開封體育中心體育場罩棚鋼結構施工關鍵技術*

陳志江，任洋洋，賈偉朋，婁小鳳

(浙江大東吳建筑科技有限公司，浙江 湖州 313000)

1 工程概況

開封體育中心PPP項目位于開封市北外環路以南，復興大街以北，十二大街以東，十大街以西，占地面積303 333m2，總建筑面積13.2萬m2，由用地中軸線西側體育場和東側綜合體育館(體育館、游泳館、全民健身綜合館)組成，項目效果如圖1所示。

圖1 開封體育中心效果

體育場建筑面積42 772m2，高38.800m(看臺罩棚頂面至室外地面)，設30 000個座位，為中型體育場、甲級體育建筑。體育場共4層，看臺下部主體為鋼筋混凝土結構，上部罩棚為空間管桁架結構。罩棚外形投影為圓環狀，外徑268m，洞口內徑160m，總用鋼量約5 000t，由80榀徑向主桁架、環向次桁架、環向系桿等組成，桁架跨中間隔設置型鋼骨柱，如圖2所示。

圖2 罩棚結構平面

單榀桁架呈7字形，分為主桁架和落地桁架，如圖3所示。主桁架截面寬3m，高4.162m，長54.168m，其中奇數軸主桁架懸挑長度29.5m。落地桁架截面寬1.5m，高1.5m，長37.349m。

圖3 單榀桁架立面

罩棚鋼結構由2個基本自平衡體系單元組成：①奇數軸單榀桁架自平衡體系單元 奇數軸單榀桁架重心落在跨中支撐點偏外側1.448m處，結構自然起拱且抵消端部下撓，即奇數軸單榀桁架以跨中型鋼柱為支撐點，形成“杠桿平衡體系”單元；②任意連續3榀桁架自平衡體系單元 任意連續3榀奇數、偶數、奇數桁架組成“簡支梁體系”單元，即以兩側奇數軸桁架作為支撐點，支撐中間偶數軸桁架；任意連續3榀偶數、奇數、偶數桁架組成“杠桿平衡體系”單元，即以中間奇數軸桁架作為支撐點，支撐兩側偶數軸桁架，如圖4所示。

圖4 自平衡體系受力分析

2 關鍵施工技術

考慮罩棚鋼結構跨度大、支撐點少、結構下方施工復雜，且高空安裝危險性高、施工速度慢、對接精度低，采用地面散件整體組拼、跨外大型起重機一次吊裝就位、分區卸載后整體合龍的施工工藝。通過整體吊裝桁架，減少高空作業量和臨時支撐架使用量，保證施工安全，提高施工質量，加快施工進度，節約成本。

2.1 結構單元劃分

結合罩棚鋼結構特點及現場施工條件，將結構單元劃分為主桁架(含支座)、落地桁架、墻桁架、次桁架及環向系桿，如圖5所示。罩棚支座節點相交桿件多、受力大，因此采用鑄鋼節點。

圖5 結構單元劃分

2.2 吊裝設備選擇

奇數軸主桁架質量為46.31t，偶數軸主桁架質量為41.39t，均采用500t履帶式起重機吊裝；落地桁架質量為8.25t，采用100t履帶式起重機吊裝；墻桁架采用25t汽車式起重機吊裝；次桁架及環向系桿采用150t履帶式起重機吊裝。施工過程中，將構件吊裝質量控制在起重機額定性能90%以內。

2.3 現場施工布置

場地土為粉土，雨、雪天氣道路承載力低，須對拼裝場地和機械行走道路進行加固。

1)場地布置

在體育場外側設置3塊混凝土硬化場地，作為散件堆場和落地桁架、墻桁架拼裝場地，共9 000m2。在體育場內側沿施工道路設置15m寬移動式環向場地，作為次桁架和臨時支撐架拼裝場地，采用6m×2m×0.02m(長×寬×厚)鋼板進行加固。在消防通道內、外兩側設置移動式主桁架拼裝場地，采用5m×1.3m×0.13m(長×寬×厚)路基箱進行加固。

2)機械行走

500t履帶式起重機下方采用5m×2.2m×0.24m(長×寬×厚)路基箱進行加固；100，150t履帶式起重機下方采用5m×1.3m×0.13m(長×寬×厚)路基箱進行加固；50t履帶式起重機和25t汽車式起重機作為拼裝機械，下方無須加固。

2.4 桁架拼裝

1)主桁架拼裝胎架設置

主桁架呈直線形，為保證胎架制作方便并節約成本，采用側向拼裝，僅需滿足底部焊接作業高度和桁架自身高度要求，拼裝胎架高1.67～3.8m，由橫梁、立柱等組成，如圖6所示。

圖6 主桁架拼裝胎架

2)落地桁架拼裝胎架設置

落地桁架呈圓弧狀，為保證制作方便并節約成本，采用側向拼裝，僅需滿足底部焊接作業高度和桁架自身高度要求，拼裝胎架高1.0～2.2m，由立柱、立柱斜撐等組成，如圖7所示。

圖7 落地桁架拼裝胎架

墻桁架和次桁架屬于常規桁架，拼裝工藝簡單，不再闡述。

3)主桁架預起拱

奇數軸主桁架懸挑長度29.5m，需進行預起拱，以保證就位后主桁架懸挑端部位移與設計狀態一致，從而保證結構美觀。采用MIDAS Gen軟件進行全過程施工模擬分析，并結合設計起拱值要求進行綜合考慮。現場施工時，奇數軸主桁架懸挑端部起拱40，45mm，偶數軸主桁架起拱50mm。通過設置不同的起拱高度，控制桁架端部無波浪形變化。

4)拼裝和就位控制

桁架拼裝時，采用全站儀進行測量，保證拼裝和就位精度，僅以主桁架為例進行介紹。

主桁架采取以下措施進行拼裝和就位控制：①平整、夯實拼裝胎架下方道路后鋪設路基箱，減少不均勻沉降；②桁架組拼前，對每組拼裝胎架頂面標高進行測量，控制胎架頂面標高，當存在高差時，通過墊鋼板的方式進行調整；③桁架焊接前設置測量監控點，并在焊接過程中進行持續性監測；④桁架焊接完成后復測監控點。

桁架吊裝時，采用全站儀對監控點坐標進行控制，并將就位、焊接完成和卸載后的實際坐標與設計坐標進行對比，確保實際值與理論值誤差<10mm。

2.5 臨時支撐架布置

考慮體育場自身結構特點，為保證整個施工過程桁架處于平衡狀態，根據吊裝段和奇、偶數軸線差異，布置臨時支撐架。

2.5.1主桁架臨時支撐架

奇數軸主桁架可依靠跨中型鋼柱作為支撐點，自身形成“杠桿平衡體系”，且型鋼柱剛度大、變形小，故懸挑端部可不設置臨時支撐架。偶數軸主桁架底部無支撐，需在跨中和懸挑端部設置臨時支撐架，其中，懸挑端部臨時支撐架需保證桁架安裝就位及懸挑端部撓度調節方便。

1)跨中臨時支撐架 采用圓管式三角形支撐架，三角形邊長均為2.0m，立桿采用φ180×12，腹桿采用φ80×6，頂部橫梁采用H294×200×8×12。

2)懸挑端部臨時支撐架 采用角鋼式四邊形支撐梁，截面尺寸為2.0m×2.0m，立桿采用∟110×12，腹桿采用∟63×3，頂部橫梁采用H150×150×7×10。

2.5.2落地桁架臨時支撐架

落地桁架吊裝就位后，底部通過柱腳銷軸、固定支座與預埋板連接，在2/3桁架高度處設置臨時支撐架，并在支撐點處焊接 H200×200×8×12水平牛腿，從而保證臨時支撐架僅承受桁架傳遞的豎向荷載。落地桁架臨時支撐架采用角鋼式四邊形支撐架，截面尺寸為2.0m×2.0m，立桿采用∟110×10，腹桿采用∟63×6，頂部橫梁采用H150×150×7×10。

2.6 合龍縫設置

本工程需考慮溫度荷載作用，施工時需考慮以下因素設置合龍縫：①已安裝結構穩定性；②斷口合龍精度；③補桿施工難易度。以軸線⑤為起點，順時針每隔20根軸線設置1個施工區域，共設置4條合龍縫，如圖8所示。合龍縫需避開加強區，以減少補桿吊裝和高空焊接作業量。

圖8 合龍縫位置及施工分區

由于桁架具有自平衡體系特點，桁架整體受溫度效應的影響較小，桁架整體與1/4結構變形、應力基本一致，為加快施工速度，首先分別施工并卸載施工區域1～4，然后進行整體合龍。分區卸載時，每條合龍縫處偶數軸桁架臨時支撐架暫不拆除，整體合龍后進行二次卸載。

局部卸載和整體合龍均需對溫度進行嚴格控制，體育場所在區域全年平均氣溫為16～18℃，考慮±2℃的溫度余量，將卸載和合龍溫度控制為14～20℃。施工時間為2020年10月中旬至11月上旬，溫差較小，平均氣溫為14～18℃，滿足施工條件。

3 施工模擬分析

3.1 施工工藝流程

罩棚鋼結構施工工藝流程為：①在體育場外側設置80個3.6m×3.6m×0.7m(長×寬×高)獨立基礎，用于支撐落地桁架下方的臨時支撐架；②以軸線⑤為起點，順時針安裝落地桁架和墻桁架；③在混凝土看臺和體育場內獨立基礎上搭設主桁架跨中、懸挑端部臨時支撐架；④順時針吊裝主桁架、次桁架及環向系桿；⑤主桁架施工完成，分別進行分區卸載→整體合龍→合龍縫處二次卸載。

3.2 施工過程模擬

采用MIDAS Gen軟件進行全過程施工模擬分析，并采用SAP2000軟件進行校核。鑒于體育場土建主體與罩棚施工相差3～5個月，罩棚鋼結構施工時主體結構混凝土性能穩定，因此計算時不考慮材料非線性，僅考慮安裝過程中的非線性效應。根據不同施工階段，對結構、邊界和荷載進行建組劃分，通過不同施工步驟間的“激活”和“消隱”模擬罩棚鋼結構安裝和拆除。模擬整個施工過程時，主要考慮結構自重、活荷載，自重荷載系數取1.05，程序自動計算；活荷載按0.5kN/m2計算。模擬單個構件吊裝時，主要考慮結構自重。模擬臨時支撐架搭設時，主要考慮結構自重、活荷載和風荷載。

罩棚鋼結構共劃分39 144個桿件單元，為符合實際施工情況且便于計算，將跨中臨時支撐架與罩棚鋼結構視為整體，單獨復核看臺、落地桁架臨時支撐架與主桁架懸挑端部臨時支撐架承載力。

約束桁架跨中、底部x，y，z向位移，落地桁架臨時支撐架與主桁架懸挑端部臨時支撐架節點受彈性約束作用，約束主桁架跨中臨時支撐架底部x，y，z向位移。

3.3 結果分析

整個施工過程中最大應力出現在主桁架跨中臨時支撐架處，為56.5N/mm2，小于所用鋼材強度設計值(215N/mm2)，可知結構安全儲備較高。罩棚構件最大應力為34.7N/mm2，小于所用鋼材強度設計值(305N/mm2)，可知結構安全儲備同樣較高。

主桁架懸挑端部最大豎向位移為37.6mm，小于規范限值。現場施工最大豎向位移為35mm，可知計算值與實際值基本吻合。

4 結語

1)對于大跨度、大懸挑、自平衡桁架體系空間結構施工，關鍵在于選擇合理的施工方案，圍繞所選的施工方案進行桁架分段、桁架拼裝、場地規劃、機械選型、支撐架搭設、卸載等。

2)根據罩棚鋼結構自平衡體系特點，考慮結構跨度大、支撐點少、結構下方施工復雜，且高空安裝危險性高、施工速度慢、對接精度低，采用地面散件整體組拼、跨外大型起重機一次吊裝就位、分區卸載后整體合龍的施工工藝。

3)罩棚鋼結構自平衡體系在安裝過程中獨立性較好，受溫度效應的影響較小。

4)對空間結構整個施工過程的模擬分析尤為重要，詳細、合理的計算過程可反映需關注的重點施工問題，進而對施工質量進行控制，對施工方案合理性進行檢驗。