大型體育館鋼結構屋蓋的施工關鍵技術研究

陳 霆

0 引言

建筑鋼結構以其質輕、形美的特點廣泛被現代大型公共建筑所采用。鋼結構的施工過程分為兩個階段，即加工制作階段和安裝階段。加工制作在工廠完成，質量容易保證。安裝階段在施工現場進行，安裝過程是影響工程安全性的主要因素。

隨著鋼結構的應用日趨廣泛，鋼結構工程事故也備受人們的關注。以西安市某鋼結構工程為例，當桁架吊裝到第十一榀時，屋架全部側向傾覆倒塌。調查顯示，造成事故的原因是結構安裝次序錯誤，在安裝中沒有形成一個穩定的受力體系而直接導致結構破壞。

由此可見，施工技術對鋼結構的安全施工和使用至關重要，有必要對鋼結構的施工技術和工藝進行研究［1-3］。前人對鋼結構高層建筑［4］，鋼結構廠房［5］和鋼結構住宅［6］等的施工技術進行研究，但是對大跨度的鋼結構屋蓋的施工技術研究還很少。此類結構跨度大，高程高，連接節點復雜，施工過程有其特殊性和難點，有必要研究其施工技術。

1 工程概況

某大型體育館位于廣西柳州。其中主館設可容納體操比賽要求的主比賽場地一塊，以及兩塊單邊籃球場寬度的賽前訓練場。

本工程屬新建工程，比賽場大跨度屋蓋采用雙向鋼桁架。建筑高度總高為29 m。體育館南北向長度為121.2 m，東西向長度為101.1 m，屋蓋為雙向箱形鋼管桁架和H型鋼梁組合而成的結構，桁架最大跨度為72 m。本工程鋼結構施工具有以下難點:屋面桁架上弦節點域與桿件連接形式復雜;桁架跨度大(最大達77 m)、安裝高度高達29 m，吊裝難度較大，如何避免在吊裝過程中桁架產生永久變形等不利因素是本工程的一大重點。

2 鋼結構加工制作

2.1 復雜節點加工

在本工程體育館屋面桁架鋼結構中，由于屋蓋造型奇特，主桿件與腹桿需進行曲折面過渡，過渡處連接點很多且形式復雜。箱形構件相貫節點和方鋼管與H型鋼相貫節點，是兩種典型的復雜連接節點。

在節點制作中，因屋脊線不一致造成每榀主桁架高差不一，上下腹桿與主桿連接時分別需進行曲折面加工。因此如何準確地下料，保證裝配精度是本工程加工制作的重點。針對這一難題，用AutoCAD軟件建立三維線框模型進行分析，確定好機械切割余量及焊接后的收縮余量，按照材料規格進行合理的套料，并根據制作要領選擇正確的加工設備實地放樣拼裝。

2.2 異型H型鋼制作

本工程門式剛架部分采用的H型鋼絕大部分為異型H型鋼，其上翼板均傾斜角度不一致，在生產加工過程中均需對每支構件的上翼板進行預折面處理，如何控制角度確保構件滿足設計要求是本工程加工制作過程中的重點。采取合理的折面處理并配合加工焊接組合方案控制變形，是實現現場順利拼裝的關鍵。上翼板在折彎機上預彎前進行預先模擬焊接后的焊縫收縮應變量，再結合異型構件的上翼板折面角度，組立門焊后下翼板采用機械矯正，上翼板則采用火工加外力的方式進行矯正。

3 桁架預拼裝工藝

鋼結構主桁架最大跨度為72 m，大型鋼構件限于構件運輸條件和現場起重設備的起重能力，在工廠必須將大構件按需要長度及重量進行分段，運到現場后進行拼裝。但為了保證構件在現場的順利拼裝，減少現場對構件的安裝調整時間，本工程主要對主桁架進行預拼裝。

現場預拼裝胎架由工字鋼焊接而成，胎架制成后將其焊接在混凝土地面的預埋鋼板上，使整個胎架形成一個剛性體。在拼裝場地劃線后安放H型鋼馬凳，馬凳間及角鋼進行支撐連接后，再安放立桿支撐。

依次對桁架下弦桿，下部統桿水平支撐，側腹桿，上弦桿，上部次弦桿，桁架中間立桿及上部桁架水平支撐，上部桁架次桿及其他支撐進行安放。

4 鋼結構現場安裝方案

4.1 吊裝順序及設備布置

桁架預拼裝完成后，就可以進行鋼結構的吊裝施工。本工程分為西區與東區兩個區域，分別配備兩套獨立的施工班組進行安裝，每個區域從結構中軸線向兩側同時施工，見圖1。

圖1 鋼結構安裝順序

為了保證本工程的工期計劃，現場配備兩套設備進行安裝:兩臺25 t汽車吊，負責桁架構件的卸車、拼裝、次構件安裝等;兩臺80 t履帶吊，負責屋頂分段桁架、馬道等構件的吊裝。

4.2 支撐架的設計

本工程臨時安裝支撐架最大設計高度25 m，其穩定控制是關鍵。所有安裝臨時支撐架采用角鋼立柱格構柱支撐。

支撐架最大承受力約100 kN，用于體育館內端部桁架的支撐，支撐主要承受自身重量、上部桁架自重傳來的荷載、風荷載及施工活荷載。支撐材料強度和截面:鋼材采用Q235鋼，每個標準節尺寸為 1.2 m ×1.2 m ×0.8 m;其中立桿采用 L100 ×6，腹桿采用L70×6，頂部選用Ⅰ20(H200×100×7×11.4)進行加固。支撐架四周布置纜風繩，纜風繩與水平面夾角在45°～60°之間，纜風繩扣在距支撐底部高16.5 m處。

4.3 分段吊裝工藝

由于本工程桁架長度較長，為了保證分段構件在吊裝過程中的穩定性，需對主次桁架進行分段吊裝。對整個屋蓋進行施工模擬，找出桁架最佳的分段方式。施工時主要對主桁架(④軸～?軸桁架)、次桁架(?軸～軸桁架)進行分段。對主桁架采用扁擔梁吊裝的方式進行吊裝，吊點設置在桁架上弦節點處，每個吊點處吊索與水平面的角度控制在45°～60°。對次桁架進行簡單吊裝，吊點設置在桁架上弦桿重點。

主桁架兩個分段吊裝后，在高空中的上下之間的微調采用設置在高空支架上的千斤頂來完成，側向主要利用支撐架上的拼裝胎架來保證構件的相對位置，再利用設置在胎架兩側的千斤頂調整側向位移，最后調整到構件的安裝預定位置進行整體的焊接工作。

5 結語

針對某大型體育館鋼結構屋蓋施工過程中碰到的問題，解決復雜節點加工、異型H型鋼制作及構件連接等難點，詳細說明了桁架預拼裝工藝、大型鋼結構屋蓋的吊裝方案等，闡述大型鋼結構加工制作和現場吊裝中的關鍵技術，為設計大型鋼結構屋蓋合理的施工方案提供指導。

［1］ 魏振義.內蒙古某廠展覽館屋面結構的設計與施工［J］.建筑鋼結構進展，2005，7(6):89-92.

［2］ 鮑廣鑑.鋼結構施工技術及實例［M］.北京:中國建筑工業出版社，2005.

［3］ 張平順.鋼結構工程安裝施工的幾個要點探析［J］.陜西建筑，2005(10):17-18.

［4］ 唐興國，鐘鐵毅.北京電視中心高層鋼結構施工模擬分析［J］.北京交通大學學報，2006，30(1):59-62.

［5］ 呂振強.大型鋼結構廠房的制作安裝施工［J］.施工技術，2006(4):38-39.

［6］ 劉靈敬，李瑞鴿，張耀庭.多層輕鋼結構住宅施工的探討［J］.建筑管理現代化，2006(3):35-38.