大型體育館屋蓋鋼結(jié)構(gòu)累積滑移+散拼施工技術(shù)

王光武，鄭雪松，袁貴福，李鉉誠，艾 維，劉 智，李樹文

(1.中建三局集團(tuán)有限公司西南分公司，四川 成都 610041；2.成都華潤置地驛都房地產(chǎn)有限公司，四川 成都 610100)

1 工程概況

成都東安湖體育公園三館項(xiàng)目多功能體育館屋蓋鋼結(jié)構(gòu)為大跨度雙向正交桁架結(jié)構(gòu)，屋蓋寬145m，長145m，最大跨度為108m，結(jié)構(gòu)標(biāo)高42.500m(見圖1)。共13榀桁架(11榀主桁架+2榀懸挑桁架)，單榀質(zhì)量為120～180t，桁架高9m，跨度108m，安裝高度為42.5m，為箱形截面+H型鋼截面。

圖1 鋼屋蓋三維模型

2 施工方法及流程

2.1 場地布置

結(jié)合東安湖體育公園總體施工部署，基于主體結(jié)構(gòu)按照由東向西的施工順序，現(xiàn)場平面設(shè)置鋼構(gòu)件堆場、拼裝區(qū)、履帶式起重機(jī)行走區(qū)、鋼結(jié)構(gòu)安裝區(qū)(見圖2)。主桁架沿?cái)?shù)字軸方向布置，自西向東依次為1～11榀桁架，東西兩側(cè)為懸挑桁架，11榀桁架采取高空累積滑移施工，東西兩側(cè)懸挑桁架采取高空散拼施工。鋼結(jié)構(gòu)拼裝區(qū)為120m×15m，散件采用80t汽車式起重機(jī)進(jìn)行吊裝；履帶式起重機(jī)行走區(qū)為140m×14m，鋼結(jié)構(gòu)安裝區(qū)為145m×145m，采用300t履帶式起重機(jī)將分片吊裝至高空滑移平臺，組裝為滑移單元，滑移采用8組爬行器提供動力。南北側(cè)框架結(jié)構(gòu)在滑移施工前進(jìn)行安裝及臨時(shí)固定，外側(cè)框架柱、框架梁使用塔式起重機(jī)配合180t履帶式起重機(jī)進(jìn)行安裝。鋼構(gòu)件堆場為100m×30m，以滿足分階段鋼構(gòu)件材料堆放，現(xiàn)場環(huán)形道路寬8m，轉(zhuǎn)彎半徑15m，滿足鋼結(jié)構(gòu)材料從大門轉(zhuǎn)入場內(nèi)堆場。

圖2 鋼屋蓋施工平面布置

2.2 桁架分段

首榀桁架分段與西側(cè)懸挑桁架共同分為4個(gè)六面體和部分嵌補(bǔ)桿件，單片桁架主要分4段拼裝，分段如圖3所示(其中中間第3榀桁架增加分段，質(zhì)量≤25t)。 首榀桁架分段1長13.8m，重26t；分段2長13.9m，重25t；分段3長13.9m，重25t；分段4長13.8m，重26t。單片桁架分段1長26.6m，重25t；分段2長28.2m，重21t；分段3長27m，重20t；分段4長26.6m，重25t。

圖3 桁架分段示意

2.3 設(shè)備選型

滑移鋼結(jié)構(gòu)單元采用300t履帶式起重機(jī)，為42m主臂+36m副臂；南北側(cè)框架結(jié)構(gòu)采用180t履帶式起重機(jī)，為57.9m主臂+18.7m副臂，起重能力滿足現(xiàn)場施工要求。

2.4 施工流程

對體育館鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合分析，考慮現(xiàn)場工況，南北側(cè)框架結(jié)構(gòu)優(yōu)先進(jìn)行吊裝安裝。安裝完成后進(jìn)行臨時(shí)固定。主桁架采用80t汽車式起重機(jī)在地面分段散拼，然后用300t履帶式起重機(jī)分段吊裝至高空滑移平臺進(jìn)行拼裝，完成后滑移1個(gè)節(jié)間進(jìn)行臨時(shí)固定(第1次為第1榀及懸挑桁架一起滑移)，再拼裝第2榀桁架，嵌補(bǔ)次桁架，完成后累積滑移1個(gè)節(jié)間，拼裝下一榀桁架，直至全部桁架滑移到位后進(jìn)行卸載(滑移吊裝必須確保混凝土強(qiáng)度達(dá)到100%)。鋼結(jié)構(gòu)安裝流程如下：施工軌道獨(dú)立承臺→安裝南北側(cè)框架柱、梁→安裝軌道、拼裝平臺→安裝首榀桁架及懸挑桁架分段1,2→桿件嵌補(bǔ)→卸載第1榀桁架、懸挑桁架→安裝爬行器、首榀桁架及懸挑桁架滑移→安裝第2榀桁架分段2，使用次梁進(jìn)行臨時(shí)固定→安裝第2榀桁架分段1→安裝第2榀桁架分段3→安裝第2榀桁架分段4→安裝次桁架→整體卸載第2榀桁架→固定次梁、次桁架→滑移、安裝第3榀桁架及次桁架→循環(huán)安裝前10榀桁架，吊裝第11榀桁架→安裝東側(cè)懸挑桁架，并整體卸載→固定焊接主桁架與南北側(cè)框架，焊接?xùn)|西側(cè)鉸接節(jié)點(diǎn)→拆除軌道及拼裝平臺。

2.5 施工重難點(diǎn)控制

1)履帶式起重機(jī)行走場地條件差，土質(zhì)較松軟，且成都地區(qū)雨水較多，直接站位吊裝安全風(fēng)險(xiǎn)大。故對地面進(jìn)行降標(biāo)高處理，鋪設(shè)400mm厚磚渣，在上方鋪設(shè)路基箱，設(shè)置排水措施，做好放坡處理，從而確保履帶式起重機(jī)占位與行走地基安全穩(wěn)定可靠。

2)桁架高空拼裝、第1榀桁架滑移的穩(wěn)定性難以被控制，應(yīng)采用第1榀與懸挑桁架同時(shí)滑移，提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；在軌道位置設(shè)置結(jié)構(gòu)支撐；利用結(jié)構(gòu)次梁進(jìn)行側(cè)向約束等措施。

3)結(jié)構(gòu)變形控制是本工程重難點(diǎn)之一，且為雙向起拱，故采取如下措施：①對結(jié)構(gòu)施工工況進(jìn)行模擬分析；②與設(shè)計(jì)院進(jìn)行溝通討論，確定最終結(jié)構(gòu)拼裝起拱值；③在卸載、滑移階段做好變形監(jiān)測，對比分析計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。

3 施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 外側(cè)框架吊裝

外側(cè)框架柱使用塔式起重機(jī)配合180t履帶式起重機(jī)站位，在體育館中心場地安裝框架柱及框架梁(見圖4)。優(yōu)先安裝框架柱間的次梁，再安裝外側(cè)挑梁，制作臨時(shí)支撐后，安裝內(nèi)側(cè)框架梁。平面外使用H型鋼為臨時(shí)支撐，保障平面穩(wěn)定性。

圖4 外側(cè)框架結(jié)構(gòu)

3.2 高空滑移平臺安裝

高空滑移平臺胎架寬6m，在每個(gè)軸線位置設(shè)置支撐點(diǎn)，支撐點(diǎn)包含3組軌道支撐和6組拼裝支撐(見圖5)。高空滑移平臺胎架使用型鋼配合塔式起重機(jī)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)組裝而成，應(yīng)充分利用現(xiàn)有混凝土結(jié)構(gòu)柱進(jìn)行拼裝平臺的搭設(shè)。

圖5 高空滑移平臺支撐點(diǎn)布置

對接節(jié)點(diǎn)處設(shè)置焊接操作平臺，操作平臺提前在混凝土支撐柱側(cè)面預(yù)埋埋件。平臺柱下方對應(yīng)混凝土結(jié)構(gòu)柱，與結(jié)構(gòu)進(jìn)行植筋固定(6φ16化學(xué)錨栓)。上方搭設(shè)拼裝操作平臺，并設(shè)置硬性防護(hù)欄桿。平臺上方設(shè)置拼裝胎架，用于結(jié)構(gòu)拼裝。施工前實(shí)測混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行平臺制作及下料。獨(dú)立柱高度>1m，需在1.000m標(biāo)高處設(shè)置橫梁連接，獨(dú)立柱自由長度≤1.5m。

3.3 滑移軌道安裝

屋蓋采用3條軌道累積滑移技術(shù)進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)施工，軌道分別位于主桁架兩端鉸支座及桁架中間位置，選擇QU100型熱軋軌道。軌道1采用塔式起重機(jī)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)搭設(shè)支撐架，支撐架上設(shè)軌道梁，軌道布置于軌道梁上，并在兩側(cè)加設(shè)2道H250×250×9×14型鋼(見圖6)。軌道2，3設(shè)置在混凝土框架梁上(見圖7)。

圖6 支撐架結(jié)構(gòu)

圖7 軌道布置

軌道1處的支撐架塔式起重機(jī)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)總高度為33.9m，下方設(shè)置4m×6m×0.6m的混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)，混凝土基礎(chǔ)與塔式起重機(jī)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)通過預(yù)埋件進(jìn)行固定連接。支撐架基礎(chǔ)間隔≤11m進(jìn)行布置，共13個(gè)，基礎(chǔ)持力層為粉質(zhì)黏土層，最外側(cè)2組基礎(chǔ)使用路基箱將荷載傳至混凝土框架結(jié)構(gòu)上。支撐架基礎(chǔ)布置如圖8所示。

圖8 支撐架基礎(chǔ)布置(單位：m)

軌道1的梁截面為H1 500×400×22×35焊接型鋼，間隔2.5m設(shè)1道加勁板，軌道與軌道梁間隔500mm處墊設(shè)鋼板，同時(shí)使用壓塊進(jìn)行固定。兩側(cè)軌道2，3設(shè)置在混凝土框架梁上，與下部混凝土梁通過預(yù)埋件進(jìn)行固定(埋件間距1.5m)，采用壓塊方式進(jìn)行壓緊。軌道結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 軌道結(jié)構(gòu)

3.4 桁架拼裝

桁架采用地面整體拼裝、分段吊裝的方式進(jìn)行安裝。地面整體拼裝采用臥拼方式，將桁架水平放置于胎架上，拼裝焊接完成后進(jìn)行分段翻轉(zhuǎn)吊裝。拼裝過程中，結(jié)構(gòu)需起拱，最大起拱值取200mm，結(jié)構(gòu)內(nèi)收值取10mm。桁架拼裝采用雙向起拱，兩端起拱值依次降低。臥拼場地需進(jìn)行平整壓實(shí)，并在上方鋪設(shè)300mm厚磚渣。

第1榀桁架與懸挑結(jié)構(gòu)組拼為六面體框架后進(jìn)行吊裝，流程如下：布置胎架→拼裝底部大橫梁→拼裝立柱→拼裝底部橫梁及水平腹桿→拼裝頂部橫梁→拼裝斜撐并焊接。

單榀桁架在地面進(jìn)行整體臥拼拼裝、分段吊裝，流程如下：布置胎架→拼裝弦桿及豎向腹桿→拼裝斜腹桿→分段依次焊接。

3.5 安裝工藝

第1榀桁架采用六面體單元，按照分段1→分段2→分段3→分段4的順序吊裝，吊裝就位后進(jìn)行臨時(shí)固定并拉設(shè)纜風(fēng)繩。六面體單元共設(shè)置4個(gè)吊耳以便吊裝，且均在對應(yīng)隔板處設(shè)置加勁板，確保局部吊裝強(qiáng)度滿足材料要求，吊索夾角應(yīng)≤60°。

單榀桁架進(jìn)行單片分段吊裝時(shí)，按分段2→分段1→分段3→分段4的順序進(jìn)行，吊裝就位后及時(shí)連接次梁及次桁架，懸挑桿件使用H250×250×9×14型鋼進(jìn)行臨時(shí)固定。

3.6 脫胎卸載

桁架分3級卸載，每完成一級后卸載下一級。卸載順序?yàn)锳→B→C(a→b→c)，分3級循環(huán)3次進(jìn)行卸載，軌道處不進(jìn)行卸載(見圖10)。

圖10 卸載點(diǎn)布置

采用雙刀板循環(huán)切割方式進(jìn)行卸載，并用割槍循環(huán)切割支撐點(diǎn)下方的雙刀板，實(shí)現(xiàn)高精度控制卸載量，單點(diǎn)單次卸載35%自重變形值，按照1→2→3→4→5 的順序循環(huán)切割(見圖11)。

圖11 高空拼裝卸載

3.7 抗傾覆措施

1)單片卸載階段 在單榀桁架卸載前，提前安裝次梁及次桁架，次梁、次桁架與主桁架間使用高強(qiáng)螺栓或?qū)Υ┞菟ㄟM(jìn)行鉸接固定，從而對主桁架施加側(cè)向約束。鉸接節(jié)點(diǎn)如圖12所示。

圖12 鉸接節(jié)點(diǎn)

2)第1榀卸載及滑移階段 在滑移軌道上設(shè)置抗傾覆支撐，截面為H250×250×9×14，滑靴與軌道設(shè)置拉拔限位?？箖A覆結(jié)構(gòu)原理如圖13所示?？箖A覆支撐如圖14所示。

圖13 抗傾覆結(jié)構(gòu)原理

圖14 抗傾覆支撐

3.8 累積滑移

液壓同步滑移采用TJG-1000型液壓爬行器、TJV-65型液壓泵源系統(tǒng)、YT-2型計(jì)算機(jī)同步控制系統(tǒng)。考慮為單元累積滑移，根據(jù)滑移流程及支座底部反力值，體育館桁架滑移時(shí)擬布置8臺TJG-1000型液壓爬行器，軌道1，2，3分別設(shè)置4，2，2臺；每臺液壓爬行器水平推力為1 000kN，總水平推力為8 000kN。 體育館整個(gè)屋蓋重約3 300t，滑移取摩擦系數(shù)0.2，則總水平反力為0.2×33 000=6 600kN <8 000kN。 總計(jì)提供8 000kN頂推荷載，上述液壓爬行器配置滿足滑移要求。配置3臺TJV-65型液壓泵源系統(tǒng)，控制8臺液壓爬行器。爬行器平面布置如圖15所示。

圖15 爬行器平面布置

爬行器安裝在軌道對應(yīng)次桁架下方(凈高度550mm)，通過耳板與滑靴進(jìn)行固定?；ナ褂梅焦埽谙路胶?0mm厚帶倒角鋼板，軌道兩側(cè)設(shè)限位擋板，限位擋板厚度≥20mm；限位擋板與軌道間預(yù)留50mm變形消耗間隙，避免卡軌；滑靴套筒壁厚內(nèi)徑均大于滑移桁架柱腳，將柱腳套入套筒內(nèi)，與滑靴進(jìn)行固定連接，后期卸載過程中可拆除機(jī)械。爬行器安裝結(jié)構(gòu)如圖16所示?；ソY(jié)構(gòu)如圖17所示。

圖16 爬行器安裝結(jié)構(gòu)

圖17 滑靴結(jié)構(gòu)

3.9 整體卸載

桁架滑移就位且測量復(fù)核無誤后，使用千斤頂緩慢卸載整體結(jié)構(gòu)。卸載高度以起拱值為參考，采取等比例卸載控制。卸載順序如下：①由中間向兩側(cè)依次進(jìn)行分級卸載，卸載量為起拱高度的20%，分5級卸載；②交替卸載中間軌道與外側(cè)軌道，直至卸載完成。卸載完成后，安裝工及焊工及時(shí)進(jìn)行預(yù)留鉸接節(jié)點(diǎn)焊接處理。卸載順序及方向如圖18所示。

圖18 卸載順序及方向

3.10 焊接工藝

桁架拼裝矯正完成后，優(yōu)先焊接上下弦桿，后焊接豎向腹桿，最后焊接斜向腹桿。分段吊裝就位后，優(yōu)先焊接上弦對接口，再焊接下弦對接口，最后焊接腹桿焊接口。

3.11 過程監(jiān)測

施工過程中做好變形監(jiān)測、同步監(jiān)測、應(yīng)力監(jiān)測控制。結(jié)構(gòu)拼裝、整體拼裝及滑移均需在桁架上粘貼反光片，用于測量桁架變形下?lián)稀＼壍牢恢美O(shè)鋼尺，同步監(jiān)測滑移。桁架在滑移卸載過程中，選擇1，2，4，5，6，9，10榀桁架及相應(yīng)次桁架上下弦進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測。單榀桁架中布置≥11個(gè)應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(見圖19)。

圖19 監(jiān)測點(diǎn)位布置

結(jié)構(gòu)整體變形監(jiān)測主要在拼裝階段、就位整體拼裝階段、卸載階段、滑移階段和整體卸載階段。從分段拼裝階段開始監(jiān)測結(jié)構(gòu)應(yīng)力，應(yīng)力監(jiān)測分析頻率與位移監(jiān)測相同。

監(jiān)控頻率如下：①散件拼裝階段 監(jiān)測測量點(diǎn)，收集1次數(shù)據(jù)；②分段拼裝階段 監(jiān)測測量點(diǎn)，收集拼裝、卸載、脫胎3次數(shù)據(jù)；③整體滑移階段 監(jiān)測滑移過程，每增加1榀桁架滑移過程，收集2次數(shù)據(jù)(滑移、次梁次桁架安裝)；④就位卸載階段 收集卸載前、卸載完成、卸載后24h的數(shù)據(jù)。

4 結(jié)語

隨著城市發(fā)展，大跨度結(jié)構(gòu)多運(yùn)用于體育館、機(jī)場、車站等大型公共建筑，鋼桁架屋蓋體系運(yùn)用越來越廣。采用累積滑移法進(jìn)行高空鋼結(jié)構(gòu)安裝，可有效解決場地狹小、施工周期短、構(gòu)件自重大、安裝精度控制難等不利因素，取得良好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。