體育館大跨度張弦梁分段安裝關鍵施工技術

丁俊濤

上海建工七建集團有限公司 上海 200050

萊茵體育生活之城項目位于浙江省杭州市桐廬縣，工程南側為已建一期訓練基地，西側為在建住宅區(qū)，東側為金中路，北側為農保田和高家路。工程平整后場地標高為76.5～78.0 m，場內基本平坦，項目造型整體類似一只展翅待飛的蟬，總體寓意為“蟬鳴寄意，桐翼于飛”，主體工程主要由體育館和專業(yè)足球場組成（圖1）。體育館屋面采用了預應力張弦桁架結構體系，由上弦剛體、下弦索及其之間的撐桿構成。通過布置和張拉拉索，產生向上的等效預應力荷載來優(yōu)化結構的內力狀態(tài)，提高結構整體剛度，平衡支座部位推力，控制結構外形尺寸（矢高或跨度等）[1-3]。

圖1 萊茵體育生活之城項目效果圖

1 工程概況

本工程體育館占地面積8 728 m2，建筑面積28 715.39 m2，建筑高度32.63 m，地下1層、地上3層。屋蓋投影近似為半徑為73.8 m的半圓形，場館內部主要有比賽大廳、訓練館及健身房這3個大空間。比賽大廳上方采用張弦梁結構形式，訓練館和健身房位于比賽大廳兩側，采用正交桁架結構體系，跨度31.5 m，屋蓋靠近專業(yè)足球場一側桁架挑出11 m（圖2）。

圖2體育館鋼結構題三維效果圖

專業(yè)足球場建筑設計緊扣“桐翼于飛”的設計立意，東西兩側看臺雨棚似騰飛的蒼鷹，羽翼豐滿，寓意桐廬發(fā)展的騰飛之勢，雨棚懸挑長度較長。專業(yè)足球場占地面積7 551 m2，建筑面積15 625.32 m2，建筑高度33.13 m，無地下室，地上3層，專業(yè)足球場座位數(shù)15 002座。體育館上部設計有8榀張弦梁，上弦桿采用700 mm×300 mm×20 mm×40 mm、700 mm×300 mm× 20 mm×30 mm的方鋼管，下弦桿設置φ101 mm鋼拉鎖，撐桿采用300 mm×250 mm×12 mm方鋼管，鋼結構材質為Q345B（圖3）。

圖3 張弦梁構件

2 張弦梁施工特點、難點分析

體育館屋蓋投影近似半徑73.8 m的半圓形，比賽大廳上方采用張弦梁結構形式，張弦梁共8榀，最大跨度達66 m，桁架高度約6 m，單榀最大質量76 t。上弦桿為弓形鋼箱梁，拉索采用φ101 mm高釩索，索頭錨固端節(jié)點復雜。弧線形鋼箱型最大板厚60 mm，加工制作難，分段加工后現(xiàn)場拼裝精度、大跨度吊裝及張拉索現(xiàn)場分級張拉控制要求均較高。

1）針對體育館大跨度張弦梁結構加工、安裝難度大、精度高的難點，采用數(shù)字化建模深化、放樣、數(shù)控下料切割的手段，控制空間彎弧箱形梁制作的加工精度。每榀張弦梁在工廠分6段加工，運至現(xiàn)場拼裝成南、中、北這3段（每榀下設置2個塔吊標準節(jié)臨時支撐架）。

2）現(xiàn)場預先模擬張拉過程，進行施工全過程力學分析。拉索安裝后8榀張弦梁由兩側向中間張拉，張拉主控索力，輔控跨中撓度、支座位移，及時調整偏差，確保張拉施工質量安全。

3 大跨度張弦梁分段施工技術

3.1 主要起重機械設備和使用時間安排

350 t汽車吊1臺，吊裝南段8節(jié)張弦梁，計劃使用工期12 d；130 t汽車吊1臺，吊裝北段8節(jié)張弦梁，計劃使用工期20 d；35 t汽車吊2臺，吊裝中間8節(jié)張弦梁和屋面上的所有次構件，計劃使用工期30 d。

3.2 張弦梁吊裝路線規(guī)劃

1）吊裝線路1。該路線設置在足球場內，考慮到9 m支腿和2 m路基板，該線路寬度不小于12 m，供350 t汽車吊行走和站位，地基采用道碴夾碎石鋪墊層壓實處理的做法，地基承載力滿足250 kPa。

2）吊裝線路2。該路線設置在體育館北側，供130 t汽車吊行走和站位，適當鋪墊厚不小于100 mm道碴或碎石層層壓實，地基承載力滿足140 kPa。

3）吊裝線路3。該路線設置在體育館中間，供2臺35 t吊車行走和站位，通過加固和復核地下室頂板結構承載力滿足施工荷載要求。

為控制吊裝道路地基承載力，設置沉降監(jiān)測措施：在吊車支腿下路基板上標注十字形標記監(jiān)測點，在安全位置架設水準儀器，實時監(jiān)測吊車空載和重載時的沉降情況，每隔1 min記錄沉降數(shù)值1次，時刻保持與吊裝管理人員的對講機連通狀態(tài)，實時匯報沉降情況，為吊裝安全保駕護航。

3.3 張弦梁拼裝胎架控制

以S-10和11軸的第7榀張弦梁為例：共分為3段（南段、中段、北段），南段質量為18.728 t，中段質量為22.816 t，北段質量為25.417 t。

拼裝胎架必須嚴格按照設計尺寸進行設置，胎架放置在桁架就近地面上，表面通過鋼墊板找平，安裝順序為：南段→北段→中段。

第1批拼裝南段8節(jié)：按照從左右向中間的安裝順序拼裝，G-E軸的水平系桿跟進安裝，有利于增加桁架水平穩(wěn)定的作用。

第2批拼裝北段8節(jié)：按照從左右向中間的安裝順序拼裝，G-J軸和G-G軸之間的水平系桿必須跟進安裝。

第3批拼裝中段8節(jié)：中1＋中2→中3＋中4→中5＋中6→中7＋中8，張弦梁安裝的同時中間1支水平系桿也要同時安裝，起到水平穩(wěn)定的作用（圖4、圖5）。

圖4 中段地面對接組焊示意

圖5 中段安裝順序示意

拼裝測量遵循“從整體到局部，先控制后施工”的原則，根據(jù)圖紙和工藝編號自下而上進行對接拼裝組焊，并對拼裝過程進行全面質量評價，設置監(jiān)控點，專人負責監(jiān)控，確保質量受控。用線錘及經緯儀、水平儀測量控制鋼結構垂直度及其標高，測量完畢后，組織相關人員驗收。張弦梁采取立拼的方法進行拼裝，胎架布置在地面上，拼裝胎架采用20#工字鋼做成馬凳形式，馬凳至少4條支腿，最小支腿間寬度不得小于高度的一半，確保胎架的整體穩(wěn)定性（圖6）。

圖6 拼裝胎架示意

3.4 張弦梁吊裝流程

張弦梁最大跨度為66 m，共8榀，每榀張弦梁分6段加工，以散件的方式發(fā)貨至現(xiàn)場，在地面搭設的胎架上進行分段拼裝、分段吊裝。每根張弦梁分3段吊裝，分段接頭處設置臨時支撐架，底面在拉索標高處采用型鋼轉換層，頂部設置加強型鋼梁。

吊裝順序：第1步吊裝南側8段第1段張弦梁及G-E軸水平系桿，兩側向中間展開施工；第2步吊裝北側8段第3段張弦梁及G-J軸以南4.2 m處水平系桿，兩側向中間展開施工；第3步吊裝中間8榀第2段張弦梁及G-G軸水平系桿，兩側向中間展開施工；第4步從中間向兩側順序吊裝所有次構件并完成所有焊接；第5步安裝拉索并完成預應力加載，兩側向中間實施。

次構件安裝時，使用35 t汽車吊在場內進行吊裝作業(yè)，35 t汽車吊在體育館地下室混凝土頂板上行走和吊裝，吊裝區(qū)域鋪設轉換鋼梁和鋼板路基板，通過轉換鋼梁轉至混凝土柱、梁上，確保混凝土結構的均布受力。

3.5 張弦梁吊裝工況分析

3.5.1 南段張弦梁吊裝工況

南側第1段張弦梁采用350 t吊車獨立吊裝，吊車站位于體育場內，已經考慮避開了建筑結構障礙物。作業(yè)半徑26 m，吊車臂長取60 m，額定起重20.1 t≥構件質量17.23 t，附加系數(shù)≥1.1，無超載、無碰壁現(xiàn)象，工況滿足要求。

3.5.2 北段張弦梁吊裝工況

北側第3段張弦梁采用130 t吊車獨立吊裝，考慮避開了建筑結構障礙物。作業(yè)半徑14 m，吊車臂長取41.1 m，額定起重28 t≥構件質量24.4 t，附加系數(shù)≥1.1，無超載、無碰壁現(xiàn)象，工況滿足要求。

3.5.3 中段張弦梁吊裝工況

考慮到拼裝順序和東西兩側建筑墻體障礙因素，吊車的站位均布置在一側，且始終站位在拼裝好的構件靠體育館中間的一側，這樣從東西兩側施工時，即可避開S-6軸、S-15軸兩面墻體，且符合構件拼裝的順序，也滿足吊車左右拼裝和吊裝機動的靈活性要求，提高機械利用效率。35 t吊車起重荷載率復核：作業(yè)半徑6 m，臂長31.5 m，額定荷載17.2 t，雙機抬吊負載率按最不利75%折減系數(shù)，計算得12.9 t，中間構件總質量25.2 t，單吊點荷載12.6 t，12.9 t≥12.6 t，滿足吊裝工況要求。

吊點布置根據(jù)構件的重心來確定，中間段構件的吊點重心兩側各偏移4 m設置2個吊點，左右吊點間距8 m，兩吊車間距也是8 m。吊點的耳板采用30 mm厚度的鋼板焊接而成，吊耳重載力在800 kN以上，質量最大的構件為26 t，按照3個吊耳分配計算，每個吊耳荷載不超過90 kN，吊耳的重載力足以滿足實際荷載的需要，吊耳安全系數(shù)不小于8倍。

4 張弦梁施工相關技術措施

4.1 中段與兩端桁架對接限位

張弦梁中段吊裝前，在中段張弦梁箱梁的兩端分別焊接2塊定尺寸鋼碼板（500 mm×300 mm×30 m），碼板焊接長度300 mm，伸出200 mm，在接縫處位置碼板下口留半徑30 mm半圓施焊工藝孔。當中段張弦梁從上往下慢慢就位時，兩端的碼板起到限制中間段張弦梁下沉的目的，便于調節(jié)高低板厚的齊平，左右板厚微調時則在側面附加七字形千斤頂碼板，可以用斜楔或千斤頂來調節(jié)縫口精度（圖7）。

圖7 中段兩側碼板示意

4.2 張弦梁的吊點布置

以南段張弦梁為例，其重心位置x＝0，y＝7.974（10.113），吊點平均布置在重心前后各4 m，吊點最大間距8 m，構件質量24.4 t，南側布置單個吊點，北側布置2個吊點，每個吊點的反力約82 kN，北側2個吊點采用2個10 t手拉葫蘆結合3 m鏈條調節(jié)平衡，吊具包括1根12 m、2根10 m長度的鋼絲繩和手拉葫蘆（圖8）。

圖8 南段吊點布置

4.3 臨時支撐架搭設

張弦梁施工時選用的臨時支撐架采用塔吊標準節(jié)，截面尺寸包括600 mm×1 600 mm×2 800 mm，1 600 mm×1 600 mm×3 000 mm這2種規(guī)格，頂部分配梁HW250 mm×250 mm×9 mm×14 mm，材質均為Q235B。S-8軸右側1 m位置水溝對臨時支撐架沒有影響，對拼裝影響也較小，若有個別支點要在水溝處加固時，可以采用HW250 mm×250 mm×9 mm×14 mm型鋼補平加固。

支撐架布置應避開張拉弦撐桿的位置不小于200 mm，支撐架若與撐桿產生碰撞，將無法安裝撐桿，所以須嚴格按照每一榀深化立面圖進行布置。支撐架橫向采用H600 mm×300 mm×6 mm×8 mm型鋼梁連接穩(wěn)固，焊接V形欄桿，采用鋼絲繩拉緊作為生命線，可實現(xiàn)簡易安全通道。縱向采用鋼絲繩頂部拉至混凝土結構柱頂位置臨時固定，拉在頂部受力會更加有利于穩(wěn)定，當張弦梁安裝就位后，纜風繩就會失去縱向作用，張弦梁自身剛度即可起到縱向的穩(wěn)定作用。

每個支撐架底部設轉換鋼梁，荷載通過轉換鋼梁傳遞到混凝土梁上，轉換鋼梁采用主梁H450 mm×200 mm×9 mm×14 mm和次梁HW300 mm×300 mm×10 mm×15 mm。經驗算，施工過程中轉換鋼梁最大位移為4.3 mm，最大應力比0.3，滿足受力要求。轉換鋼梁架設在主混凝土梁450 mm×900 mm和次混凝土梁300 mm×700 mm上。通過計算分析，臨時支撐架、轉換鋼梁和結構梁等的承載力均能夠滿足施工需要（圖9）。

圖9 轉換鋼梁示意

在下拉索通過的相應標高位置，調整標準節(jié)腹桿支撐方式，并全部用高強螺栓鉸接固定，既要靈活避開下拉索的相對標高位置，也能確保拆除時擰開螺栓，拆除幾根腹桿即可方便拆除標準節(jié)。拆除標準節(jié)時，只要先擰開下面3根紅色桿件的螺栓，移除桿件，即可順利移除整個標準節(jié)。拆除時既要考慮避開安裝位置，也要考慮拆除時方便，并且保證該標準節(jié)受力穩(wěn)定性和強度不受破壞。每個支撐架深化時，在拉索上下的位置，支撐架的腹桿需要確保500～800 mm的空間。

5 拉索張拉施工技術

5.1 張拉機具

張拉設備包括千斤頂、反力架、油泵、油壓表、油管等。由于本工程拉索連接方式為單耳式，為了張拉操作，需要在張拉耳板處焊接附加張拉錨固點。

拉索每個張拉點需要2臺千斤頂和1臺油泵，每次張拉共有2個張拉點，共需4臺千斤頂和2臺油泵以及2套工裝。根據(jù)單根拉索最大施工張拉力的要求，選用YCW150B型千斤頂進行張拉，2臺千斤頂并聯(lián)在一個張拉點能達到相應的設計張拉能力。

5.2 張拉流程

鋼桁架全部拼裝完成、拉索安裝到位、鋼桁架間的連系桿件安裝完成后，即具備張拉條件。本工程拉索采用分批次流水且一次張拉到位的方法，主拉索張拉時，單根主拉索兩端同時張拉，張拉點設在桁架兩端位置。

5.3 張拉控制數(shù)據(jù)分析

通過對張拉前后張弦梁拱高的標高監(jiān)測，本工程8根張弦梁張拉后拱高豎向位移值在10～62 mm范圍內，符合設計控制的標準要求。另外，張拉過程中支座位移也全程受控。

6 結語

萊茵體育生活之城項目體育館屋面張弦梁鋼結構總用鋼量約775 t，工期75 d。針對張弦梁的結構特點和施工難度，深入研究了施工流程、輔助措施和張拉控制等方面的內容，并通過項目實踐獲得了可靠的數(shù)據(jù)支撐。通過合理的施工部署，完善過程施工工藝，在保證施工質量、安全、進度的前提下，圓滿地完成了大跨度張弦梁的施工。