體育場(chǎng)大懸挑鋼桁架屋蓋吊裝施工技術(shù)

楊佳林

1. 上海建工集團(tuán)股份有限公司 上海 200080；2. 上海超高層建筑智能建造技術(shù)研究中心 上海 200080

1 工程概況

某體育中心體育場(chǎng)鋼屋蓋由18榀大懸挑空間管桁架構(gòu)成主要受力體系。18榀主桁架分成3個(gè)區(qū)塊，每塊6榀主桁架；區(qū)塊之間屋蓋結(jié)構(gòu)完全斷開(kāi)，留有寬300 mm溫度縫。主桁架之間有橫向管桁架支撐。區(qū)塊Ⅰ、Ⅲ設(shè)有3道支撐，場(chǎng)內(nèi)、外各1道平面桁架支撐，支座處1道空間立體支撐；區(qū)塊Ⅱ設(shè)有4道支撐，場(chǎng)內(nèi)、外各1道平面支撐，支座及場(chǎng)內(nèi)各1道空間立體支撐（圖1）。

圖1 體育場(chǎng)屋蓋鋼結(jié)構(gòu)三維示意

大懸挑主桁架由2個(gè)鋼半球支座、2個(gè)“W”形支撐和平行四邊形斷面的空間管桁架組成，最大斷面為6.6 m×4.0 m，區(qū)塊邊緣的主桁架一側(cè)設(shè)有屋面懸挑支架（圖2）。①～⑥軸為區(qū)塊Ⅰ，主桁架長(zhǎng)度由39.594 m呈扇形過(guò)渡至63.767 m，單榀桁架結(jié)構(gòu)質(zhì)量由20.75 t增加至55.74 t。⑦～ 軸線為區(qū)塊Ⅱ，主桁架長(zhǎng)度由66.04 m呈扇形過(guò)渡至69.086 m，單榀桁架結(jié)構(gòu)質(zhì)量由59.91 t增加至63.96 t。

～ 軸線為區(qū)塊Ⅲ，主桁架長(zhǎng)度由65.912 m呈扇形過(guò)渡至48.712 m，單榀桁架結(jié)構(gòu)質(zhì)量由63.22 t減少至26.48 t。每個(gè)區(qū)塊的桁架上弦最高點(diǎn)與下弦最低點(diǎn)高差10 m，上弦最高點(diǎn)至柱子支座處高差達(dá)15 m。大懸挑鋼桁架最長(zhǎng)為69.086 m，質(zhì)量為63.96 t，最大懸挑長(zhǎng)度為46.295 m。大懸挑主桁架結(jié)構(gòu)桿件截面規(guī)格為φ114 mm×4 mm～φ351 mm×20 mm。半球支座有2種類(lèi)型，前支座為受壓球鉸支座，后支座為受拉支座（圖3）。橫向支撐根據(jù)位置不同分別采用平面和空間管桁架設(shè)計(jì)（圖4），橫向支撐單榀最重為L(zhǎng)TC1，質(zhì)量為6.2 t。整個(gè)鋼屋蓋總質(zhì)量約1 150 t。

2 工程特點(diǎn)及難點(diǎn)

大懸挑主桁架最大長(zhǎng)度為70 m，質(zhì)量約64 t。若整體吊裝，吊機(jī)作業(yè)半徑約40 m，對(duì)起重機(jī)械要求高。鋼屋蓋吊裝時(shí)，下部的混凝土看臺(tái)已經(jīng)施工完畢。此外，本工程場(chǎng)外＋5.70 m標(biāo)高的大面積混凝土結(jié)構(gòu)平臺(tái)已經(jīng)施工完畢。若考慮在場(chǎng)外吊裝，起重機(jī)停機(jī)位置位于平臺(tái)外側(cè)，作業(yè)半徑達(dá)到近60 m。而平臺(tái)的承載能力不能滿足大型起重機(jī)開(kāi)行及停機(jī)作業(yè)要求。同時(shí)，吊裝方案的選擇應(yīng)充分考慮經(jīng)濟(jì)性等因素。

圖2 單榀主桁架示意

圖3 大懸挑鋼桁架半球支座

圖4 橫向支撐

從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)看，單榀大懸挑主桁架是不穩(wěn)定的，只有相鄰2榀桁架及之間的橫向支撐（抑或更多桁架）完成后，方可成為穩(wěn)定體系。因此，施工階段的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定是需要解決的重點(diǎn)之一[1-2]。主桁架懸挑長(zhǎng)度超長(zhǎng)，最大懸挑長(zhǎng)度為46.295 m。安裝過(guò)程中臨時(shí)支撐的設(shè)計(jì)也是一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。

3 總體技術(shù)路線及吊裝流程

在鋼結(jié)構(gòu)吊裝總體技術(shù)路線確定之前，我們先對(duì)鋼屋蓋結(jié)構(gòu)的組成進(jìn)行了分析。從設(shè)計(jì)圖紙看，單榀平行四邊形立體管桁架通過(guò)8根桿件支撐于2個(gè)半圓形球節(jié)點(diǎn)支座，8根桿件組成空間“W”形，每4根桿件交于同一個(gè)半球節(jié)點(diǎn)支座。半球支座根據(jù)其構(gòu)造，只能單獨(dú)安裝，不能與“W”形支撐整體安裝?！癢”形支撐若與主桁架組成一體后吊裝，則構(gòu)件體形復(fù)雜、尺寸相對(duì)更大。地面拼裝時(shí)若立拼，則拼裝高度超高，安全性及操作便利性均不好；若平拼，則起扳回直困難。此外，18榀桁架的半球形支座空間定位各不相同，整體吊裝的相對(duì)技術(shù)難度較大。

在對(duì)結(jié)構(gòu)的組成進(jìn)行充分認(rèn)識(shí)后，綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和安全性等因素，選擇了如下的總體吊裝技術(shù)路線：“W”形支撐采用散件安裝，由臨時(shí)支撐固定；主桁架采用1臺(tái)300 t履帶吊在場(chǎng)內(nèi)，分前后2段安裝，后段又采用分片安裝（其中HJ1a、HJ1b、HJ3e、HJ3f主桁架，除去“W” 形支撐后，可以整體吊裝）。橫向支撐采用整體吊裝，零星構(gòu)件補(bǔ)缺安裝。

4 鋼結(jié)構(gòu)安裝工藝

4.1 鋼結(jié)構(gòu)地面拼裝

由于桁架斷面尺寸大，超出常規(guī)運(yùn)輸規(guī)格，故散件運(yùn)輸至體育場(chǎng)內(nèi)，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行擴(kuò)大組裝。由于桁架超高（最高處為7 m），采用立拼時(shí)，胎架過(guò)高，高空作業(yè)太多，不經(jīng)濟(jì)也不安全，因此采用臥拼方案（圖5）。在體育場(chǎng)內(nèi)外各設(shè)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件堆場(chǎng)及拼裝場(chǎng)地。體育場(chǎng)外的堆場(chǎng)及拼裝場(chǎng)地設(shè)在＋5.70 m混凝土平臺(tái)上，滿足支撐SC2地面拼裝及場(chǎng)外臨時(shí)支撐的組裝要求。體育場(chǎng)內(nèi)的堆場(chǎng)及拼裝場(chǎng)地設(shè)在300 t履帶吊開(kāi)行道路外側(cè)，場(chǎng)地要求平整、夯實(shí)，面層鋪設(shè)厚150 mm碎石，壓實(shí)抄平。場(chǎng)外采用25 t汽車(chē)吊上＋5.70 m標(biāo)高平臺(tái)輔助拼裝，場(chǎng)內(nèi)拼裝起重機(jī)械安排50 t履帶吊。

4.2 半球形鋼支座及“W”形支撐安裝

首先在埋件表面畫(huà)出縱橫正交定位軸線，復(fù)測(cè)埋件軸線及標(biāo)高，然后安裝支座底板。根據(jù)設(shè)計(jì)說(shuō)明，安裝時(shí)若發(fā)現(xiàn)鋼構(gòu)件與預(yù)埋件之間的距離小于10 mm，可采用焊縫調(diào)節(jié)。若大于10 mm，則增加過(guò)渡板，板厚≥20 mm，數(shù)量不多于2塊。過(guò)渡板與預(yù)埋件之間采用角焊縫一周，焊腳高同板厚。底板安裝完后，對(duì)于受壓支座，固定地腳螺栓；對(duì)于受拉支座，張拉預(yù)應(yīng)力鋼絞線。最后，采用25 t汽車(chē)吊輔助安裝支座加勁肋及球瓣。受壓半球支座為可轉(zhuǎn)動(dòng)的鉸支座，為避免在上部鋼結(jié)構(gòu)安裝時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，安裝完后用鋼板臨時(shí)固定。

所有的“W”形支撐均采取散裝。由于支撐呈雙向傾斜姿態(tài)，故需設(shè)置臨時(shí)支撐。支撐采用型鋼與腳手鋼管組合形式?！癢”形支撐采用25 t汽車(chē)吊停機(jī)于場(chǎng)外＋5.70 m混凝土平臺(tái)上吊裝。每榀桁架的“W”形支撐安裝完后，用槽鋼將其連成臨時(shí)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。

4.3 大懸挑主桁架安裝

不同長(zhǎng)度的主桁架根據(jù)其自身質(zhì)量、300 t履帶吊起重性能，有不同的安裝方法。HJ1a、HJ1b、HJ3e、HJ3f主桁架的質(zhì)量分別為18.67、17.57、26.34、23.27 t，吊裝半徑均小于38 m，可以采用300 t履帶吊單機(jī)整榀安裝。

其余14榀主桁架采用前后分段、后段分片的方法，采用300 t履帶吊單機(jī)吊裝。

4.3.1 后段分片吊裝

先采用300 t履帶吊安裝單榀桁架的右片（從場(chǎng)內(nèi)看）。單片桁架下部的3個(gè)球擱置到已經(jīng)完成的“W”形支撐上，即表明桁架安裝到位。同時(shí)上弦拉設(shè)3道纜風(fēng)繩，纜風(fēng)繩固定在混凝土結(jié)構(gòu)上。然后再安裝單榀桁架的左片。安裝到位后，采用3道屋架支撐與右片桁架連成整體（圖6）。2片桁架的垂直度校正采用纜風(fēng)繩及屋架支撐進(jìn)行，先用纜風(fēng)繩校正一片，校正好后通過(guò)屋架支撐校正另一片。2片桁架之間的間距通過(guò)屋架支撐調(diào)節(jié)。桁架校正好后，安裝2片之間的腹桿。

圖5 主桁架臥拼胎架示意

圖6 桁架后段分片安裝側(cè)向穩(wěn)定措施

4.3.2 前段整體吊裝

桁架前段采用300 t履帶吊整體安裝。安裝前先設(shè)置格構(gòu)式支撐。前段桁架起吊到位后，與后段桁架通過(guò)臨時(shí)耳板連接；前段桁架拉設(shè)2道纜風(fēng)繩，作桁架校正用，纜風(fēng)繩拉結(jié)于桁架上弦。桁架校正好后，焊接弦桿對(duì)接焊縫，補(bǔ)缺腹桿。全部完成后，纜風(fēng)繩仍保持不松。待相鄰2榀桁架之間的橫向支撐安裝完后，可以拆除前1榀桁架的纜風(fēng)繩。

4.4 橫向支撐安裝

橫向支撐有4種形式，其中位于桁架兩端頭的SC1（場(chǎng)內(nèi)）、SC2（場(chǎng)外）支撐，為平面管桁架；位于支座處以及跨中的LTC支撐，為立體管桁架。原則上，支撐在地面組拼后再高空安裝。

LTC1～LTC15支撐位于主桁架支座處。為保證主桁架的穩(wěn)定，每相鄰2榀主桁架（后段）安裝完后，就應(yīng)及時(shí)安裝該支撐?？紤]到LTC支撐起吊時(shí)比較零散，在地面拼裝時(shí)采用臨時(shí)型鋼加固，使其形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)體系。

4.5 臨時(shí)支撐的安裝、卸載與拆除

大懸挑主桁架采用格構(gòu)式臨時(shí)支撐輔助安裝。每榀桁架下設(shè)2組格構(gòu)式支撐，分別支承桁架的2根下弦桿。2組支撐之間用型鋼連系，形成單向穩(wěn)定的體系；另一個(gè)方向通過(guò)前后的纜風(fēng)繩穩(wěn)定。纜風(fēng)繩固定在混凝土結(jié)構(gòu)上。臨時(shí)支撐落腳點(diǎn)為混凝土看臺(tái)橫向大梁上，由于看臺(tái)臺(tái)階的存在，支撐底部里邊2個(gè)腳直接坐在看臺(tái)臺(tái)階上的埋件上，外邊2個(gè)腳用鋼梁找平（圖7）。

圖7 主桁架臨時(shí)支撐示意

根據(jù)鋼屋蓋結(jié)構(gòu)平面布置，整個(gè)屋蓋設(shè)置了2道溫度縫，將屋蓋分為3個(gè)結(jié)構(gòu)上獨(dú)立的區(qū)塊。因此，臨時(shí)支撐在每個(gè)區(qū)塊的鋼屋蓋結(jié)構(gòu)安裝完后即可進(jìn)行支撐卸載，并予以拆除，周轉(zhuǎn)至后續(xù)主桁架處。

臨時(shí)支撐的卸載過(guò)程同時(shí)也是鋼屋蓋結(jié)構(gòu)的承載過(guò)程。在整個(gè)卸載過(guò)程中，必須保證臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)及鋼屋蓋結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形在限定要求內(nèi)[3-4]。利用有限元結(jié)構(gòu)分析軟件對(duì)鋼屋蓋進(jìn)行整體建模和加載，得到鋼屋蓋自重作用下主桁架在臨時(shí)支撐點(diǎn)處的變形值，以此確定支撐卸載位移量。卸載過(guò)程分步驟平緩進(jìn)行，每步的位移下降量根據(jù)總變形值再細(xì)分。在臨時(shí)支撐卸載前，應(yīng)先除去受壓支座的臨時(shí)固定鋼板。卸載工具采用16 t螺旋千斤頂，每個(gè)支撐處設(shè)置2個(gè)。卸載作業(yè)點(diǎn)設(shè)置在臨時(shí)支撐頂部。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)該體育場(chǎng)鋼屋蓋結(jié)構(gòu)的深入理解和分析，因地制宜地制定了鋼結(jié)構(gòu)吊裝方案。針對(duì)大懸挑鋼桁架，通過(guò)合理分段，采用臨時(shí)支撐輔助，解決了其相關(guān)的吊裝技術(shù)問(wèn)題。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，證明所選擇的施工方案是行之有效的，可為類(lèi)似工程提供借鑒。