[摘要]針對南昌國際體育中心體育場鋼結(jié)構(gòu)工程的大懸挑、大跨度、單向斜撐等結(jié)構(gòu)特點和施工難度，詳細介紹了高空分塊安裝法、結(jié)構(gòu)合龍、整體卸載等關(guān)鍵技術(shù)及難點，并通過對施工全過程有限元仿真分析證明，該技術(shù)高效、合理，保證了工程質(zhì)量和施工安全，并為此類體育場館的施工提供了一定的參考。

　　1、工程概況

　　南昌國際體育中心體育場占地面積67 248㎡ ，總建筑面積82 742㎡，體育場最多可容納觀眾約6萬人，為1座圓形建筑( 見圖1)。

圖1 南昌國際體育中心體育場

　　體育場鋼結(jié)構(gòu)屋蓋罩棚平面投影為環(huán)形，外環(huán)呈圓形，內(nèi)環(huán)呈橢圓形，南北方向呈“馬鞍形”，結(jié)構(gòu)為雙軸對稱。外環(huán)直徑為287. 8m，內(nèi)環(huán)長向( 南北向，y軸)212m，短向( 東西向，x 軸) 141.7m。體育場鋼結(jié)構(gòu)采用96 榀徑向主桁架、5 榀環(huán)桁架、部分收邊桁架、“V”形支撐和單向斜撐、192 只鑄鋼件節(jié)點等組成空間管桁架結(jié)構(gòu)( 見圖2a) ，徑向主桁架最大寬度為7. 0m( 見圖2b) ，最小寬度為2. 0m，徑向桁架最大懸挑47m，桁架最高點標高為51. 85m。桁架桿件為圓鋼管，材質(zhì)主要為Q345B，整個體育場鋼結(jié)構(gòu)用鋼量約為8 000t。

　　2、工程特點及難點

　　南昌國際體育中心體育場罩棚鋼桁架頂棚線條流暢，宛如旋轉(zhuǎn)的水流星，要體現(xiàn)這一建筑效果，保證鋼結(jié)構(gòu)外形曲線平滑是本工程的關(guān)鍵技術(shù)之一。主體育場結(jié)構(gòu)高度高，最高點標高為51. 85m，最低點標高34.50m，其上部結(jié)構(gòu)由96 個V 形柱支撐，東西向徑向桁架最大懸挑達47m，南北向徑向桁架懸挑長度達27m，同時罩棚又是一個封閉式結(jié)構(gòu)，全周長約800m，且頂棚桁架上下弦間斜撐單向布置。這種大懸挑、大跨度、單向斜撐組成的空間管桁架結(jié)構(gòu)，給結(jié)構(gòu)施工技術(shù)提出了較高要求。

圖2 體育場結(jié)構(gòu)

　　結(jié)合該工程的特點，通過對各種施工方案對比分析，選用高空分塊吊裝法進行施工。結(jié)構(gòu)施工難點主要包括:

　　①罩棚鋼桁架結(jié)構(gòu)懸挑跨度大，豎向變形大，為保證結(jié)構(gòu)外型尺寸線條流暢，需對結(jié)構(gòu)預起拱設(shè)計；

　　②本工程地面拼裝量大，地面的拼裝量約占整個工程的75% ，因此，地面拼裝精度保證是工程的重點；

　　③結(jié)構(gòu)高度高，吊裝分塊重量大，吊裝時穩(wěn)定性難以控制，對臨時支撐的要求高；

　　④分塊構(gòu)件安裝就位前的變形難以控制，測量定位困難，容易影響安裝精度；

　　⑤該結(jié)構(gòu)連續(xù)長度大且又為全封閉，要充分考慮環(huán)形結(jié)構(gòu)安裝誤差的累積，同時鋼結(jié)構(gòu)罩棚與下部混凝土柱采用支座固定，如果結(jié)構(gòu)整體施工不設(shè)置伸縮縫，施工過程中溫差變化會對安裝精度和結(jié)構(gòu)使用階段的安全性不利，因此罩棚合龍縫及合龍溫度控制至關(guān)重要；

　　⑥懸挑結(jié)構(gòu)的整體卸載，大懸挑結(jié)構(gòu)自重作用下結(jié)構(gòu)的變形大，卸載不當會造成結(jié)構(gòu)和支撐架的破壞，為了使罩棚結(jié)構(gòu)逐漸進入設(shè)計受力狀態(tài)，卸載過程支撐架荷載增加，需要分步、分級卸載，因此卸載過程的施工仿真分析和卸載順序控制是本工程的施工控制關(guān)鍵。

　　3、高空分塊吊裝分析

　　3. 1 高空分塊吊裝法的優(yōu)缺點

　　優(yōu)點: ①鋼構(gòu)件地面拼裝，減少了高空作業(yè)量以及高空操作腳手架用量，提高了施工質(zhì)量、工作效率及施工安全性，有利于文明施工，并便于發(fā)現(xiàn)問題和處理問題;

　　　　 ②擴大了鋼結(jié)構(gòu)主體施工面，提高了機械的使用效率，加快施工進度。

　　缺點: ①分割吊裝分塊時，必須保證分塊應是幾何不變體系，起吊后剛度、受力情況及變形變化較小；

　　　　 ②吊裝分塊重量大，對起重機的要求較高；

　　　　 ③施工過程中，要進行多次坐標轉(zhuǎn)換，地面拼裝增加了測量難度，提高了對場地的要求，同時需要增加臨時安裝胎架，預先計算各類變形量，并采取反變形措施；

　　　　 ④增加吊裝難度，由于吊裝分塊桿件多，重心難以把握，對掉點位置、數(shù)量、綁扎方式以及吊繩尺寸等必須通過計算才能實施。

　　3. 2 桁架地面拼裝( 見圖3)

圖3 桁架地面拼裝

　　本工程的拼裝焊接量大，是后續(xù)鋼結(jié)構(gòu)安裝得以順利進行的重要前提和保障，如何保證鋼構(gòu)件地面拼裝精度至關(guān)重要。因此針對本工程鋼結(jié)構(gòu)的特點，桁架的拼裝須做好以下控制:

　　①拼裝場地的設(shè)置須滿足要求，要能滿足構(gòu)件堆放、起重機和貨車的通行。拼裝場地布置合理與否，將直接關(guān)系到施工進度的快慢和安全文明施工管理水平的高低。

　　②拼裝胎架的設(shè)置主要滿足強度、穩(wěn)定性、方便現(xiàn)場拼裝及通用性等幾個原則。根據(jù)構(gòu)件體型特征設(shè)置不同的拼裝胎架，經(jīng)分析本工程主要拼裝胎架共有5 種形式:場外組合單元拼裝胎架、場外臨時擱置胎架、場外平面桁架拼裝胎架、場內(nèi)組合單元拼裝胎架及場內(nèi)臨時擱置胎架。拼裝胎架設(shè)置后要根據(jù)施工圖核對胎模具的位置、弧度、角度等情況，復測后進行構(gòu)件拼裝。

　　③桁架現(xiàn)場拼裝流程按照先下弦、上弦、腹桿，最后兩榀平面桁架間次桁架及系桿的順序安裝，為減小吊裝過程中桁架的變形及保護母材，在桁架端部以抱箍的形式設(shè)置臨時加強桿。并采用全站儀對桁架各個節(jié)點的坐標進行精確定位。桁架在胎架上拼裝完成后，解除桁架上的所有約束，使桁架處于自由狀態(tài)，并在此狀態(tài)下測量桁架的各項尺寸，進行分段驗收。

　　3. 3 桁架分塊吊裝工況

　　該體育場鋼結(jié)構(gòu)頂棚由96 榀徑向主桁架組成，為了保證吊裝分塊在吊裝過程中的整體穩(wěn)定性以及變形情況，并考慮分段點距離節(jié)點位置500 ～ 800mm，采用以每兩榀主桁架為一組裝整體，每一組裝整體根據(jù)吊裝重量以及構(gòu)件多少分為3 塊( 見圖4a)、2 塊( 見圖4b) 吊裝單元，逐步實現(xiàn)各單元高空擴散安裝。

圖4 桁架分塊示意

　　體育場鋼結(jié)構(gòu)工程中最復雜的第1 段外環(huán)吊裝單位空間尺寸寬8m，高28m，重量達22t，吊繩按最不利工況設(shè)置4 個吊點。采用有限元軟件Midas /Gen 分析計算，結(jié)果表明，吊裝單位在起吊過程中最大應力76. 4N /mm² ，遠小于容許應力310N /mm² ，說明分塊單元在吊裝過程中處于彈性變形階段，滿足應力要求，結(jié)構(gòu)安全。此吊裝方法給安裝帶來一定困難，尤其是圖4a 中的外環(huán)第2 分塊單元在高空定位時既要與外環(huán)第1 分塊單元對接，又要和其下的V 形柱連接，可能產(chǎn)生錯口現(xiàn)象，因此必須采取一定的措施調(diào)整分塊單元自由端的位置偏差，保證桿件高空定位的精確度，方便定位焊接，使桿件安裝質(zhì)量滿足相關(guān)質(zhì)量驗收規(guī)范要求。為達到最好的安裝效果，所有分塊單元吊裝過程中采用倒鏈輔助控制，所有外環(huán)第1 分塊單元在初步安裝后增設(shè)纜風繩，從而減少變形，提高安裝精度。

　　根據(jù)上述分段，場外桁架主要吊裝設(shè)備為200t 履帶式起重機，場內(nèi)桁架主要吊裝設(shè)備為300t 履帶式起重機。依據(jù)鋼結(jié)構(gòu)施工圖，體育場分為1 區(qū)，2 區(qū)，3 區(qū)和4 區(qū)( 見圖5)。經(jīng)分析本工程鋼結(jié)構(gòu)安裝總體順序為:1 區(qū)，2 區(qū)同步先行施工；3 區(qū)和4 區(qū)后續(xù)施工。

圖5 體育場的施工順序

　　3. 4 臨時支撐設(shè)計

支撐架的設(shè)計與布置主要考慮:

①結(jié)構(gòu)吊裝過程的安全因素及結(jié)構(gòu)卸載時所承受的最不利工況；

②結(jié)合土建現(xiàn)場情況布置，應盡量設(shè)置在混凝土柱頭上。

綜合以上鋼結(jié)構(gòu)安裝分段和結(jié)構(gòu)受力特點，在內(nèi)環(huán)每榀主桁架底部均設(shè)置臨時支撐96 個，支撐架選擇本公司專利產(chǎn)品“裝配式格構(gòu)承重支架的標準節(jié)”。首先用千斤頂進行調(diào)整桁架位置，并根據(jù)設(shè)計驗算對內(nèi)環(huán)桁架做預起處理，調(diào)整完畢后，可抽出千斤頂，由兩側(cè)定位裝置對桁架進行固定，對于支撐點不在豎向立桿位置時，應加設(shè)臨時加強桿( 見圖6 )。在體育場主體鋼結(jié)構(gòu)安裝、合龍完成，并成功卸載后方可對支撐架進行拆除。

圖6 臨時支撐胎架

　　3. 5 結(jié)構(gòu)合龍

　　根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)吊裝總體施工順序，罩棚鋼結(jié)構(gòu)吊裝時，采用從中間向南北兩端( 即從東西向的結(jié)構(gòu)最大標高位置向南北向的結(jié)構(gòu)最低標高方向) 的施工順序，罩棚鋼結(jié)構(gòu)連續(xù)長度約為800m，且場內(nèi)懸挑，罩棚最大寬度64m，最大懸挑47m，結(jié)構(gòu)連續(xù)長度大且又為全封閉，同時鋼結(jié)構(gòu)罩棚與下部混凝土柱采用支座固定，如果結(jié)構(gòu)整體施工不設(shè)置伸縮縫，施工過程中溫差變化會對安裝精度和結(jié)構(gòu)使用階段的安全性不利。

　　罩棚合龍縫設(shè)置在結(jié)構(gòu)南北向的標高最低點，根據(jù)計算，該處桿件的應力相對較小，合龍溫度控制在20 ～ 25℃ ，結(jié)構(gòu)在安裝過程中，產(chǎn)生的初始應力最小。

　　4、整體卸載

　　支撐拆除過程是一個結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換的過程，結(jié)構(gòu)變形及內(nèi)力重新分配，支撐胎架的支點反力也會隨著卸載方案及卸載順序不同而發(fā)生變化，為了使結(jié)構(gòu)逐漸進入設(shè)計受力狀態(tài)及支撐架在卸載過程中不發(fā)生破壞，必須選擇合理的卸載順序及卸載等級，并對卸載階段結(jié)構(gòu)的安全性進行計算分析。拆撐卸載的原則是:以結(jié)構(gòu)計算為依據(jù)，以結(jié)構(gòu)和支撐安全為宗旨，以變形協(xié)調(diào)為核心，以實時監(jiān)測為手段。根據(jù)這一原則，通過計算確定卸載方法。卸載方法分為等比法和等距法。可采用液壓千斤頂、螺旋千斤頂、氣墊等實現(xiàn)。

　　體育場罩棚鋼結(jié)構(gòu)在吊裝時，是在每一徑向主榀桁架下設(shè)置臨時支撐胎架支承的空間結(jié)構(gòu)體系，在主體鋼結(jié)構(gòu)安裝完成，并完成所有的焊接工作，罩棚合龍后，對已經(jīng)形成的主結(jié)構(gòu)和次結(jié)構(gòu)進行整體同步卸載。支撐架的卸載方式采用分步、分級方式進行。根據(jù)有限元軟件Midas /Gen 對卸載過程進行仿真分析得知，結(jié)構(gòu)在完全卸載后最大豎向位移為66mm，發(fā)生在內(nèi)環(huán)短向端的臨時支撐處，內(nèi)環(huán)長向端支撐處的豎向位移相對較小，僅28mm。本工程利用千斤頂采用等距法進行卸載( 見圖7a) ，按照約定的10mm / 次的卸載量，96個千斤頂同時進行卸載?？傮w同步卸載原則為:統(tǒng)一指揮、分步有序、實時反饋。當千斤頂行程不夠時，利用兩邊固定裝置進行轉(zhuǎn)換，重復以上過程，直到桁架底面與千斤頂和兩側(cè)固定裝置全部脫離，卸載完成( 見圖7b)。

圖7 整體卸載

　　5、施工監(jiān)測

　　施工監(jiān)測的目的是為了實時跟蹤結(jié)構(gòu)施工過程中關(guān)鍵部位的變形、應力變化，以及振動、溫度等影響。通過實時收集到信息，判斷原有的預期和實際發(fā)生的是否一致，以便及時調(diào)整，使結(jié)構(gòu)實施的準確性和安全性得到保證。

　　變形監(jiān)測包括軸線和標高監(jiān)測。軸線監(jiān)測是觀測已施工結(jié)構(gòu)軸線位置相對于預定軸線位置的偏差，使用全站儀進行測量。標高監(jiān)測是觀察結(jié)構(gòu)高度是否達到設(shè)計標高，采用精密水準儀進行測量。該體育場頂棚線條流暢，且存在大量的多管相貫節(jié)點，因此要求安裝精度極高。監(jiān)測遵循“由整體到局部”的原則，采用“內(nèi)、外結(jié)合控制法”，建筑物定位軸線允許偏離理論軸線量為L /20 000 ( L 為定位軸線長) ，且不應大于3.0mm，縱橫向桁架高度允許偏差10mm，跨中垂直度允許偏差為10mm( 相對誤差)。

　　應力監(jiān)測是施工中非常重要的內(nèi)容，其目的是掌握施工過程中關(guān)鍵構(gòu)件應力變化情況。并及時發(fā)現(xiàn)問題，采取措施，使關(guān)鍵部位構(gòu)件應變不超過規(guī)定數(shù)值，保證結(jié)構(gòu)安全，應力監(jiān)測部位一般設(shè)置在最大應力點、應力變化最大點、施工關(guān)鍵節(jié)點和體現(xiàn)環(huán)境特征的點。本工程在結(jié)構(gòu)整體卸載過程中，通過分析實測應變數(shù)據(jù)，與理論數(shù)據(jù)進行對比發(fā)現(xiàn)，兩組數(shù)據(jù)基本吻合，卸載方案安全、合理。

　　6、結(jié)語

　　針對南昌國際中心體育場鋼結(jié)構(gòu)工程的大懸挑、大跨度、單向斜撐等結(jié)構(gòu)特點，應用高空分塊安裝的施工方案合理、高效，比原定工期縮短35d，確保工程質(zhì)量和施工安全，同時為此類體育場館的施工提供了一定的參考。