開封體育中心體育場罩棚鋼結(jié)構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)*

陳志江，任洋洋，賈偉朋，婁小鳳

(浙江大東吳建筑科技有限公司，浙江 湖州 313000)

1 工程概況

開封體育中心PPP項目位于開封市北外環(huán)路以南，復興大街以北，十二大街以東，十大街以西，占地面積303 333m2，總建筑面積13.2萬m2，由用地中軸線西側(cè)體育場和東側(cè)綜合體育館(體育館、游泳館、全民健身綜合館)組成，項目效果如圖1所示。

圖1 開封體育中心效果

體育場建筑面積42 772m2，高38.800m(看臺罩棚頂面至室外地面)，設30 000個座位，為中型體育場、甲級體育建筑。體育場共4層，看臺下部主體為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，上部罩棚為空間管桁架結(jié)構(gòu)。罩棚外形投影為圓環(huán)狀，外徑268m，洞口內(nèi)徑160m，總用鋼量約5 000t，由80榀徑向主桁架、環(huán)向次桁架、環(huán)向系桿等組成，桁架跨中間隔設置型鋼骨柱，如圖2所示。

圖2 罩棚結(jié)構(gòu)平面

單榀桁架呈7字形，分為主桁架和落地桁架，如圖3所示。主桁架截面寬3m，高4.162m，長54.168m，其中奇數(shù)軸主桁架懸挑長度29.5m。落地桁架截面寬1.5m，高1.5m，長37.349m。

圖3 單榀桁架立面

罩棚鋼結(jié)構(gòu)由2個基本自平衡體系單元組成：①奇數(shù)軸單榀桁架自平衡體系單元 奇數(shù)軸單榀桁架重心落在跨中支撐點偏外側(cè)1.448m處，結(jié)構(gòu)自然起拱且抵消端部下?lián)?，即奇?shù)軸單榀桁架以跨中型鋼柱為支撐點，形成“杠桿平衡體系”單元；②任意連續(xù)3榀桁架自平衡體系單元 任意連續(xù)3榀奇數(shù)、偶數(shù)、奇數(shù)桁架組成“簡支梁體系”單元，即以兩側(cè)奇數(shù)軸桁架作為支撐點，支撐中間偶數(shù)軸桁架；任意連續(xù)3榀偶數(shù)、奇數(shù)、偶數(shù)桁架組成“杠桿平衡體系”單元，即以中間奇數(shù)軸桁架作為支撐點，支撐兩側(cè)偶數(shù)軸桁架，如圖4所示。

圖4 自平衡體系受力分析

2 關(guān)鍵施工技術(shù)

考慮罩棚鋼結(jié)構(gòu)跨度大、支撐點少、結(jié)構(gòu)下方施工復雜，且高空安裝危險性高、施工速度慢、對接精度低，采用地面散件整體組拼、跨外大型起重機一次吊裝就位、分區(qū)卸載后整體合龍的施工工藝。通過整體吊裝桁架，減少高空作業(yè)量和臨時支撐架使用量，保證施工安全，提高施工質(zhì)量，加快施工進度，節(jié)約成本。

2.1 結(jié)構(gòu)單元劃分

結(jié)合罩棚鋼結(jié)構(gòu)特點及現(xiàn)場施工條件，將結(jié)構(gòu)單元劃分為主桁架(含支座)、落地桁架、墻桁架、次桁架及環(huán)向系桿，如圖5所示。罩棚支座節(jié)點相交桿件多、受力大，因此采用鑄鋼節(jié)點。

圖5 結(jié)構(gòu)單元劃分

2.2 吊裝設備選擇

奇數(shù)軸主桁架質(zhì)量為46.31t，偶數(shù)軸主桁架質(zhì)量為41.39t，均采用500t履帶式起重機吊裝；落地桁架質(zhì)量為8.25t，采用100t履帶式起重機吊裝；墻桁架采用25t汽車式起重機吊裝；次桁架及環(huán)向系桿采用150t履帶式起重機吊裝。施工過程中，將構(gòu)件吊裝質(zhì)量控制在起重機額定性能90%以內(nèi)。

2.3 現(xiàn)場施工布置

場地土為粉土，雨、雪天氣道路承載力低，須對拼裝場地和機械行走道路進行加固。

1)場地布置

在體育場外側(cè)設置3塊混凝土硬化場地，作為散件堆場和落地桁架、墻桁架拼裝場地，共9 000m2。在體育場內(nèi)側(cè)沿施工道路設置15m寬移動式環(huán)向場地，作為次桁架和臨時支撐架拼裝場地，采用6m×2m×0.02m(長×寬×厚)鋼板進行加固。在消防通道內(nèi)、外兩側(cè)設置移動式主桁架拼裝場地，采用5m×1.3m×0.13m(長×寬×厚)路基箱進行加固。

2)機械行走

500t履帶式起重機下方采用5m×2.2m×0.24m(長×寬×厚)路基箱進行加固；100，150t履帶式起重機下方采用5m×1.3m×0.13m(長×寬×厚)路基箱進行加固；50t履帶式起重機和25t汽車式起重機作為拼裝機械，下方無須加固。

2.4 桁架拼裝

1)主桁架拼裝胎架設置

主桁架呈直線形，為保證胎架制作方便并節(jié)約成本，采用側(cè)向拼裝，僅需滿足底部焊接作業(yè)高度和桁架自身高度要求，拼裝胎架高1.67～3.8m，由橫梁、立柱等組成，如圖6所示。

圖6 主桁架拼裝胎架

2)落地桁架拼裝胎架設置

落地桁架呈圓弧狀，為保證制作方便并節(jié)約成本，采用側(cè)向拼裝，僅需滿足底部焊接作業(yè)高度和桁架自身高度要求，拼裝胎架高1.0～2.2m，由立柱、立柱斜撐等組成，如圖7所示。

圖7 落地桁架拼裝胎架

墻桁架和次桁架屬于常規(guī)桁架，拼裝工藝簡單，不再闡述。

3)主桁架預起拱

奇數(shù)軸主桁架懸挑長度29.5m，需進行預起拱，以保證就位后主桁架懸挑端部位移與設計狀態(tài)一致，從而保證結(jié)構(gòu)美觀。采用MIDAS Gen軟件進行全過程施工模擬分析，并結(jié)合設計起拱值要求進行綜合考慮。現(xiàn)場施工時，奇數(shù)軸主桁架懸挑端部起拱40，45mm，偶數(shù)軸主桁架起拱50mm。通過設置不同的起拱高度，控制桁架端部無波浪形變化。

4)拼裝和就位控制

桁架拼裝時，采用全站儀進行測量，保證拼裝和就位精度，僅以主桁架為例進行介紹。

主桁架采取以下措施進行拼裝和就位控制：①平整、夯實拼裝胎架下方道路后鋪設路基箱，減少不均勻沉降；②桁架組拼前，對每組拼裝胎架頂面標高進行測量，控制胎架頂面標高，當存在高差時，通過墊鋼板的方式進行調(diào)整；③桁架焊接前設置測量監(jiān)控點，并在焊接過程中進行持續(xù)性監(jiān)測；④桁架焊接完成后復測監(jiān)控點。

桁架吊裝時，采用全站儀對監(jiān)控點坐標進行控制，并將就位、焊接完成和卸載后的實際坐標與設計坐標進行對比，確保實際值與理論值誤差<10mm。

2.5 臨時支撐架布置

考慮體育場自身結(jié)構(gòu)特點，為保證整個施工過程桁架處于平衡狀態(tài)，根據(jù)吊裝段和奇、偶數(shù)軸線差異，布置臨時支撐架。

2.5.1主桁架臨時支撐架

奇數(shù)軸主桁架可依靠跨中型鋼柱作為支撐點，自身形成“杠桿平衡體系”，且型鋼柱剛度大、變形小，故懸挑端部可不設置臨時支撐架。偶數(shù)軸主桁架底部無支撐，需在跨中和懸挑端部設置臨時支撐架，其中，懸挑端部臨時支撐架需保證桁架安裝就位及懸挑端部撓度調(diào)節(jié)方便。

1)跨中臨時支撐架 采用圓管式三角形支撐架，三角形邊長均為2.0m，立桿采用φ180×12，腹桿采用φ80×6，頂部橫梁采用H294×200×8×12。

2)懸挑端部臨時支撐架 采用角鋼式四邊形支撐梁，截面尺寸為2.0m×2.0m，立桿采用∟110×12，腹桿采用∟63×3，頂部橫梁采用H150×150×7×10。

2.5.2落地桁架臨時支撐架

落地桁架吊裝就位后，底部通過柱腳銷軸、固定支座與預埋板連接，在2/3桁架高度處設置臨時支撐架，并在支撐點處焊接 H200×200×8×12水平牛腿，從而保證臨時支撐架僅承受桁架傳遞的豎向荷載。落地桁架臨時支撐架采用角鋼式四邊形支撐架，截面尺寸為2.0m×2.0m，立桿采用∟110×10，腹桿采用∟63×6，頂部橫梁采用H150×150×7×10。

2.6 合龍縫設置

本工程需考慮溫度荷載作用，施工時需考慮以下因素設置合龍縫：①已安裝結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；②斷口合龍精度；③補桿施工難易度。以軸線⑤為起點，順時針每隔20根軸線設置1個施工區(qū)域，共設置4條合龍縫，如圖8所示。合龍縫需避開加強區(qū)，以減少補桿吊裝和高空焊接作業(yè)量。

圖8 合龍縫位置及施工分區(qū)

由于桁架具有自平衡體系特點，桁架整體受溫度效應的影響較小，桁架整體與1/4結(jié)構(gòu)變形、應力基本一致，為加快施工速度，首先分別施工并卸載施工區(qū)域1～4，然后進行整體合龍。分區(qū)卸載時，每條合龍縫處偶數(shù)軸桁架臨時支撐架暫不拆除，整體合龍后進行二次卸載。

局部卸載和整體合龍均需對溫度進行嚴格控制，體育場所在區(qū)域全年平均氣溫為16～18℃，考慮±2℃的溫度余量，將卸載和合龍溫度控制為14～20℃。施工時間為2020年10月中旬至11月上旬，溫差較小，平均氣溫為14～18℃，滿足施工條件。

3 施工模擬分析

3.1 施工工藝流程

罩棚鋼結(jié)構(gòu)施工工藝流程為：①在體育場外側(cè)設置80個3.6m×3.6m×0.7m(長×寬×高)獨立基礎，用于支撐落地桁架下方的臨時支撐架；②以軸線⑤為起點，順時針安裝落地桁架和墻桁架；③在混凝土看臺和體育場內(nèi)獨立基礎上搭設主桁架跨中、懸挑端部臨時支撐架；④順時針吊裝主桁架、次桁架及環(huán)向系桿；⑤主桁架施工完成，分別進行分區(qū)卸載→整體合龍→合龍縫處二次卸載。

3.2 施工過程模擬

采用MIDAS Gen軟件進行全過程施工模擬分析，并采用SAP2000軟件進行校核。鑒于體育場土建主體與罩棚施工相差3～5個月，罩棚鋼結(jié)構(gòu)施工時主體結(jié)構(gòu)混凝土性能穩(wěn)定，因此計算時不考慮材料非線性，僅考慮安裝過程中的非線性效應。根據(jù)不同施工階段，對結(jié)構(gòu)、邊界和荷載進行建組劃分，通過不同施工步驟間的“激活”和“消隱”模擬罩棚鋼結(jié)構(gòu)安裝和拆除。模擬整個施工過程時，主要考慮結(jié)構(gòu)自重、活荷載，自重荷載系數(shù)取1.05，程序自動計算；活荷載按0.5kN/m2計算。模擬單個構(gòu)件吊裝時，主要考慮結(jié)構(gòu)自重。模擬臨時支撐架搭設時，主要考慮結(jié)構(gòu)自重、活荷載和風荷載。

罩棚鋼結(jié)構(gòu)共劃分39 144個桿件單元，為符合實際施工情況且便于計算，將跨中臨時支撐架與罩棚鋼結(jié)構(gòu)視為整體，單獨復核看臺、落地桁架臨時支撐架與主桁架懸挑端部臨時支撐架承載力。

約束桁架跨中、底部x，y，z向位移，落地桁架臨時支撐架與主桁架懸挑端部臨時支撐架節(jié)點受彈性約束作用，約束主桁架跨中臨時支撐架底部x，y，z向位移。

3.3 結(jié)果分析

整個施工過程中最大應力出現(xiàn)在主桁架跨中臨時支撐架處，為56.5N/mm2，小于所用鋼材強度設計值(215N/mm2)，可知結(jié)構(gòu)安全儲備較高。罩棚構(gòu)件最大應力為34.7N/mm2，小于所用鋼材強度設計值(305N/mm2)，可知結(jié)構(gòu)安全儲備同樣較高。

主桁架懸挑端部最大豎向位移為37.6mm，小于規(guī)范限值?，F(xiàn)場施工最大豎向位移為35mm，可知計算值與實際值基本吻合。

4 結(jié)語

1)對于大跨度、大懸挑、自平衡桁架體系空間結(jié)構(gòu)施工，關(guān)鍵在于選擇合理的施工方案，圍繞所選的施工方案進行桁架分段、桁架拼裝、場地規(guī)劃、機械選型、支撐架搭設、卸載等。

2)根據(jù)罩棚鋼結(jié)構(gòu)自平衡體系特點，考慮結(jié)構(gòu)跨度大、支撐點少、結(jié)構(gòu)下方施工復雜，且高空安裝危險性高、施工速度慢、對接精度低，采用地面散件整體組拼、跨外大型起重機一次吊裝就位、分區(qū)卸載后整體合龍的施工工藝。

3)罩棚鋼結(jié)構(gòu)自平衡體系在安裝過程中獨立性較好，受溫度效應的影響較小。

4)對空間結(jié)構(gòu)整個施工過程的模擬分析尤為重要，詳細、合理的計算過程可反映需關(guān)注的重點施工問題，進而對施工質(zhì)量進行控制，對施工方案合理性進行檢驗。