁架進行合理化分段，體育場內(nèi)側(cè)采用50T履帶起重機進行懸挑段安裝。

4）分段吊裝時，采用常規(guī)方法需要增設臨時豎向支撐，施工工期和成本均增加。

對策：采用懸挑無支撐安裝方法，兩臺吊機分別吊著懸挑桁架和環(huán)向桁架進行無應力狀態(tài)下焊接，此方法必須精確計算桁架的起拱值并進行精確的測量控制。

3 施工方案的實施

3.1 施工技術(shù)準備

1）分段設計 本工程為空間桁架結(jié)構(gòu)形式，整個鋼罩棚84榀主桁架為1/4對稱結(jié)構(gòu)形式，安裝過程中84榀主桁架被分為兩種吊裝形式，4個區(qū)的HJ22-HJ12總計42榀主桁架采用整體預拼整體吊裝的方法；HJ1-HJ11總計42榀主桁架采用分段吊裝的方法，將主桁架分為支座段和懸挑段兩段，先將外圈支座段全部安裝就位，安裝方法與HJ22-12的安裝方法相同，懸挑段采用50T履帶起重機在跨內(nèi)進行安裝，最大懸挑段桁架實際長度約17m，最小懸挑段實際長度約11m（圖3）。

圖3 主桁架分段示意圖

2）吊裝機械選擇 主要吊裝機械及安裝方法描述見表1。

表1 吊裝機械及安裝方法

3.2 施工流程及方法

3.2.1 桁架預拼裝

為檢驗拼裝工藝和拼裝質(zhì)量精度以及構(gòu)件加工精度，在現(xiàn)場進行主桁架的整體預拼裝（圖4、圖 5）。

圖5 主桁架整體預拼裝示意圖2

3.2.2 安裝順序

總體安裝順序：從1-D軸向1-6軸分4個施工區(qū)段進行安裝（圖6）。（即先安裝低跨部分，再安裝高跨部分）

圖6 施工順序示意圖（1-2-3-4）

總體施工步驟：勁性結(jié)構(gòu)支承面測量放線→固定/鉸支座安裝定位→地面拼裝整體預拼桁架→整體吊裝HJ22-HJ12桁架，總計42榀，同時安裝環(huán)向次桁架→安裝HJ1-11主桁架的支座段部分，總計42榀→再安裝體育場內(nèi)HJ1-11的懸挑部分，同時安裝環(huán)向次桁架→合攏完成。

3.2.3 吊裝方法

1)主桁架起吊翻身 由于所有主桁架為“フ”字形，且桁架規(guī)格較大，因此，在桁架拼裝驗收完成后，單機是無法完成主桁架起吊翻身工作的，需要根據(jù)桁架的重量及現(xiàn)場情況，選擇多機配合主吊進行桁架的翻身起吊工作，確保起吊后的空中姿態(tài)與設計狀態(tài)相近（圖7）。

圖7 主桁架多機起吊翻身

2)主桁架整體吊裝 HJ12-HJ22共計42榀桁架為現(xiàn)場整體預拼裝并吊裝桁架，桁架HJ12-HJ22規(guī)格尺寸無一相同，需要精確計算每一榀桁架的重心位置，確定吊點，計算吊索具長度和角度，確保起吊后的桁架空中姿態(tài)與設計狀態(tài)相近（圖 8）。

圖8 整體吊裝主桁架吊裝示意圖

3)主桁架分段（外圈）吊裝 HJ1-HJ11共計42榀桁架為現(xiàn)場整體預拼裝分外圈段、懸挑段吊裝桁架，桁架HJ1-HJ11規(guī)格尺寸無一相同，需要精確確定每一榀桁架的分段位置（分段點不能簡單的統(tǒng)一，需要合理避開節(jié)點位置并盡量平衡分段桁架重量，避免偏心嚴重），計算每一榀分段桁架的重心位置，確定吊點，計算吊索具長度和角度，確保起吊后的桁架空中姿態(tài)與設計狀態(tài)相近（圖9、圖10）。

圖10 現(xiàn)場吊裝情況

4 主要關鍵技術(shù)及保證措施

1)鋼罩棚84榀主桁架組拼成“フ”字形，其中有46榀“フ”字形桁架為整體拼裝并整體吊裝，“フ”字形桁架包含格構(gòu)柱和桁架梁，通過焊接球節(jié)點連接；“フ”字形桁架最大拼裝占地面積約42.5m×36.5m，如此大規(guī)格的桁架拼裝精度和變形控制必須保證。

保證措施：桁架焊接需保證構(gòu)件內(nèi)力在設計允許范圍內(nèi)并合理有效的控制桁架構(gòu)件焊接殘余應力，以減少焊接變形；采用整體剛性胎架進行桁架的整體預拼裝，確保拼裝精度。

2)體育場鋼罩棚混凝土看臺結(jié)構(gòu)已經(jīng)全部完成，由于地處高原地區(qū)，大型機械設備進出場時間較長且費用較高，僅選擇一臺180t大型吊機，每天吊裝1榀，3個月內(nèi)完成整體吊裝工作，符合工期要求。

保證措施：每榀主桁架吊裝都經(jīng)過模擬計算，吊機在桁架起吊、行走范圍及吊裝站位有嚴格要求，在“フ”字形桁架翻身起吊時，需要有多臺吊機輔助。

3)由于在高看臺部分，鋼罩棚桁架懸挑長度較大，最長達27m，建筑高度為45.936m，支撐體系費用巨大，采用懸挑無支撐桁架安裝技術(shù)，安全高效地完成施工任務。

保證措施：對每一榀主桁架、環(huán)向次桁架以及吊裝的先后順序等做了大量的計算工作，根據(jù)桁架累計安裝過程中的位移及應力變化，編制了詳盡的專項安裝方案，確定了哪些桁架必須同時安裝，哪些環(huán)向桁架必須后續(xù)安裝等，確定每一榀桁架的端部起拱值，確定懸挑桁架須焊接完成后且環(huán)向桁架安裝完成后方可吊機卸載，采用2臺全站儀現(xiàn)場跟蹤測控桁架的安裝和焊接情況，在每榀桁架的測控點上貼反光片，在安裝固定、焊接過程中、焊接后、吊機卸載后分別記錄測控點的坐標，以分析實際安裝結(jié)果與對比模擬計算結(jié)果，對后續(xù)安裝方案進行控制內(nèi)微調(diào)。

5 結(jié) 論

大跨度懸挑桁架無支撐安裝施工技術(shù)的實施克服了空間三維定位技術(shù)難題，保證了工程安裝精度；通過合理焊接順序及工藝減少了大截面桁架拼裝焊接應力和變形；通過計算機對大跨度懸挑桁架無支撐安裝施工過程模擬分析，確定施工順序，優(yōu)化施工工藝，施工實測與模擬分析結(jié)果基本相吻。

通過與相關專家的討論，不建議采用此類施工方法進行施工，對結(jié)構(gòu)自身多少會有些影響；但對于施工環(huán)境特殊、施工成本高、施工工期緊且結(jié)構(gòu)自身強度和穩(wěn)定性較高的結(jié)構(gòu)形式，選擇突破傳統(tǒng)的施工工藝能夠保質(zhì)保量并安全高效的施工方法也不失為一種好的選擇。 O