大跨度雙層雙向曲面桁架鋼屋蓋施工

魯宇平 胡彥超 張澤忠 范昌宙 成 朋 施向南

中建鋼構有限公司 江蘇 靖江 214532

近年來，隨著我國經濟、技術的飛速發展，大跨度鋼結構已越來越多地被應用于建筑領域，尤其是在各類場館中，大跨度鋼結構技術的應用已越來越成熟[1-2]。同時，計算機技術的飛速發展，使得更多結構新穎、體系復雜、施工難度大的大跨度結構出現在公眾視野中。設計中大跨度結構往往采用鋼結構體系，這是因為鋼材本身具有自重輕、強度大的優點。從最初的單層桁架，發展為雙層桁架再到現在的空間桁架結構體系，大跨度桁架結構類型越來越多樣，結構形式越來越復雜，大跨度鋼結構的施工技術也愈發成熟。本文將重點介紹大跨度雙層雙向曲面桁架鋼屋蓋施工技術，從鋼屋蓋安裝方法選擇、臨時支撐措施、鋼屋蓋卸載等方面介紹大跨度鋼屋蓋施工關鍵技術，為同類工程施工提供參考。

1 工程概況

上海海昌極地海洋公園坐落于上海市浦東新區臨港新城，總用地面積約297 000 m2，規劃總建筑面積約205 000 m2，建成后將成為世界上最先進的第五代大型海洋公園。海豚表演場位于整個公園的東區，其屋頂采用大跨度鋼屋蓋結構形式，為雙層雙向曲面桁架結構體系，鋼屋蓋底標高約為17.88 m，頂標高為22.88 m，主桁架最大跨度59 m，次桁架最大跨度100 m（圖1、圖2），采用相貫焊接節點，所有構件均為圓管截面，構件總數約2 000根，材質均為Q345B。鋼屋蓋與混凝土結構通過支座相連，共布置27個支座，包括雙向滑動支座、單向滑動支座及固定鉸支座。

圖1 海豚館鋼屋蓋示意

圖2 鋼屋蓋主次桁架布置

海豚表演場館內混凝土結構形式復雜，現場施工條件較差，起重設備無法在館內進行施工。施工方法的選擇與制訂尤為重要，本文著重介紹安裝工藝、臨時支撐搭設及鋼屋蓋卸載技術。

2 鋼屋蓋施工的重點及難點

1）海豚表演場結構形式為雙層雙向曲面桁架，主桁架沿縱向布置，次桁架沿橫向布置，且為空間曲面結構體系，跨度大、構件數量多、施工條件差、安裝難度高。必須結合實際施工工況，制訂合理的施工方案，選用最優的分段及吊裝順序。

2）整個海豚表演場共劃分了14個分塊吊裝單元，分塊桁架單元需在地面進行拼裝。地面拼裝的精度是質量控制的重點，若地面拼裝階段管桁架安裝精度出現較大偏差，則會造成高空桁架無法對接的嚴重后果，進而影響整個鋼屋蓋的安裝精度。因此，科學合理的拼裝方法及拼裝胎架布置是管桁架地面拼裝過程中的重點。

3）考慮到大跨度鋼屋蓋施工過程的結構穩定、施工安全及可操作性，安裝過程中在鋼屋蓋底部搭設臨時支撐胎架。支撐胎架的平面布置及立面設計尤為重要，且胎架整體的空間穩定也對海豚表演場的施工安全有著決定性的作用。臨時胎架的設置既要滿足施工階段承載力要求，又不能對下部混凝土結構產生破壞，還需考慮施工方便、安全，且隨著鋼屋蓋的安裝，支撐胎架自身的受力也隨之不斷變化，故支撐結構的設置、計算、分析十分復雜。

4）鋼屋蓋施工完成后，需對支撐結構進行整體卸載，卸載不僅僅是拆除臨時支撐的過程，更是對鋼屋蓋自身加載的過程。隨著卸載過程的進行，荷載在不斷地轉移，結構自身桿件的應力也在不斷變化。且空間桁架結構傳力途徑不明確、桿件受力情況復雜，各節點桿件剛度、強度均不同，空間結構體系平面外穩定性差，卸載過程對鋼屋蓋自身的變形影響較大且造成的沉降不均勻。卸載工藝、卸載順序、卸載方法均會對鋼屋蓋及支撐結構的自身穩定產生一定的影響，支撐結構卸載難度大。

3 施工技術

3.1 大跨度鋼屋蓋安裝

3.1.1 分塊安裝＋高空原位安裝

大跨度桁架常見的安裝方法包括整體提升法、高空原位散裝法、分塊安裝法。由于海豚館鋼屋蓋下方為觀眾看臺及泳池，樓板標高均不在同一高度上，無法滿足在館內進行管桁架地面拼裝的施工條件，且搭設大面積滿堂腳手架的施工難度大，故整體提升法和高空原位散裝法不適合本工程鋼屋蓋的安裝。

考慮以上條件，結合現場塔吊布置，采用分塊安裝與高空原位安裝相結合的施工方法，分塊單元地面拼裝完成后利用300 t汽車吊吊裝，高空原位安裝部分則利用現場的一臺TC7525塔吊進行安裝。

海豚館東北側布置了一臺TC7525塔吊（60 m工作半徑，端部吊重3.9 t），鋼屋蓋靠塔吊一側區域采用高空散裝的施工方法，其余部分采用分塊安裝的方法，安裝順序為從西向東、由北到南（圖3）。

圖3 施工區域劃分及塔吊布置

按照既定的安裝順序及施工方法，利用計算軟件模擬鋼屋蓋動態施工過程，最大位移為4.49 mm＜59 000/400=147.5 mm，最大應力值為38.66 MPa＜310 MPa，均滿足要求。

結構最大應力比為0.27＜0.85，滿足要求，表明施工順序及方法安全可靠。

3.1.2 分塊方案及吊重分析

海豚表演場鋼屋蓋分塊安裝區域共分為14個分塊單元（圖4），分塊單元的劃分須結合汽車吊起重性能（包括現場汽車吊站位）、鋼屋蓋整體安裝順序、現場工況等。考慮以上因素，將鋼屋蓋主桁架、次桁架、環桁架、次桿件及斜撐進行組合，共劃分了14個塊狀單元，分塊單元均采用300 t汽車吊（德瑪格300 t全路面汽車吊：臂長43 m，工作半徑24 m，額定起重質量31 t）進行吊裝，最大一塊分塊單元（單元⑤）面積為12 m×16 m，質量約為27 t，滿足要求。

圖4 分塊單元及吊重分析

3.1.3 現場施工場地規劃及布置

海豚表演場鋼屋蓋施工的同時，現場還有樁基、管廊、土建等多家施工隊，并且鋼屋蓋構件數量多，還涉及地面拼裝、大型汽車吊站位等多個因素，因此現場施工場地的合理布置至關重要，需結合現場施工進度做到構件堆場、拼裝場地的動態調整。

300 t汽車吊共分4個站位（圖5），圖5中虛線為汽車吊行進路線。汽車吊1#站位吊裝①～③、⑤～⑧分塊單元，拼裝作業在A塊場地進行；2#站位吊裝④、⑨分塊單元，3#站位吊裝⑩、?分塊單元，4#站位吊裝?～?分塊單元，該部分的地面拼裝在B塊場地進行。單元間的連系桿件利用80 t汽車吊安裝，其余散裝區域均利用總包TC7525塔吊吊裝。

3.2 地面拼裝工藝

地面拼裝成單元后再分塊吊裝，既可大大減少高空作業量、降低施工危險，也可以提高施工效率與質量，地面拼裝吊裝設備采用一臺25 t汽車吊。

3.2.1 地胎的搭設

由于海豚館鋼屋蓋為空間曲面結構，每榀桁架都存在斜度，桁架之間也有高差，因此地面拼裝必須搭設地胎。地胎搭設須簡易方便，同時也必須保證利于拼裝的精度與焊接質量的控制。

地胎搭設在海豚館西側及南側的空曠場地上，根據分塊單元的大小，標準的地胎面積為12 m×6 m，局部較大單元可對標準地胎進行改造（進行局部接長），地胎統一由高300 mm工字鋼制作而成。在地胎縱向主鋼梁上搭設2排立柱，立柱側面再搭設一根支撐以保證地胎在拼裝階段的側向穩定性，事先在CAD圖紙中放樣得出每個單元內主桁架之間的高差，再根據每榀桁架之間的高差在地胎每根立柱相應高度上焊接2個牛腿，牛腿既可用于支承桁架保證穩定，也是控制其空間相對高度位置的關鍵（圖6）。

圖5 現場施工平面布置

圖6 地胎示意

3.2.2 拼裝精度控制

拼裝精度主要利用全站儀進行控制，選取每榀桁架兩端的上下弦作為控制點（圖7），在平面布置圖中可拉取控制點的平面坐標，再由剖面圖中的標高控制其立面高度（根據高差決定立柱上牛腿的標高位置）。

圖7 控制點選取及標高控制

3.3 支撐結構體系設計

3.3.1 支撐胎架的平面布置

根據海豚館分塊單元的劃分，綜合考慮現場鋼屋蓋下方的混凝土結構，總共設置了12組支撐胎架（圖8）。由于鋼屋蓋為曲面結構，胎架的平面位置決定了胎架立面的高度，所以胎架施工前應事先在圖紙中標出每個胎架支腿及胎架中心的坐標定位，且胎架的支腿必須落在看臺梁上，不得直接落在看臺樓板上（考慮樓板承載力不足），支腿無法直接落在梁上的胎架在其底部搭設轉換梁，將上部荷載傳遞給下方看臺梁。

圖8 支撐胎架平面布置

3.3.2 支撐胎架底座及調節段設計

支撐胎架的立面設計包括胎架底座設計、標準節選用及頂部調節段設計，合理的胎架立面設計是保證順利施工的重點。底座的設計在便于施工的前提下需保證胎架主體平穩；頂部調節段的設計則需保證適宜的安裝、焊接空間，一般調節段高度取600 mm左右。

鋼屋蓋下方為觀眾看臺，樓板為階梯狀，大部分胎架的支腿都無法直接落于同一標高樓板上（存在高差）。先在圖紙中放樣找出胎架每個支腿位置的樓板標高，得出支腿底部高差，利用型鋼搭設轉換梁及胎架底座（圖9），將底座的立柱立于看臺梁上。

此外，胎架的立面設計高度還需考慮鋼屋蓋整體起拱的數值，根據設計要求，海豚表演場鋼屋蓋起拱僅需考慮自重產生的撓度，不考慮其他施工荷載。施工前先利用Midas軟件計算鋼屋蓋在自重下產生的下撓，胎架支撐位置屋蓋設計標高加上該位置下撓的數值即為實際安裝高度。

圖9 胎架底座設計

3.4 支撐胎架卸載

3.4.1 卸載流程

整個屋架結構安裝成形后，需要進行結構卸載。現場擬采取同步、分級的卸載方式。結構卸載后整體最大下沉值50 mm，此時可以分成5次卸載，每次卸載值10 mm，每次卸載時采取工人同步卸載，從中間向兩側進行以保證結構安全。卸載前根據每個胎架頂部的理論下撓值，以10 mm為一格，在頂部調節段上畫出刻度線，每次用火焰切割刀割除10 mm（即一格），待全部胎架都卸載完10 mm后，再割除下一個10 mm。以此類推，若胎架割除的調節段長度已超過理論下撓值而鋼屋蓋還未與胎架脫離，需立即停止卸載，進一步復核后才可進行施工。

3.4.2 卸載過程位移監測

鋼屋蓋卸載前，事先在應力及位移較大處選取12個位移監測點，實時動態監測位移變化，卸載完成后待鋼屋蓋自身荷載全部加載完成，再監測控制點的下撓值，并與計算模擬得出的數值進行對比。測量結果顯示，實際下撓值與模擬下撓值吻合度很高，卸載方案科學可行。

4 結語

針對大跨度鋼屋蓋的施工，常見的安裝方法包括整體提升法、分塊安裝法、原位散裝法，施工方法的選取還需結合現場實際施工工況。根據實際施工條件，本工程采用“分塊安裝＋高空原位安裝”的方法。本文結合工程實例，通過分析大跨度雙層雙向曲面桁架施工技術，介紹了施工方法的選擇、地面拼裝的工藝、支撐結構的布置以及鋼屋蓋卸載技術，取得了一定的施工經驗，可為大跨度鋼屋蓋的施工提供參考。