大型綜合體育場(chǎng)館建筑鋼結(jié)構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)研究

李仲宏 何兆基 鄧 耀 胡銀翔 周懷健

大型綜合體育場(chǎng)館占地面積普遍較大，內(nèi)部容載量高，且具有多功能性。因此，其鋼結(jié)構(gòu)施工復(fù)雜，經(jīng)常受構(gòu)件、桁架、胎架等強(qiáng)度的影響，導(dǎo)致環(huán)梁內(nèi)向形變過大[1，2]。為提高建筑的有效性，需設(shè)計(jì)一種新的建筑鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)[3]。本文結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)施工現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一種全新的建筑鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)。

1 工程概況

德勝體育中心項(xiàng)目位于廣東省佛山市順德區(qū)大良街道德勝東路以南，德勝河以北，順德港以西，主要由綜合體育館、訓(xùn)練館、游泳館以及商業(yè)配套用房和市政隧道組成，總建筑面積為16.8 萬m2，其中綜合體育館為可容納1.2 萬人的大型甲級(jí)體育館，建成后可舉辦全國(guó)性和國(guó)際單項(xiàng)比賽，為廣東省重點(diǎn)工程。

該大型綜合體育館直徑約148.2 m，涉及鋼結(jié)構(gòu)施工的部分包括兩道“V 型柱+箱型環(huán)梁”，整體用鋼量約6 000 t。鋼筋混凝土看臺(tái)5層高，鋪設(shè)預(yù)制看臺(tái)板，屋蓋為索穹頂結(jié)構(gòu)，總高度約38.4 m，屋面為連續(xù)焊接不銹鋼金屬屋面。德勝體育中心大型綜合體育場(chǎng)館的鋼結(jié)構(gòu)屬于一種大跨空間獨(dú)立結(jié)構(gòu)，為了提高鋼結(jié)構(gòu)安裝的穩(wěn)定性，該工程使用斜向支撐法設(shè)置臨時(shí)支撐胎架，其主要構(gòu)件連接示意圖如圖1 所示。

由圖1 可知，為了固定鋼結(jié)構(gòu)施工構(gòu)件，綜合體育場(chǎng)館共設(shè)置了96 根外環(huán)V 型柱、16 根內(nèi)環(huán)V 型柱，其主要參數(shù)如表1 所示。由表1 可知，上述鋼梁主要使用V 型鋼管柱進(jìn)行支撐，通過V 型柱與混凝土結(jié)構(gòu)相連。

表1 鋼結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖1 主要構(gòu)件連接示意圖（來源：施工方案）

施工卸載程序均需不斷進(jìn)行支撐控制，確保結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定[4，5]。為了提高施工的有效性和可行性，該工程進(jìn)行了模塊化施工，標(biāo)注各個(gè)施工節(jié)點(diǎn)，降低后續(xù)的施工難度。

2 體育場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)設(shè)計(jì)

2.1 拼裝高強(qiáng)度胎架

拼裝過程中，需要始終遵循以下幾個(gè)重要原則：第一，拼裝的胎架必須統(tǒng)一設(shè)計(jì)；第二，需在硬化處理后的場(chǎng)地拼裝；第三，需整體吊裝進(jìn)行組裝；第四，盡量避開節(jié)點(diǎn)施焊；第五，需預(yù)先計(jì)算各個(gè)拼裝指標(biāo)，確保有效的吊裝高度，避免胎架沉降不均勻。拼裝胎架示意圖如圖2 所示。

圖2 拼裝胎架示意圖（來源：作者自繪）

拼裝胎架由腹桿、主弦桿、路基箱組合而成。為提高胎架的拼裝精度，本文設(shè)計(jì)的施工技術(shù)采用了合理的材料運(yùn)輸方案，按照胎架的弧度進(jìn)行統(tǒng)一分類，調(diào)整拼裝長(zhǎng)度，保證其始終處于拼裝固定狀態(tài)。首先，需要布置拼裝胎架，使下弦主弦桿就位；其次，拼裝腹桿，使上弦主弦桿就位；最后，拼裝立面腹桿，復(fù)查拼裝尺寸，完成胎架拼裝。

2.2 加工弧形抗形變鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件

為了降低鋼結(jié)構(gòu)的形變量，應(yīng)加工弧形抗形變鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件。

大型綜合體育場(chǎng)館的鋼結(jié)構(gòu)截面尺寸較大且運(yùn)輸困難，為了有效加工鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，需要預(yù)先計(jì)算主弦桿長(zhǎng)度L，計(jì)算公式為：

式中，D代表腹桿長(zhǎng)度，E代表腹桿寬度。

根據(jù)構(gòu)件的獨(dú)立加工原則，還需確定無縫鋼管的拼接寬度d，計(jì)算公式為：

每個(gè)鋼結(jié)構(gòu)支架都存在一定的間距，為了降低焊接縫隙，還要進(jìn)行預(yù)拼裝處理。經(jīng)過初次加工發(fā)現(xiàn)，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件可能受銹蝕作用影響，降低實(shí)際施工效果，因此在抗形變鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件加工過程中需定期進(jìn)行除銹、涂裝，再使用指定的加工設(shè)備進(jìn)行加工[5，6]。

2.3 布設(shè)高穩(wěn)空間桁架

不同類型的空間桁架布設(shè)的區(qū)域不同，因此在施工過程中需要根據(jù)桁架的涂裝、除銹關(guān)系進(jìn)行多次加工，降低桁架的彎曲半徑，從而確保易于切割。三角形桁架的穩(wěn)定性較高，主要由弦桿和腹桿組成，不存在較大的焊接縫隙，在桁架布設(shè)過程中可以進(jìn)行分段處理，根據(jù)平行桁架的間隔進(jìn)行組裝和加工，再使用冷彎加工工藝縮小其彎曲半徑。桁架布置示意圖如圖3 所示。

圖3 桁架布置示意圖（來源：作者自繪）

由圖3 可知，可以將上桁架和下桁架其中之一作為主桁架，另一個(gè)作為次桁架，并將鋼結(jié)構(gòu)的主要節(jié)點(diǎn)布置在主桁架上，其他次節(jié)點(diǎn)布置在次桁架上。每個(gè)桁架的弦桿和腹桿部分均為拼裝散件，需要在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行焊接，而桁架的焊接狀態(tài)與桁架布置效果有重要關(guān)聯(lián)，因此需要正確選用焊材，滿足實(shí)際施工需求。

另外，還可以選取預(yù)熱溫度較高的焊條進(jìn)行焊接，避免出現(xiàn)焊接裂紋。在焊接過程中，需要不斷控制焊接熱量，使用錘擊工藝來避免焊接收縮應(yīng)力。焊接完畢后，根據(jù)施工需求設(shè)置焊接球，完成高溫空間桁架的布置，最大程度提高鋼結(jié)構(gòu)的支撐力，提高鋼結(jié)構(gòu)的可靠性。

3 施工效果分析

為了驗(yàn)證上述設(shè)計(jì)的大型綜合體育場(chǎng)館建筑鋼結(jié)構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)的施工效果，施工完畢后，需要選取屋面鋼結(jié)構(gòu)安裝部分進(jìn)行施工效果分析。安裝后，天窗和金屬屋面板效果均較好，各個(gè)鋼結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系也比較緊密。為了進(jìn)一步分析施工后各個(gè)鋼結(jié)構(gòu)層的實(shí)際強(qiáng)度，本文在C1 ～C5 區(qū)各抽取一個(gè)改造點(diǎn)，剖析其內(nèi)部構(gòu)造。

屋面鋼結(jié)構(gòu)由不銹鋼裝飾板、合金骨架、連續(xù)焊接不銹鋼金屬屋面板、防水卷材、厚巖棉以及鋁鋅壓型鋼板等材料組成，整體強(qiáng)度較高，抗形變能力較強(qiáng)，為了有效檢測(cè)鋼結(jié)構(gòu)環(huán)梁內(nèi)向形變量，本文選取LSP-1000S 形變量檢測(cè)儀進(jìn)行檢測(cè)。該形變量檢測(cè)儀的敏感性較高，具有自動(dòng)采集功能，能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的采集控制，符合施工效果分析需求。使用該儀器檢測(cè)環(huán)梁內(nèi)向形變量，各個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的形變量檢測(cè)結(jié)果如表2 所示。由表2可知，使用本文設(shè)計(jì)的體育場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)施工后的各檢測(cè)點(diǎn)環(huán)梁內(nèi)向形變量均低于施工最大允許形變量。

表2 各個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的形變量檢測(cè)結(jié)果

4 結(jié)語

大型綜合體育場(chǎng)館是一種承接各種各樣賽事的綜合建筑，其總體占地面積較廣，承載量較大。

常規(guī)的鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)由于受施工環(huán)境影響，環(huán)梁內(nèi)向形變量過高，不符合目前體育場(chǎng)館的結(jié)構(gòu)需求，因此本文設(shè)計(jì)了一種新的鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)，并進(jìn)行施工效果分析。

結(jié)果表明，應(yīng)用本文設(shè)計(jì)的鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)進(jìn)行施工后，各個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的環(huán)梁內(nèi)向形變量均低于施工最大允許形變量，證明該施工技術(shù)的施工效果較好，具有可靠性，有一定的應(yīng)用價(jià)值，可以作為后續(xù)大型體育場(chǎng)館施工的參考。