體育場鋼勁性混凝土、鋼結構和索膜罩棚結構相結合的施工技術

何建波 陳少華

上海綠地建筑工程有限公司 上海 200232

1 工程概況

1.1 建筑概況

海口市五源河體育場主體結構由混凝土看臺結構和屋蓋罩棚結構組成，兩者共同受力并形成整體。混凝土看臺結構通過變形縫劃分為東、西看臺2個獨立的結構單元；屋蓋罩棚對應看臺結構變形縫劃分為獨立的結構單元，并分別支承在看臺結構上，體育場南北長約250 m，東西長約268 m（圖1）。

圖1 工程效果圖

1.2 看臺內部鋼結構

本工程東、西看臺主體結構分別為鋼筋混凝土框架結構、鋼筋混凝土框-剪與消能黏滯阻尼器結合的結構形式。看臺部分構件采用型鋼混凝土梁、柱及鋼柱的形式。型鋼混凝土柱主要為十字勁性柱，少部分為H形勁性柱及箱形勁性柱；型鋼混凝土梁為H型鋼梁。西看臺外排斜柱采用箱形鋼柱，內排斜柱采用十字形鋼柱。

1.3 西看臺屋蓋罩棚結構

西看臺屋蓋罩棚結構由上下壓環梁結構體系和索桁架結構兩部分組成。最外側的上下壓環梁體系主要由圓管與斜撐組成，下壓環梁截面是φ1.2 m的圓管，板厚為30、40 mm，上壓環梁截面是φ1.5 m的圓管，板厚為30、35、40、45 mm，圓管之間采用法蘭連接，下壓環梁與滑移支座通過短柱連接；內側索結構由20榀索桁架組成，最大懸挑尺寸65.6 m，最低點標高為16.315 m，最高點標高60.923 m。內環索直徑為115 mm，上徑向索直徑為90～100 mm，下徑向索直徑為90～95 mm，懸掛索直徑為24～32 mm。

1.4 東看臺罩棚承重結構

東看臺罩棚承重結構主要采用傾斜的“7”字形變截面傾斜柱和懸挑鋼梁組成。傾斜柱采用□450 mm×200 mm×20 mm×20 mm，懸挑梁采用□（450～150） mm×200 mm×20 mm×20 mm，柱腳與看臺埋件通過焊接方式連接。

2 施工難點分析

本工程中結構構造復雜，型鋼柱、梁規格類別多，節點構造復雜，深化設計工作量大、難度大，如何保證深化設計的及時、準確也是一大難點。

1）鋼結構安裝過程中，結構不但受風荷載的影響，而且也會因日照和溫度等天氣變化而變化，使結構的空間位置始終處于動態變化狀態，勁性斜柱最大垂直高度達34 m，斜度達到26°，空間定位復雜、測量放線難度大，對測量控制的方法和測量精度提出了高要求，現場安裝測量控制也是本工程一大難點。

2）由于結構構造復雜、構件截面尺寸大，制作、運輸、安裝難度大，尤其是①、?軸線內環索支座部位單支構件逾52 t；罩棚上下的壓環梁制作、安裝，及燈塔結構制作、安裝（安裝高達60.923 m），也是工程中的難點。

3）本工程中鋼構件現場焊接工作量大，大部位構件板厚均在35 mm以上，南北兩端環索支座部位最厚板厚達150 mm，在焊接過程中容易產生根部裂紋、表面裂紋、層狀撕裂、焊接效率低、焊接應力大、焊縫組織粗大、沖擊韌性較低等焊接問題，如何保證焊接質量也是本工程的一大難點。

4）本工程中西看臺的罩棚采用索膜結構，徑向最大懸挑尺寸為65.6 m，內環索跨度達227 m，施工過程復雜。如何擬訂施工方案，保證施工完成后達到設計要求同樣是本工程一大難點。

3 施工階段過程控制要點

3.1 施工總體工藝流程

本工程鋼結構總體施工順序為：看臺基礎內錨栓預埋→東西看臺±0.00 m以下結構施工→土建地下室施工→東西看臺±0.00 m以上結構施工→土建地上結構施工→東西屋面罩棚結構施工→燈塔結構施工→索結構施工→膜結構施工→完成鋼結構主體工程→其他零星部位施工。

3.2 鋼結構測量放線要點

1）移交資料的復測。復測場區平面控制網、高程控制網及同鋼結構關聯的土建結構相互關系。

2）平面控制網的建立。構建鋼結構專用平面控制網、控制點應不受施工影響，且使用方便和通視。

3）控制網布設原則。遵循“先整體，后局部”的二次布網原則。

4）平面控制點選擇。平面控制點應兩兩通視、土質堅硬穩固，便于點位長期保存、采用混凝土標樁埋設。

5）高程控制網的建立。高程控制網的水準點直接布設在平面控制網的網點上，并按照路線進行各水準點間的閉合觀測。

6）構件安裝的測量校正。測量校正包括鋼柱地腳螺栓、鋼柱、鋼梁、網架及桁架等。

7）構件安裝的變形監測。主要為結構變形及沉降觀測，在勁性結構安裝完成后設置變形監控點，并在構件施工過程、每一施工段完成，最后主結構施工完成時，通過設置的變形監測點的變形值分別進行記錄并匯總。

3.3 鋼結構加工制作控制要點

1）焊接H型鋼加工制作。制作主要難點是H型鋼組裝時的裝配精度控制、焊接變形控制和H型鋼的整體收縮應力的控制。利用H型鋼生產線來確保H型鋼的標準統一，采用自動組立機來控制裝配精度，選用先進的焊接工藝來控制焊接變形，采取機械校正來保證其外形尺寸的正確性。

2）箱形構件加工制作。選用德國進口的ESAB數控切割機，坡口加工采用半自動切割機兩邊同時加工，保證鋼板兩邊受熱均等，不產生旁彎和變形；采用BOX專用組立機，確保箱形構件隔板的定位精度及形位公差；使用美國林肯雙弧雙絲焊機，控制BOX焊接（埋弧焊）的質量；利用軌道式搖臂鉆，保證鉆電渣焊孔的精度；選取日本進口電渣焊機，確保電渣焊的焊接質量；選擇割槍、端面銑、美國八拋頭拋丸機、德國高壓無氣噴涂機，以確保切帽口、校正、銑端面、拋丸涂裝等的質量。

3）十字柱加工制造。現場制作簡易胎架（圖2），保證下料和裝配的準確度。

圖2 十字柱組對簡易胎架

3.4 鋼結構焊接質量控制要點

本工程鋼結構安裝階段的焊接主要有焊接圓管、H型鋼、箱形構件、鋼圓管等構件的焊接，尤其是厚板的焊接等，現場采取合理有效的焊接技術、焊接工藝以控制焊接質量。

1）焊接人員的確定。選定經專項培訓、取得中級及以上職稱并有一年以上焊接經驗的焊接技術責任人員；挑選經專項培訓、有焊接實踐經驗并具有質檢上崗資質證的焊接質檢人員。

2）焊接工藝方法及焊接設備。主要焊接方法有手工電弧焊、CO2氣體保護焊等；使用的主要焊接設備有：直流手工電弧焊機、交流手工電弧焊焊機、CO2氣體保護焊機、焊接材料烘焙設備及焊條保溫筒等。

3）引弧板、引出板和襯墊板的設置。其鋼材強度小于被焊鋼材強度，且具有與其相近的焊接性；在接頭端部應設置焊縫引弧板、引出板，并在其延長線上引弧和終止；鋼襯墊應與接頭母材金屬貼合良好，焊縫連續；且有足夠的厚度以防止燒穿，并保證鋼襯墊與焊縫金屬熔合良好。

4）厚板焊接工藝的選定。選用合理的接頭坡口形式、低氫焊接材料；采用多層窄焊道焊接來確保韌性；分層焊接的每道焊縫收頭錯開50 mm，控制層間溫度高于預熱溫度，必要時進行中間消氫熱處理；焊后處理采用后熱和消氫處理。

3.5 鋼結構安裝控制要點

1）預埋錨栓安裝。混凝土墊層澆搗完成后，綁扎鋼筋、埋設錨栓，對預埋錨栓進行平面定位，安裝定位板并調至設計標高，固定預埋錨栓，使其在混凝土澆搗時不產生位移，預埋錨栓安裝完畢后，土建進行支模，然后澆筑混凝土。

2）南北剪力墻處勁性鋼結構安裝。根據吊裝機械分段，采用2層一節，較重鋼柱按照1層一節進行分段。勁性鋼梁采用塔吊吊裝。南北側剪力墻內壓環梁支座質量為52 t，采用600 t履帶吊四點安裝。

3）西看臺上壓環梁臨時支撐布置。臨時支撐均按照壓環梁結構的正投影位置布置，且設置在壓環梁節點附近，每個節點處設置1組臨時支撐，臨時支撐垂直設置在壓環梁結構下方的混凝土結構看臺上。臨時支撐主要設置在混凝土梁或混凝土梁與混凝土柱交接位置（圖3）。但是ZC-2支撐設立位置正好處于4層和5層看臺內邊沿的懸挑結構處，此處懸挑結構板薄，不便加固，此懸挑的混凝土結構施工時已預留支撐安裝位置的懸挑樓板暫不施工，待鋼結構施工完成，拆除臨時支撐時，再對該處進行補缺。

圖3 臨時支撐設置立面示意

4）西看臺屋面罩棚鋼結構安裝。安裝前，對西看臺壓環梁吊裝工況進行分析，選取支座最低位置，此時構件長約18 m，質量約34.6 t。南北兩側同時吊裝并安裝壓環梁，中間段最后施工。

5）東看臺屋面罩棚鋼結構安裝。東看臺上部的罩棚結構截面為L形、箱形變截面結構，鋼柱下部與混凝土柱頂部預埋件焊接連接。罩棚鋼結構懸挑長約4.5 m，結構吊裝采用分片地面拼裝后整片一次性吊裝就位。根據吊裝工況分析，罩棚結構拼裝后，共計54片吊裝單元，每片質量約1.6 t，罩棚安裝后頂部最高標高21 m，吊裝使用100 t履帶吊。履帶吊采用主臂工況，臂長54 m，吊裝半徑33 m時，起吊高度達44 m，額定吊裝質量滿足吊裝要求。

3.6 索膜罩棚結構安裝控制要點

3.6.1 ?索結構安裝

1）環索的鋪放。先鋪設環索操作平臺，搭設高度為2～3 m。然后利用3臺吊車將最內側環索吊放到操作平臺并依次鋪放其他位置環索。

2）吊裝索夾。利用吊車吊裝索夾，將下層環索與索夾相連，利用倒鏈和橫擔將拉索提升至索槽，然后擰緊蓋板螺母。再按照鋪放下索的方法鋪放上索，將標記點對齊并擰緊蓋板螺母。

3.6.2 ?索網張拉

1）張拉的先序工作。主要有拉索連接板后焊并驗收、索網低空組裝、所有拉索及其連接檢查、索網與周邊鋼構連接檢查、周邊鋼構及其支撐的穩定可靠性檢查等，結構構件和附屬構件（如支架、纜風繩等）不得阻礙索網的張拉提升路徑的檢查，以及張拉提升設備校驗檢查等。

2）張拉提升的施工。張拉過程中應確保整體位形與理論分析基本相符，幾何穩定，拉索不出現扭轉。對模擬張拉過程進行施工全過程力學分析并預控；張拉過程中工裝索張拉長度與理論值的偏差小于25 mm、張拉過程中張拉力與理論值的偏差小于20%。

3）提升張拉過程。通過分級加載試提升，觀察和監測提升索網、外圍結構以及張拉提升設備系統和工裝的動態過程，復核模擬工況計算和設計條件，保證張拉提升過程的安全。

4）正式張拉提升。對整個索網一步步張拉提升，直至徑向索與外圍環梁連接就位等過程隨時進行檢查，即千斤頂受載均勻，張拉提升承重和液壓動力等監視系統處于正常狀態。

5）張拉提升就位。當索頭與外圍環梁連接就位時，在空中停留一段時間，利用自鎖裝置長期可靠鎖定，液壓千斤頂卸載、拆除，完成張拉提升。

6）設備卸載、拆除。索網與環梁連接就位后，張拉提升設備卸載和拆除。在確認各部分無異常的情況下，可卸載至100%，使張拉工裝索不再受力。

7）重復上述步驟，繼續張拉下一批拉索，直至整個索網施工完畢。

4 結語

本工程為鋼勁性混凝土、鋼結構和索膜罩棚索膜結構相結合的復雜結構，通過采用針對性的施工工藝，克服了施工過程中的諸多難題，最終順利完成了施工，也形成了一套鋼筋混凝土、鋼結構和索膜結構相結合的施工技術成果，為后續類似體育場施工提供了可借鑒的經驗。