大跨度多截面板式組合桁架與管桁架組合屋面結構施工研究

段 波

中國建筑第二工程局有限公司西南分公司 重慶 400020

1 工程概況

本案例工程為某大型的體育場館，屋面結構為大跨度多截面板式組合桁架與管桁架組合屋面，整個建筑鋼結構施工體系主要由核心支撐筒、鋼樓梯、樓層框架梁柱、穹頂桁架、金屬屋面以及屋頂蜂窩梁組成，總建筑面積為1 151 072 m2。作為大型的體育賽事場館，該地標性建筑物分為地上4層、地下1層，預計從建設施工到正式投入運營，將耗用3.8萬 t鋼材（圖1）。

本建筑工程主體結構剖面分別由異截面大跨度管桁架、鋼板墻、箱形H鋼梁、巨型圓管柱以及板式桁架組成，其組合桁架與管桁架屋面結構立于分別由厚型鋼板和圓形鋼管組合而成的穹頂核心支撐筒上，立面結構形式為2片曲面翼型形式。為了有效減少復合屋面結構自重，施工時擬在2片曲面翼型厚鋼板腹板區開設孔口，充分釋放該處積聚的應力。大跨度多截面板式組合桁架與管桁架屋面結構包括主、次、平面3種形式的桁架，榀數分別為146榀、210榀、117榀。

圖1 建筑物總體效果示意

2 施工難點及重點

1）本建筑工程項目大跨度多截面板式組合桁架與管桁架組合屋面結構施工為高空作業，加之大跨度桁架結構體系受力復雜，連接形式變化多樣，所以在施工時，需充分考慮組合桁架結構的整體剛度、受力穩定性。

2）屋面桁架結構跨度大，高度高，在桁架結構安裝施工時，宜采用鋼板提高屋蓋整體穩定性。而在吊裝作業時，還應在多截面板式組合桁架腹板與上翼緣適當預留“蜂窩狀”孔洞（圖2）。

圖2 大跨度桁架結構體系多截面組合示意

3）選用吊裝方法時，應充分考慮設計受力要求，本工程多截面板式組合桁架下翼緣宜采用圓管，同時需嚴格控制屋面巨型板式組合桁架構件高寬比。為了有效減少多截面板式組合桁架結構用鋼量，其最大截面高度應控制在2.76 m左右。

4）本工程屋蓋整體穩定性要求高，尤其是組合桁架傾斜角度大，且屋面巨型板式組合桁架安裝軸線跨度達41 m，因此施工時組合桁架安裝、吊裝精度控制要求高，作業風險大。

5）大跨度多截面板式組合桁架與管桁架組合屋面結構主、次桁架，鋼柱及屋面平面桁架桿件連接均為剛接節點，質量要求高，截面焊接量大。

3 施工結構體系

本建筑工程大跨度多截面板式組合桁架與管桁架組合屋面整體結構體系分別由次桁架和邊桁架組成的平面管桁架與主、次桁架水平撐構成。如圖3所示，鋼桁架下翼緣為圓鋼管，型號規格為φ440 mm×12 mm，主桁架質量為36.7 t，長42 m，其截面最大尺寸為H2 600 mm×500 mm×23 mm×36 mm/460 mm×16 mm，屋面桁架結構最高、最大實際安裝標高分別為68.230 m和22.558 m。

圖3 大跨度桁架結構體系三維示意

本項目大跨度多截面板式組合桁架與管桁架組合屋面屋頂呈“空間弧形”狀，最高位置標高、最大懸挑長度分別達68.25 m和12.50 m。建筑物主場館范圍內的屋頂主桁架左端與館外兩側屋頂結構的鋼柱支撐連接，另一端（右端）則與支撐在穹頂桁架上的核心支撐筒相連。主場館外兩側屋頂結構支撐筒主要由φ900 mm×25 mm、φ580 mm×30 mm、φ479 mm×15 mm以及φ476 mm× 16 mm以及φ405 mm×15 mm等幾種不同型號規格的鋼圓管構成，屋頂主桁架邊緣存在大量長達12.5 m左右的懸挑結構。

4 施工技術方案

根據本建筑工程項目施工特點及技術實施重點、難點，在充分考慮管桁架組合屋面剖面結構形式的基礎上，在大跨度多截面板式組合桁架與管桁架組合屋面結構施工過程中，宜優先采用塔式起重機對施工現場5層結構以上的屋面主桁架鋼柱進行安裝，再依次安裝次桁架、平面桁架等各區屋面結構。待安裝穹頂支撐筒結構施工作業完畢以后，方可安裝屋面主桁架穹頂位置屋面桁架結構[1-3]。

由于本建筑工程項目大跨度多截面板式組合桁架與管桁架質量大，施工體系結構跨度大（均為9 m左右），且屋面主桁架、次桁架梁均有較大的截面，所以在現場起重安裝施工時，應嚴格按照屋面主桁架→次桁架→邊桁架或管桁架的安裝施工順序進行屋面結構的安裝作業[4]。結合現場起重施工的技術工況，本研究制定的大跨度多截面板式組合桁架與管桁架組合屋面整體桁架安裝施工技術方案圖4所示。

圖4 施工技術方案

在具體施工過程中，具體施工內容如下[5]：

1）采用起重機整榀吊裝滿足現場起重施工能力的大跨度多截面板式組合桁架，并分段吊裝其余無法滿足現場起重機起重能力的大跨度多截面板式管桁架。

2）結合現場實際施工情況，將臨時施工支撐架分別搭設于無鋼柱支撐的大跨度多截面板式組合桁架與管桁架分段部位。

3）待安裝焊接完成大跨度多截面板式組合桁架與管桁架組合屋面的結構體系以后，再對次桁架梁進行安裝施工作業。

5 施工工藝流程及關鍵技術措施

5.1 施工工藝流程

1）基于Tekla軟件建模，模擬優化大跨度多截面板式組合桁架與管桁架組合屋面結構施工工藝，深化組合桁架連接節點，通過有效分析大跨度多截面組合屋面結構桁架連接節點受力情況，繪制構件圖紙，保證連接板、定位板、桁架構件制作加工及對接接口的安裝精度[6]。

2）為了減少施工成本，將支撐胎架支設于穹頂區域加固，并安裝搭設與鋼柱連接的斜撐、桁架，采用拉索與支撐柱安裝主桁架，使其與托梁連接。

3）安裝于大跨度多截面板式組合桁架與管桁架組合屋面穹頂桁架結構中的主桁架本身具有較大的結構跨度，所以其尾端支撐點應采用“倒八爪”形式將其有效固定在穹頂環帶桁架之上。另外，因位于環帶桁架主桁架連接節點處的“八爪”結構支撐難以準確定位，因此在施工時，應優先安裝板式組合主桁架，后安裝結構支撐“八爪”[7]。通過定位分析，準確提取胎架支撐的最佳加固精確點位及安裝點位三維空間坐標，由此根據模擬分析結果設置穹頂上主桁架的支撐加固胎架，保證安裝施工精度和準確度。

4）根據模擬分析得到的大跨度多截面板式組合桁架與管桁架組合屋面結構跨度，施工時采用整榀吊裝部分桁架，而對于無需使用支撐，且跨度較大的主板式桁架，應根據現場施工技術條件及起重機作業工況，按照如圖5所示的方案分段處理桁架[8]。

圖5 大跨度多截面板式組合桁架與管桁架組合分段安裝步驟

在分段安裝施工的基礎上，使用2臺塔機高空對接安裝大跨度的主板式桁架。通過對桁架分段處理安裝的對接點三維坐標數據進行監測、記錄，在滿足吊裝荷載、塔機覆蓋范圍的前提下，提高桁架的安裝精度[9]。

5）首先應設置拼裝操作架，通過準確測量并校正其高度、寬度及長度值，才能在地面準確拼裝平面管桁架。其次，應建立控制桁架桿件位置的網格，測量放線各點空間位置，有效設置平面管桁架桿件限位塊，保證地面拼裝焊接質量和精度。

6）安裝板式桁架后，采用Tekla軟件建立模型，進一步模擬分析大跨度板式桁架結構安裝施工時的各點受力情況，分析卸載工況，通過測量控制變形，平穩拆除和卸載大跨度板式桁架胎架支撐結構。

7）基于Tekla軟件模擬優化后的施工工序，將主、次桁架作為大跨度多截面板式組合桁架與管桁架組合屋面結構施工的主體框架，同時連接主、次桁架與平面管桁架，形成屋面整體受力穩定的輪廓形態和結構框架。

5.2 關鍵施工技術措施

5.2.1 設置桁架連接節點

采用“栓焊”連接主桁架連接節點，通過設置如圖6所示的桁架連接托座，有效連接鋼柱與桁架、桁架與桁架。同時基于單夾板高強螺栓和全熔透焊接連接桁架與托座以及后腹板，上翼緣與下翼緣桿件、連接板則分別采用全熔透焊接和圍焊處理，保證大跨度多截面板式組合桁架與管桁架組合屋面桁架連接、安裝施工精度與剛度。

圖6 大跨度多截面板式組合桁架與管桁架分段連接點

5.2.2 桁架分段施工

在大跨度多截面板式組合桁架與管桁架組合屋面主桁架吊裝施工時，應設置用于臨時加固的支撐胎架，并通過桁架分段模擬深化設計，將屋面主桁架分為1段、2段、3段這3個不同的小段進行安裝。如圖6所示，中間為1大段，兩側為2小段，長度均≤6 m，通過連接主桁架與封頂鋼柱，對屋面桁架施工胎架進行加固[10]。

5.2.3 臨時支撐優化及固定

圖7為經Tekla軟件建模優化后的大跨度多截面板式組合桁架與管桁架結構臨時支撐設計方案，通過模擬計算及分析可知，臨時支撐加固施工時的斜支撐采用了熱軋型鋼，型號規格為HN150 mm×100 mm×4.5 mm×6 mm。通過與鋼柱連接，有效增強了臨時斜支撐的穩定性與可靠性。同時，采用倒鏈及拉鎖、支撐柱等輔助措施，對大跨度多截面板式組合桁架主桁架結構進行臨時固定，使其與托梁穩定連接。

圖7 大跨度多截面板式組合桁架主桁架結構臨時支撐優化及固定

5.2.4 安裝穹頂桁架

由于安裝于穹頂桁架之上的大跨度多截面板式組合桁架主桁架結構跨度大，而且其尾端支撐點通過“倒八爪”形式固定于穹頂環帶桁架上，所以在安裝穹頂桁架施工時，應優先安裝與托梁連接的大跨度多截面板式組合主桁架[11]，然后才能安裝如圖8所示的穹頂環帶桁架結構“支撐八爪”臨時加固桁架。

圖8 大跨度多截面板式組合桁架穹頂環帶桁架結構“支撐八爪”

按照如圖8所示措施安裝大跨度多截面板式組合桁架穹頂環帶桁架結構“支撐八爪”之后，需在拱形的穹頂上弦桿件結構上放置向下有一個傾斜角度的支撐，如圖9所示。完成安裝施工作業任務后，再根據支撐點位坐標，對穹頂上弦桿件處的支撐結構點坐標進行找平，確保轉換梁均衡、穩定受力。待完成安裝后，最后再安裝標準節底座與轉換梁，放置支撐調節頂座和標準節支撐。同時分別采用2根HN200 mm×150 mm×6 mm×9 mm和HN350 mm×175 mm×7 mm×11 mm熱軋型鋼斜支撐，并排焊接于穹頂上弦桿處放置的大跨度多截面板式組合桁架穹頂環帶桁架標準支撐底座與轉換底座，確保大跨度多截面板式組合桁架與管桁架組合屋面結構施工安全及整體質量穩定。

圖9 拱形穹頂上弦桿件結構放置的傾斜支撐

5.2.5 大跨度主板式桁架高空對接安裝

與穹頂主桁架相比，大跨度主板式桁架在高空對接安裝施工時，不需要臨時支撐，只需在滿足現場吊裝荷載以及2臺塔式起重機覆蓋區域范圍內，根據現場實際受力點及工況，采用2臺起重機進行高空、分段對接安裝處理[12]。

6 結語

以某大型的體育場館為例，結合大跨度多截面板式組合桁架與管桁架組合屋面結構施工工況，根據大跨度板式組合桁架與管桁架結構特征，提出了一種“雙翼雙曲型屋面造型”施工結構體系，采用雙向加勁肋、圓管、鋼柱支撐對屋面懸挑結構進行臨時加固。同時基于Tekla優化后的整體桁架安裝施工工藝，對本工程屋面主桁架截面參數、屋面結構安裝順序、主次組合桁架連接節點、接口類型、定位板、連接板以及受力工況等進行深化模擬，不僅減少了胎架支撐，節約了穹頂桁架安裝施工成本，而且通過“倒八爪”形式固定穹頂桁架之上的主桁架，有效解決了大跨度多截面板式組合桁架與管桁架組合屋面結構施工時存在的安裝精度不高、桁架連接剛度不足以及施工效益低下等問題，可供類似工程施工借鑒。