大懸挑體育場空間管桁架整體吊裝施工技術研究

張松華 付 婧 孫 健

隨著我國體育事業的蓬勃發展、大型會展業的興起以及大規模集體文娛活動的增多，人們對于具備較大空間跨度、出色受力性能和優美造型的大跨度及大懸挑公共建筑的需求日益增長[1]，因此管桁架結構被廣泛應用于大跨度空間結構。但由于其造型獨特，導致施工過程中涉及大量焊接作業、吊裝作業和高空作業等，進而增加了施工風險和工期風險[2]。

為了減少高空焊接作業量，降低高空作業風險，加快施工進度，并提高桁架的安裝精度和焊接質量，河南省洛寧縣全民健身體育活動中心項目的鋼結構工程積極創新，專注于大懸挑倒三角桁架整體吊裝施工的技術攻關，并對其施工工藝進行專項研究。這項研究取得了2 項國家實用新型專利，分別為《一種用于異型鋼結構制作的鋼胎膜結構》和《防止鋼絲繩彈射的吊裝裝置》。

1 項目概述和工藝流程

體育場的屋蓋采用帶有加強桁架的空間單層網殼結構，最大懸挑長度約30 m。整個屋蓋呈不規則弧面，上下兩部分對稱排列，總質量約為920 t。該結構共設置了10 個豎向桁架，桁架截面形狀為三角形，三角腹桿和內弦桿采用圓管型材，在弧形豎向桁架中間設置支座點。單榀桁架最重達75 t，通過先在地面整體拼裝，然后整體吊裝的方式進行安裝。管桁架現場拼裝工藝流程如圖1 所示。

圖1 管桁架現場拼裝工藝流程（來源：作者自繪）

2 操作要點

2.1 定位放樣和埋設預埋件

十字鋼柱預埋件的頂板即為桁架支座底板，因此要嚴格控制頂板的高程和中心點的坐標。在土建施工階段，先將框架柱澆筑至設計高度，并提前埋設錨栓和定位鋼板，當混凝土達到強度要求后，將預置的十字鋼柱預埋件安裝到相應位置[3]。

為了確保預埋件的穩固，采用密實灌漿料對預埋件下部至混凝土面之間進行灌漿，其他部位按照設計要求澆筑常規混凝土。混凝土強度達到設計強度的70%以上，才能安裝桁架[4]。在深化設計時，需要特別注意土建框架柱鋼筋與預埋件綁扎的順序，以免發生沖突。

2.2 搭設地面拼裝胎架

桁架地面拼裝胎架需要采用300 mm×200 mm×6 mm×8 mm 的焊接H 型鋼，間距為6 m，其他弦桿支撐架根據位置和高度進行相應調整。三角桁架拼接胎架示意圖如圖2 所示。為確保各主管的尺寸和形狀正確，在裝配之前要進行預拼裝。先在管件連接處增加連接耳板，用螺栓連接管件，然后檢查連接的正確性，如有不符合要求的情況應立即矯正。在裝配平臺上，利用組裝胎架裝配桁架的主管和主管之間的腹桿，裝配順序為先在胎架上組裝上弦和下弦主管，確定它們的空間位置，再裝配腹桿并進行定位，最后焊接。桁架拼裝示意圖，如圖3所示。

圖2 三角桁架拼接胎架示意圖（來源：作者自繪）

圖3 桁架拼裝示意圖（來源：作者自繪）

2.3 測量矯正

對于地面拼裝、整體吊裝的桁架施工方法，節點控制至關重要。要特別注意控制胎架的定位，根據臨時支撐布置圖放出支撐架的控制軸線和定位十字線，在安裝支撐架時要與十字線對齊[5]?？臻g桁架拼裝角度變化較大，桁架上各點的標高也相應變化，因此需要在桁架上選取分段支撐處的上弦、下弦節點作為坐標控制點。在計算機仿真模型測量出桁架桿件的定位坐標，并與測點進行坐標轉換，再使用全站儀精確定位。使用全站儀檢測支撐架頂端是否控制在預定坐標范圍內，并在支承架的頂端和側面標記明顯的十字線加以區分[6-8]。

2.4 管桁架現場拼裝

在已經測平的平臺上，標記出桁架控制點的水平投影點。首先，將胎架焊接在平臺上，使用水準儀等儀器測量控制點的垂直標高。通過調節水平調整板或螺栓，確保構件控制點的垂直標高尺寸符合圖紙要求。其次，在胎架上按照具體位置放置單板節點和弦桿。使用掛錘球等儀器，確保桁架上控制點的垂直投影點與平臺上標記的控制點重合，并固定定位塊，確保弦桿位置正確。再次，在胎架上繪制各主管節點的中心線，確定主管的相對位置時，須考慮焊接收縮余量[9-11]。安裝腹桿并進行定位焊接，至少采用4 個焊接點。最后，對桁架進行焊接。先焊接未靠胎架的一面，完成后使用吊機將桁架翻轉，再焊接另一面。為確保焊接質量，盡量避免仰焊和立焊。在組裝過程中，應考慮桁架的預起拱值。根據規范要求，在跨度大于24 m的情況下，可采用L/500的預起拱值（L為桁架跨度），而對于較小跨度的桁架則無須進行預起拱。

2.5 焊接施工

本項目采用二氧化碳氣體保護焊工藝進行焊接。為了防止焊接應力引起變形，主桁架的焊接工作分成2 個步驟―首先焊接主管的對接焊縫，然后焊接支管。在焊接支管時，應從桁架的中間管開始焊接，逐漸向兩側進行[12]。

2.6 管桁架結構安裝

管桁架結構現場安裝的主要順序：軸線復測―桁架吊裝―桁架支座相貫焊接―水平系桿焊接―屋面檁條安裝―屋面系統安裝[13]。

試件核心鋼骨部分為柱貫通式節點，由焊接工字鋼組合焊接而成，左右鋼梁采用熔透對接焊縫焊接，鋼材材料基本力學性能見表2。再生混凝土強度等級為C40，再生粗骨料來源于拆遷建筑的廢棄混凝土，其各項材料指標基本能滿足《混凝土用再生粗骨料》(GB/T25177-2010)[8]的配置要求，再生混凝土基本力學性能指標見表3。

現場桁架的安裝施工要點如下：

1）安裝工況驗算。

2）桁架吊裝。選擇合適的吊車吊裝桁架，每臺吊車的綁扎點選在距離吊裝單元端部1/4 的位置。吊裝前采用懸吊鋼尺和水準儀法將標高引測到下部結構，控制桁架與下部結構相貫各點的標高。吊裝時注意用溜繩控制兩端，并緩慢將桁架梁放置到位。

3）相貫節點焊接。首先焊接桁架梁弦桿和下部結構，然后安裝連接桁架梁之間的支撐桁架桿件，待所有構件安裝焊接工序完成之后，卸載吊點并摘鉤。

4）高空補桿焊接。高空補桿采用手工電弧焊或二氧化碳氣體保護焊的方法，按照先主管后次管、先對接后角焊的順序進行分層分區焊接，確保每個區域形成穩定的空間體系，減少安裝誤差。

5）安裝質量檢測。采用外觀檢測和超聲波無損探傷的方法檢測安裝質量，其中外觀檢測主要檢查焊接方法、焊接電流和焊條直徑等，對所有全熔透焊縫進行超聲波探傷并記錄，確保符合相關規范要求。

另外，胎架數量要根據現場情況、吊裝要求和施工周期確定，以確保管桁架拼裝和安裝速度相匹配，減少或避免窩工現象。

2.7 吊裝計算

某單榀桁架質量為70.1 t，計劃采用300 t 的履帶式起重機進行吊裝，通過軟件模擬吊裝工況下的位置和變形情況，如圖4 所示。

圖4 軟件模擬吊裝工況示意圖（來源：作者自繪）

為了控制桁架的位置和角度，可以在下部連接2 根鋼絲繩，在每根鋼絲繩上安裝1 個32 t 的手拉葫蘆，用于調整桁架的角度。手拉葫蘆的手鏈長度設置為20 m，便于操作人員在地面操作。

桁架最大立面寬度為3.8 m，吊車的作業半徑在15 m 內。根據300 t履帶式起重機的性能參數，其主臂為48 m，吊車額定起重量為116 t，被吊物體質量為70.1 t，動力系數取1.3。根據相關規范計算可得吊車的豎向荷載為95.16 t，小于額定起重量，可以滿足吊裝要求。

2.8 鋼桁架初步起吊和空中姿態調整

為避免損壞桁架構件，在地面拼裝時桁架處于平放狀態。但在吊車將桁架提升至設計安裝姿態的直立過程中，底部可能會沿地面滑移。為了解決這一問題，需要配置一臺80 t 的吊車提升桁架底部，并配合將其移動到直立位置[14]。

起重吊裝工作必須嚴格按照規范和履帶式起重機、汽車起重機使用說明書的要求進行。在正式起吊之前，應先進行試吊。試吊應緩慢進行，當離地50 cm 后需停留一段時間，觀察構件是否有明顯變形，確保吊點沒有問題后才能正式起吊。在起吊過程中要緩慢提升，并根據軟件模擬的翻身過程，保證只有底部的2 個吊點承受力。桁架直立過程需要緩慢進行，保證輔助吊車的桿件微微離開地面。直立完成后，可以使用預先設置好的手拉葫蘆調整角度[15]。

2.9 下弦桿與支座焊接

調整好桁架的角度后，需要將其旋轉到土建基礎預埋件的對應位置。利用預先點焊在支座位置上的鋼板調整定位，調整完成后，將桁架下弦桿與支座進行定位焊接。為保持桁架的穩定，需要在桁架兩側的垂直方向拉設纜風繩，在桁架靠近建筑物的位置設置撐桿，預防左右傾覆。

摘鉤和卸鋼絲繩的過程如下：桁架頂部距離吊點高度約5.5 m，在吊鉤解開后，吊臂會出現一定偏移，需要在看臺頂部落鉤并進行摘鉤操作。這樣吊索就會靠近看臺位置，然后沿著預先設計好的爬梯上人拆除，下部的吊索拆卸可以使用云梯車上人拆除。

在首榀桁架吊裝完成后，通過在接近端點位置向兩側拉設纜風繩和圓管支撐措施，保持桁架結構就位穩定，形成穩固結構。后續依次按照由中間向兩邊的順序進行桁架吊裝，桁架間同樣采取連接穩定措施。以相同方法安裝剩余9 榀桁架，在完成2 榀后即可進行穿插施工，安裝桁架間的網殼。

3 結語

本文以洛寧縣全民健身體育活動中心為例，研究大懸挑體育場空間管桁架整體吊裝施工技術的具體應用。通過地面拼裝、整體吊裝的方法，有效解決了高空分段拼接安裝施工中耗費人力物力大、施工周期長、精確度無法保證等難題，確保了施工的安全可靠，并取得了顯著的經濟效益。