大跨度體育場館鋼結構施工技術的研究

朱敬東

安徽體育運動職業技術學院，安徽合肥 230051

計算機技術與有限元分析方法的快速發展讓大跨度鋼結構得到了良好的發展，不僅結構造型新穎，在跨度上也不斷增加，施工難度整體增加。雖然大跨度鋼結構沒有明確的統一標準，但不同的結構形式與場地條件也會讓施工技術有所差異，這也是本文主要的研究方向。

1 工程案例

1.1 工程概況

某市體育館為大型綜合體育中心，具備舉辦城市運動會的水平。屋蓋結構體系包括45°傾斜的三角形變斷面鋼桁架拱與鋼箱型梁組成的中空馬鞍型空間結構，屋蓋結構體系在不同荷載組合的情況下具有顯著的線條層次感。另外，屋面覆蓋了輕鋼檁條與鋁合金面板，鋼結構中還包含焊接的空心球網架。

1.2 工程難點

從工程的主要難點來看，在整體的結構體系未明確之前，屋面系統與主拱并不是獨立的結構靜定體系，結構體系與構造相對復雜。相比于傳統的殼體結構與拱結構，體育場的結構體系包括鋼桁架拱與馬鞍形屋面網格，在體系上更加復雜。另外，工程選用的鑄鋼節點也是技術難點所在。在支撐胎架的設置上，為了保障結構穩定性，在主拱與屋面安裝時設立了臨時的支撐系統，此時既要保障支撐系統滿足受力的要求，還需要防止混凝土結構出現損壞的情況。尤其是體育場的大跨度鋼結構，分段吊裝的難度較大，主拱施工時間過長也會有因溫度導致的應力問題的潛在風險[1]。例如，在大跨度橋梁中，尤其是懸索橋，由于鋼結構質量太輕，我們甚至要往鋼箱里面添加配重，改善其動力特性。對應的房屋結構中要采用鋼結構與混凝土核心筒配合，來解決剛度問題。例如，帝國大廈就是鋼結構的超高層，解決的關鍵問題就是鋼結構高層抗風能力。

1.3 施工方案選擇

考慮到工程概況，在施工方案的選擇上確定了以支撐胎架配合吊機施工的作業方案，分為不同的組裝結構，在屋面系統吊裝完畢之后再進行分段吊裝，待安裝完畢后最后再將支撐胎架拆除。

2 大跨度鋼結構施工技術探究

2.1 支撐結構設計

結合空間結構的特點和實際的工況，對支撐胎架的穩定性和受力情況進行計算，然后在屋面系統箱型梁下設置支撐胎架，安裝完屋面系統后進行主拱的安裝。此時主拱部分需要先安裝連接屋面箱型梁的M桿，合理地利用結構本身的支撐能力，降低主拱支撐的高度，提升穩定性。此外，為了保障結構的整體傳力要求，主拱的安裝精度與荷載需要進行嚴格控制，能否通過箱型梁傳遞到支撐胎架成為了主要的技術重點。如建筑史上最早的支撐結構設計出現在公元前14年的古羅馬萬神殿，大殿為直徑43.5m半圓球型穹頂，凈高43.4m，中央8.9m直徑采光孔，充分展現拱的作用，用磚石抗壓，使壓力在拱內形成力流。

例如，在鋼結構桿件的安裝過程中，可以先在混凝土結構平臺上搭設外環支撐，形成一圈格構式鋼管桁架結構，形成支座節點，然后完成內環支撐的搭設，讓內環支撐結構能夠分布在鋼結構內環網架區域正下方[2]。鋼結構桿件的安裝過程中會搭設臨時支撐體系，在主體安裝完畢合攏結束后也會將臨時支撐拆除，此時需要考慮到結構內力與變形產生的變化。施工階段例如圖1所示。

圖1 施工示意圖

最后的階段是預應力拉索的施工階段。此時為了提升索力控制的穩定性，張拉施工過程應該在卸載完畢之后進行。

2.2 重型結構安裝

箱型梁作為大跨度重型結構，在安裝時需要與V型支撐進行連接，形成整體結構，防止箱型梁因穩定問題出現位移、下滑等。在主拱的施工方面選擇臥式連續拼裝，先通過三維建模方式確定胎架位置，然后進行分段吊裝。需要注意的是重型結構的安裝過程中必然會受到外部環境的影響而出現誤差，例如溫度導致的精度誤差問題，主拱安裝可能會受到阻礙，此時為了保障合攏段的施工質量，施工方需要先進行觀測，分析主拱面臨的受力情況，計算應力、合攏溫度，選擇焊接方案等，盡可能降低潛在的誤差。

2.3 巨型桁架吊裝

桁架吊裝方面需要結合桁架的特點與現場施工環境，結合工期要求來選擇拼裝與吊裝的方案。施工方可以借助起吊機來進行雙機抬吊，尤其是在下注吊裝工作中，需要控制好吊點，便于起吊過程中鋼絲繩得到合理的轉動。在桁架柱吊裝的平衡施工上，吊點靠近內側的區域應該接近外柱內側腹板位置，保障吊繩受力，并減少鋼絲繩滑動可能出現的磨損。

主桁架的施工選擇要結合主桁架的分段形式來設置吊點。通常情況下吊點設置分為兩種情況。中圈、外圈的桁架選擇兩點吊裝，而內圈主桁架選擇三點吊裝，設置兩個輔助吊點與一個主吊點。為了保障主桁架與支撐結構的安全，如果是首件吊裝的桁架，需要在桁架上弦節點位置加勁，自由端設置側向風繩，當固定措施完畢之后再進行松鉤[3]。

2.4 合攏技術

某些大跨度體育場的鋼結構工程量大，在結構安裝的工期方面需要耗費一定的時間，溫度應力與極限溫度變形情況需要納入考慮范圍之內。在合攏技術的使用方面，為了保障其性能與施工質量，安裝完合攏段之后，需要在除合攏口之外的所有區域進行焊接連接。至于合攏口，則使用卡馬搭接，在數量上結合接口受力情況來進行規劃。

例如，國家體育場就按照實際的施工要求，在鋼結構的合攏方面進行了技術優化。首先進行了施工區域內部的合攏，并考慮到溫度變化帶來的影響，在溫度穩定的夜間展開合攏工作。而合攏口數量眾多也會導致焊接工程量的增加，因而施工時也將合攏口的卡馬進行了焊接，然后進行合攏口焊縫焊接。

2.5 懸索結構

以我國北京工人體育館為例，它是我國第一座以大跨度圓形旋梭結構的綜合體育館，旋梭結構是由柔性受拉索及其邊緣構件形成的結構。這種結構具有顯著的抗拉性能，材料強度高，跨度大、便于施工。索材料可以選擇鋼絲繩、鋼絞線、圓鋼等受拉性能好的線材。所以近代的懸索結構，除了應用于大跨度橋梁工程外，還在體育館、飛機庫、展覽館、倉庫等大跨度屋蓋結構中應用。

2.6 監測工作

大跨度體育場的鋼結構施工中還應該做好監測工作，可以從以下幾個方面展開。

位移監測。位移監測的結果是結構是否發生位移和誤差的判定標準，并可以為施工方案的調整提供解決的方案。在施工中可以對空間位移與豎向位移進行監測，貫穿于施工的全過程中。例如，選擇大地測量技術，在監測節點上粘貼反光片，設置多個觀測區域，結合空間坐標變化情況來判斷空間移動的趨勢。

應力監測。鋼結構桿件的應力會發生變化，尤其是在拆除支撐的過程中，承載力分析是安全保障的關鍵內容。施工時可以選擇無線應變計來進行監測，可以直接在任何時間段采集變化數據，反映結構的準確應力水平。

溫度監測。由于大跨度鋼結構施工過程受到溫度的影響程度較大，甚至直接影響到結構桿件的安裝，此時即便使用有限元進行模擬和分析，也應該考慮到溫度的影響，在溫度修正后得到結構的實際受力狀態與數據[4]。例如應力監測使用到的無線應變計也帶有溫度監測的功能。

索力監測是針對預應力拉索的張拉進行的監測。通過索力監測的數據可以判斷預應力拉索施工的范圍，保障結構受力能夠滿足設計的相關要求。通常情況下選擇索力動測儀來進行索力監測，確保監測結果。

3 結語

本文結合某體育館的大跨度鋼結構施工進行了施工技術的分析和監測，并研究了相關技術的優化方案。從整體的施工過程來看，需要結合施工的形式、工況條件與工期要求來選擇合理的施工方案。例如，對于一些施工面積較大的鋼結構，可以選擇分段吊裝、設支撐結構的方式；如果空間剛度較大，則可以采用地面拼裝等。具體方案選擇中還可以綜合利用不同的方案，發揮技術的優勢所在。