廈門新體育中心體育館雙曲異形鋼屋蓋施工技術

文／陳娜茹、陳景鎮、藍明紅、蔣晨、王源興 中國建筑第四工程局有限公司/中建四局建設發展有限公司福建廈門 361000

1、工程概況

新體育中心工程II標段體育館建筑主體結構為混凝土框架+鋼屋蓋結構（即主體結構為混凝土框架結構，屋蓋為鋼屋蓋）。體育館通過鋼桁架連接體與配套綜合訓練館相連。體育館鋼結構屋蓋結構如圖1所示。體育館屋蓋為帶加勁肋桁架的空間雙曲網殼結構，該部分主要分為內網殼和外網殼兩部分。內網殼主要包括倒三角管桁架、平面桁架、雙曲網殼三部分；外網殼主要為雙曲網殼鋼架，內外部分通過網殼環梁連接。縱向最大跨度為217m，橫向最大跨度為170m。連接體為大跨度鋼桁架結構。主要由主桁架、次桁架及桁架柱組成。

圖1 體育館屋蓋鋼結構效果圖

2、工程難點分析

2.1 安裝工況分析

本工程鋼屋蓋結構體系復雜，屋面為曲面異型結構，空間中不共面弧形桿件交匯；鋼屋蓋包含空間三角管桁架、平面桁架、雙曲網殼等，結構體系復雜；鋼屋蓋跨度大，屋蓋安裝時合攏困難；鋼屋蓋施工過程受力體系轉換復雜，鋼屋蓋安裝工況分析困難。

2.2 安裝精度控制

鋼屋蓋結構跨度長、自重大，構件自然支撐的狀態下產生較大的變形。屋蓋組成構件多、各構件在空間穿插，安裝過程中易產生安裝誤差及變形累積，影響構件間的對接，安裝進度不易控制。此外安裝過程中環境溫度產生的溫度應力、焊接產生的殘余應變等次生應力，導致構件的累積變形增大。

2.3 建筑場地氣候環境

項目位于東南沿海地區，夏秋季節臺風頻發。鋼屋蓋的吊裝處于臺風季，鋼構件安裝受強風天氣的影響大，增大構件吊裝的難度，施工時必須考慮風荷載對鋼屋蓋安裝的影響，采取有效的臨時固定措施，確保強風條件下屋蓋吊裝的順利進行。根據工程結構特點、場地平面情況，合理確定構件分段和吊裝位置是鋼屋蓋安裝的難點。

3、屋蓋吊裝方案

3.1 體育館整體安裝

比賽館屋蓋鋼結構主要包括雙曲內網殼、屋蓋外鋼架兩部分。外圈鋼架共77榀，倒三角桁架跨度約117m，寬8m，最大高度約12m。將內網殼及外鋼架部分為5個區域，編號分別為BN-1～BN-5、BW-1～BW-5，比賽館屋蓋分區情況見圖2。

圖2 體育館屋蓋結構分區

安裝方案采用環梁外部鋼架原位拼裝+場芯整體提升技術。外部環梁屋蓋部分，采用兩臺800t和2臺150t履帶吊，從兩側同時進行7字鋼架主桿件安裝，左側依次從BW-1區安裝至BW-2區，右側次從BW-3、區安裝至BW-5區，完成7字鋼架主桿件安裝。每跨主桿件安裝完畢后輔以塔吊及時進行嵌補桿件安裝。安裝外圍鋼架的同時，在比賽館內進行場芯提升區部分的地面拼裝，待外圍鋼架安裝完成及提升區構件拼裝就位，采用四吊點場芯同步提升技術，將場芯整體提升至設計標高位置。提升就位后，按順時針方向依次完成BN-1區～BN-4區外鋼架與場芯合攏段網殼結構的安裝。至此完成體育館的安裝。

3.2 環梁安裝方案

比賽館環梁采用2臺800t履帶吊分別從東西兩側由南向北安裝，環梁首次吊裝長度大于支座間的距離，此后每段環梁延伸至支座端。環梁為等截面均值構件，為確保吊裝過程的安全性，吊點位置的設置應使各截面受力均勻，保持各危險截面彎矩大致相等；在吊裝過程中，應確保構件的穩定性，防止構件發生反轉、滑動；采用多吊點起吊構件時，應最大程度控制吊索合力作用方向通過構件質心。

環梁分段形式共有曲線型和直線型兩種，直線型構件采用兩點吊裝，曲線型構件采用三點吊裝。鋼絲繩與構件的水平夾角α控制在45～60°之間。環梁吊點位置如圖3、圖4所示。

圖3 直線型環梁吊點設置

圖4 曲型環梁吊點設置

直線環梁吊裝時，吊點對稱設置在構件兩端。為確保構件受力均勻，防止起到過程中構件局部應力集中，吊裝構件單位長度的自重為q，令構件提升點A處負彎矩MA的絕對值（見公式1）與跨中B處正彎矩MB（見公式2）相等，可得吊點距構件端部的距離a（見公式3)。

式中：M、M——吊點A、B彎矩；

q——吊裝構件單位長度的自重；

a——吊點距構件端部的距離；

L——起吊構件長度。

曲線型環梁吊裝時，采用三點吊裝，中間吊點居中布置，兩邊對稱布置，兩端吊點距離端部的距離為a。1/4圓環梁吊裝時分8段吊裝。中心吊點距曲線型構件重心的距離為y（見公式4），吊點距離重心最大的距離為0.006R。其中，θ為曲線環梁繞圓心所轉過的角度，R為曲線環梁的半徑。不考慮環梁的形狀的影響，采用環梁兩端連線作為內力計算模型。吊點A、B產生的負彎矩分別為MA(見公式5)、MB(見公式6)。令構件提升點A處彎矩MA與構件中點B處彎矩MB相等可得到吊點距構件端部的距離a(見公式7)。

式中：y——中心吊點距曲線型構件重心的距離

R——曲線環梁曲線環梁的半徑

3.3 外鋼架安裝方案

7字鋼架最大重量37.3t，高度36m，寬度39m，采用350t履帶吊在36m主臂和66m副臂的工況下，28m吊裝半徑內起重量為51.4t，吊裝安全系數為1.38，滿足屋蓋吊裝需求。根據現場場地條件以及混凝土結構情況，將外鋼架分為整榀安裝及柱、梁先后安裝2種方式。針對7字鋼架斜柱斜度較大情況，采取胎架支撐斜柱的方式進行安裝。當鋼架網殼下方無支撐胎架條件，先安裝斜柱子時，斜柱頂端位移＜30mm，采用先裝斜柱，后裝橫梁方式；對于無條件對斜柱進行胎架支撐，但有條件對橫梁進行支撐的，采取胎架支撐橫梁的措施，同時對先裝的橫梁進行頂端加固，減少滑動支座的移動。梁柱分開吊裝斜柱位移較大時，采用整榀吊裝方式，整榀吊裝如圖5所示。整榀吊裝時，采用雙重加強措施，一道為7字鋼架柱梁之間采用型鋼HN450×200×9×4進行剛性連接，防止梁柱節點應力集中，增強結構穩定性；一道為鋼絲繩搭配葫蘆的柔性加固措施，以鋼絲繩的抗拉性能限制7字鋼架梁柱間的相對位移，確保鋼架安裝的精度。7字鋼架吊裝就位后，梁端與圓管環梁進行連接，同時考慮到支座為滑動支座，在梁端節點處設置“丁”字型工字鋼與勁性環梁進行剛性連接。

圖5 整榀安裝措施圖

3.4 場芯整體提升技術

采用場芯整體提升技術即場芯結構在地面拼裝成整體后，采用“超大型液壓同步提升施工技術”將其整體提升到設計標高，再與環梁外部鋼架進行對口處的桿件焊接。從場芯、外部鋼架兩個部位向空間網殼邊緣BN區進行合攏實現體育館鋼屋蓋的封閉。場芯整體提升較普通單向安裝技術，降低現場高空的施工質量和施工難度，減小鋼屋蓋安裝時的懸臂長度及變形累加，提高體育館屋蓋安裝的精度。場芯提升點的設置應根據提升結構的剛度及結構使用階段的受力情況，使提升過程結構的受力情況較為均勻。本工程根據場芯結構特點對稱設置4個起吊點。

提升支架采用三角形的格構式支架，支架頂部設置上下小梁作為分配梁。提升吊點由上下吊點組成，下吊點連接提升吊環，提升吊環穿過提升點投影處的下弦桿連接屋蓋，上吊點通過在提升梁跨中布置液壓提升器，上下吊點通過鋼絞線連接。提升梁作為反力梁為屋蓋提升提供支點，提升過程中，提升梁將屋蓋的重力傳遞至三角形格構式支架。提升下吊點如圖6所示。

圖6 下吊點構造圖

在鋼架結構的設計位置正下方投影地面對提升胎架、提升器、吊具等進行拼裝，而后進行調試。提升過程中各提升點間的隨機位移差，引起提升結構內部桿件的應力變化。不考慮結構自重及施工荷載的影響，則可知任意提升點產生位移差時提升結構的平衡方程為（公式8）：

式中：n的取值為1、2、3、4，Δi為節點i產生的位移，Kij為吊點j單位位移作用下在吊點i產生的附加約束力，Fi為吊點i位置作用的外力。由式8可知，起吊過程中各吊點位移差導致起吊結構桿件受壓發生屈曲或產生附加應力，各點位移差間的關系相互影響，當位移差超過限值時，會使提升結構產生局部失穩或破壞。起吊過程中，應嚴格控制各吊點的提升位移，提升過程中，應放慢提升速度，連續測量吊點間的高差，緩慢提升到鋼架結構設計位置，鎖緊液壓提升器，復測各吊點提升高度，確保達到設計要求。場芯提升就位后，安裝鋼架的候補合攏段、上下弦桿對口連接，檢測其焊接質量，質檢合格后，鋼架結構荷載逐步轉移至鋼骨柱結構，拆除液壓提升器、承重鋼絞線等提升設備設施提升工作完成。

4、屋蓋結構安裝過程模擬分析

4.1 屋蓋安裝有限元分析

根據擬定的鋼屋蓋施工方案，應用有限元軟件Midas Gen建立屋蓋整體模型，對屋蓋吊裝過程進行全過程模擬，分析安裝過程中結構的內力和位移。體育館計算模型為整體模型。按照擬定施工步驟將結構構件、支座約束、荷載工況劃分為組，按照施工步驟、工期進度進行施工階段定義。模型采用僅受壓單元模擬各施工工況鋼屋蓋的應力及變形。計算荷載考慮1.1倍結構自重作用。屋蓋安裝有限元分析結果如圖7、圖8所示。

圖7 屋蓋位移云圖

圖8 屋蓋應力云圖

屋蓋主梁、桁架在永久和可變荷載標準值作用下產生的撓度不應超過跨度的1/400，由計算結果可知，體育館鋼屋蓋安裝過程中各構件的變形和內力均未超過規范限值。胎架卸落前，各構件最大豎向位移及桿件最大應力發生于內網殼結構與整體提升部位合攏完畢時，鋼屋蓋最大位移出現在南側倒三角桁架跨中部位，位移值為45.2mm，支撐胎架全部卸落后，場芯最大豎向位移為110.6mm。鋼屋蓋桿件最大應力為場芯整體提升部位，桿件最大應力達148.8N/mm，支撐胎架全部卸落后，屋蓋構件最大應力為156.2N/mm。屋蓋安裝時最大應力均小于規范中Q355B鋼材的強度要求。

4.2 場芯整體提升有限元分析

采用Midas Gen針對體育館場芯整體提升施工工藝進行有限元模擬，計算模型取自設計模型，荷載考慮1.1倍結構自重，并考慮兩個垂直方向風荷載作用的影響。根據有限元計算結果所示，場芯提升過程中，結構出現最大位移位置在提升區中心區域，最大位移達40.1mm，結構最大應力為72.3MPa，最大應力滿足規范規定的材料強度設計值。屋蓋提升過程中，提升架最大應力為181.1MPa，滿足提升架鋼材的強度要求。通過對鋼屋蓋整體提升系統進行屈曲分析，提升系統整體臨界荷載系數為130＞1，滿足穩定性要求。綜上所述，采用整體提升施工工藝，場芯提升區域結構強度及整體穩定性滿足要求。場芯提升有限元模型及結果。

結語：

綜上所述， 采用原位安裝+整體提升技術鋼屋蓋安裝技術，整個提升過程安全可靠；原位安裝+整體提升技術從內、外進行鋼屋蓋同步安裝，減小鋼屋蓋安裝時的懸臂長度及變形累加，提高體育館屋蓋安裝的精度；構件吊裝時，直線型構件采用兩點吊裝，吊點距離構件端部0.207L，曲線型構件采用三點吊裝，中間吊點居中布置，兩邊對稱布置，兩端吊點距離端部0.145L；采用鋼屋蓋整體提升技術，通過提升設備擴展組合，提升重量、跨度、面積不受限制，適宜于在狹小空間或室內進行大噸位構件提升。