體育館多連拱大跨度異型曲面鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)

楊軍 趙敏聰

摘要：以體育館7連拱大跨度異型曲面鋼結(jié)構(gòu)工程為依托，針對(duì)其跨度大、空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜、安裝精度高等特點(diǎn)，詳細(xì)介紹了施工關(guān)鍵技術(shù)控制要點(diǎn)，實(shí)施效果和社會(huì)效益良好，研究成果可為類似大跨度連拱復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)工程提供借鑒。

Abstract： Based on the 7-arch large-span profiled steel structure of the stadium， the key technical control points of the construction are introduced in detail， which are characterized by large span， complex space structure and high installation precision. The implementation effect and social benefits are good. It provides reference for similar large-span arching complex steel structure engineering.

關(guān)鍵詞：體育館；多連拱；大跨度；異型曲面；鋼結(jié)構(gòu)

Key words： stadium；multiple arches；large span；profiled surface；steel structure

中圖分類號(hào)：U445 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）29-0169-03

0 引言

近年來我國的大跨度復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)得到了迅速的發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)形式不斷創(chuàng)新，形態(tài)各異的空間結(jié)構(gòu)在樞紐車站、體育館、展覽中心、航站樓等高大建筑中得到廣泛應(yīng)用。本文基于佛山市高明區(qū)體育中心體育館工程7連拱大跨度異型曲面鋼結(jié)構(gòu)工程，此類型鋼結(jié)構(gòu)具有跨度大、控制精度要求高、空間結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜、吊裝作業(yè)量大等特點(diǎn)，通過鋼結(jié)構(gòu)全過程的信息化控制、分段拼裝、定位安裝、焊接誤差、卸荷施工等五項(xiàng)控制技術(shù)進(jìn)行技術(shù)研究。

1 工程概況

佛山市高明區(qū)體育中心工程是西江新城核心區(qū)內(nèi)的標(biāo)志性建筑，總建筑面積45751m2，設(shè)置一場兩館（體育場、體育館，游泳館）。其中體育館由7個(gè)連續(xù)拱形門式鋼架組成，相鄰拱形斜柱相交形成并列的M形連續(xù)拱結(jié)構(gòu)，拱頂高度24m。M形門式鋼架由600×600mm“X”形箱型柱接500×500mm的拱形箱型柱斜組組成。屋面網(wǎng)殼由？準(zhǔn)402×20mm圓管三角桁架與？準(zhǔn)95×6mm圓管網(wǎng)殼組成，總用鋼2600t。鋼結(jié)構(gòu)桁架分為58塊，桁架高度為2.5m，最大長度為25.2m，最大吊裝重量為9.5t，網(wǎng)殼分為94塊，最大尺寸為16.8×13.6m，最大吊裝重量為10.45t。

2 施工關(guān)鍵控制技術(shù)

本工程鋼結(jié)構(gòu)為7連拱大跨度異型曲面鋼結(jié)構(gòu)，對(duì)比傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)高空散裝法安裝及風(fēng)險(xiǎn)較大的鋼結(jié)構(gòu)滑移法安裝，利用XSTEEL軟件進(jìn)行三維建模，有限元軟件MIDAS800進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)仿真分析，研究采用地面拼裝、分塊吊裝的施工方法，主要從以下五個(gè)方面進(jìn)行技術(shù)研究。

2.1 鋼結(jié)構(gòu)全過程計(jì)算機(jī)信息化控制技術(shù)

采用有MIDAS空間有限元軟件計(jì)算分析和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，對(duì)分塊吊裝單元吊裝變形、支撐形變、安裝形變和卸載進(jìn)行了仿真。利用Xsteel軟件對(duì)構(gòu)件加工、分塊吊裝、整體卸荷等施工全過程進(jìn)行三維模擬。實(shí)現(xiàn)了建設(shè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)與施工過程模擬與分析的數(shù)字化。在實(shí)際施工過程中及時(shí)收集、整理檢測數(shù)據(jù)，并與模擬數(shù)據(jù)相對(duì)比，保證施工過程可控，實(shí)際證明整個(gè)施工過程監(jiān)測數(shù)據(jù)與計(jì)算機(jī)模擬仿真數(shù)據(jù)基本相符。（圖2）

2.2 鋼結(jié)構(gòu)分段拼裝施工技術(shù)

佛山市高明區(qū)體育中心體育館工程由于建筑造型、結(jié)構(gòu)布置特點(diǎn)以及主桁架重量的限制，為此，確定了鋼結(jié)構(gòu)施工采用地面拼裝、分塊吊裝的施工方案，既減少了高空焊接工作量也能保證焊接質(zhì)量，現(xiàn)場拼裝范圍主要是屋面桁架及網(wǎng)殼部分。

2.2.1 鋼結(jié)構(gòu)地面胎架制作

拼裝場地基處理后，現(xiàn)場布置了三至四榀連續(xù)胎架，進(jìn)行整體連續(xù)地面拼裝，采用全站儀進(jìn)行定位觀測，提高高空管件對(duì)接精度，減少高空作業(yè)，提高工效。對(duì)于場館兩端的變截面鋼結(jié)構(gòu)采用將定位馬板重新焊接定位的方式，調(diào)整拼裝胎架實(shí)現(xiàn)拼裝。

2.2.2 三角桁架及屋面網(wǎng)殼地面拼裝

①將弦桿吊上拼裝胎架進(jìn)行分段定位組裝，確定平臺(tái)上的中心線和分段位置線定位情況，并檢查各個(gè)接口處的坡口間隙和板邊差等，檢查合格后采用臨時(shí)定位板和活動(dòng)襯管進(jìn)行固定。

②桁架上下弦桿組裝定位后，對(duì)分塊內(nèi)弦桿需對(duì)接的焊縫進(jìn)行焊接、探傷及局部矯正，再安裝弦桿間橫向水平腹桿，過程中必須控制相貫線處的坡口間隙和相對(duì)位置的正確性。斜腹桿定位安裝定對(duì)平臺(tái)上的腹桿投影控制線，并注意與弦桿的組裝間隙，進(jìn)行曲腹桿與弦桿間的相貫焊接。

③為保證桁架的拱度為正值，焊接時(shí)先焊腹桿與下弦桿的相貫焊縫，后焊上弦相貫焊縫，焊接從中間向四周進(jìn)行對(duì)稱焊接，焊后進(jìn)行檢測和局部矯正。當(dāng)?shù)孛嫫囱b焊縫焊接全部完成后，對(duì)地面各分段鋼結(jié)構(gòu)焊接采用超聲波探傷檢測。

④鋼結(jié)構(gòu)分段的整體測量驗(yàn)收采用經(jīng)緯儀和全站儀配合鋼尺測量，尤其是重點(diǎn)測量桁架的各連接端口（包括端部端口、各交叉節(jié)點(diǎn)端口等）的測量校正。

2.3 定位安裝施工技術(shù)

2.3.1 鋼結(jié)構(gòu)臨時(shí)支撐體系

設(shè)置臨時(shí)支撐格構(gòu)柱體系進(jìn)行分段結(jié)構(gòu)吊裝，臨時(shí)支撐體系采用？準(zhǔn)180×8及？準(zhǔn)89×5圓管焊接而成，臨時(shí)支撐上下部采用H400×200×8×13制作底座及操作平臺(tái)。每支臨時(shí)支架應(yīng)根據(jù)吊裝時(shí)支架受力的不同進(jìn)行的設(shè)計(jì)簡算，將各臨時(shí)支架按支架布置吊裝到位，并設(shè)置纜風(fēng)繩等軟固定設(shè)施，同時(shí)與砼地面、基礎(chǔ)固定。鋼結(jié)構(gòu)臨時(shí)支撐截面尺寸為1.5×1.5m，體育館臨時(shí)支撐高16m。體育館共設(shè)置臨時(shí)支撐14處，總重量84噸，占鋼結(jié)構(gòu)安裝重量2600噸的3.23%。（圖3）

2.3.2 鋼結(jié)構(gòu)吊裝工況驗(yàn)算及施工過程的控制

通過計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，模擬鋼結(jié)構(gòu)吊裝過程中構(gòu)件的受力及變形，對(duì)施工過程中的分塊吊裝單元吊裝變形、支撐變形、安裝變形和卸載進(jìn)行仿真模擬。為后續(xù)安裝提供有力技術(shù)支持。

體育館為由三角桁架及單層圓殼組成，其結(jié)構(gòu)形式新穎，受力復(fù)雜，特別是在結(jié)構(gòu)形成整體之前整體剛度較差。因此本工程在施工前需對(duì)鋼結(jié)構(gòu)施工階段進(jìn)行不同工況分解和受力驗(yàn)算。

體育館格構(gòu)式支撐平面尺寸為1.5m*1.5m，節(jié)間長度為2.0m，支撐立桿為？準(zhǔn)180*8，橫桿及斜桿為角鋼？準(zhǔn)89*5，支撐底座及上部平臺(tái)采用HN400*200*8*13。施工計(jì)算分為19個(gè)施工工況。計(jì)算分別得出各工況下結(jié)構(gòu)的變形、應(yīng)力和支撐的變形、應(yīng)力、反力情況。

2.3.3 鋼結(jié)構(gòu)定位安裝、誤差及變形控制

根據(jù)本工程鋼結(jié)構(gòu)空間異型及多曲面特點(diǎn)，利用高精度全站儀建立平面控制基準(zhǔn)網(wǎng)，用全站儀進(jìn)行三維坐標(biāo)立體控制，電子水準(zhǔn)儀進(jìn)行高程校核。

2.4 鋼結(jié)構(gòu)焊接誤差控制技術(shù)

①在工程正式施焊前，根據(jù)不同的焊接方法、焊接材料、焊接位置、預(yù)熱要求以及坡口類型等等，按照《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)程》進(jìn)行工藝評(píng)定試驗(yàn)，確定合適的焊接參數(shù)，并制定出實(shí)施性的焊接工藝規(guī)程，要求焊工不得隨意改變工藝參數(shù)。

②結(jié)合現(xiàn)場構(gòu)件焊接特點(diǎn)，構(gòu)件的主要焊接將采用CO2藥心焊絲氣體保護(hù)焊，同時(shí)由于焊條手工焊簡便靈活，適應(yīng)性強(qiáng)，將作為輔助焊接方法。

③預(yù)熱主要采用氧氣—乙炔火焰加熱方法，預(yù)熱溫度80℃左右，預(yù)熱范圍為坡口及坡口兩側(cè)不小于板厚的1.5倍寬度，且不小于100mm。測溫點(diǎn)應(yīng)距焊接點(diǎn)各方向上不小于焊件的最大厚度值，但不得小于75mm處。

④焊縫收縮（主要為橫向收縮）對(duì)構(gòu)件的變形影響較大，其收縮量主要與焊接線能量關(guān)系密切。在焊接工藝評(píng)定時(shí)應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場模擬接頭試驗(yàn)，通過數(shù)據(jù)分析，對(duì)實(shí)際接頭作焊接收縮預(yù)控。并隨時(shí)用測量儀器進(jìn)行變形監(jiān)控并糾偏，摸索相應(yīng)規(guī)律，指導(dǎo)后續(xù)施工。

2.5 鋼結(jié)構(gòu)安裝后的卸荷施工技術(shù)

整體結(jié)構(gòu)安裝完成后進(jìn)行卸荷。本工程采用的整體分級(jí)卸載方案遵循：結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力與變形均衡協(xié)調(diào)、卸載變化過程緩和、結(jié)構(gòu)多次循環(huán)微量下移的原則，并體現(xiàn)安全施工操作來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)卸載計(jì)算工況，跨中變形擾度最大，總體結(jié)構(gòu)整體變形較小，采取先完成中間部位臨時(shí)支撐的卸載，再向兩側(cè)逐根卸載其他臨時(shí)支撐。

卸載操作主要采取對(duì)頂部胎架模板分次割除進(jìn)行作業(yè)，根據(jù)支撐卸載變形量來控制每次割除的高度？駐H（預(yù)割量每次控制在5～10mm），直至割除后結(jié)構(gòu)不再產(chǎn)生向下的位移后拆除該處支撐，在支撐卸載過程中注意監(jiān)測。計(jì)算最大變形量為25mm，整體卸荷分為三級(jí)，每次5-10mm。

卸荷完成后對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行測量，卸荷模擬計(jì)算最大變形量25mm處，實(shí)測變形量為23mm。

3 結(jié)語

通過對(duì)多連拱大跨度異型曲面鋼結(jié)構(gòu)施工過程的拼裝、焊接、吊裝、卸載等環(huán)節(jié)的工藝施作，解決了結(jié)構(gòu)重量不均勻、空間結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜、過程控制精度要求高的難題，提高了構(gòu)件的安裝質(zhì)量。

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