[摘要]針對(duì)南昌國(guó)際體育中心體育場(chǎng)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(diǎn)和施工難度，詳細(xì)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(diǎn)，并通過(guò)對(duì)施工全過(guò)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(lèi)體育場(chǎng)館的施工提供了一定的參考。

　　1、工程概況

　　南昌國(guó)際體育中心體育場(chǎng)占地面積67 248㎡ ，總建筑面積82 742㎡，體育場(chǎng)最多可容納觀眾約6萬(wàn)人，為1座圓形建筑( 見(jiàn)圖1)。

圖1 南昌國(guó)際體育中心體育場(chǎng)

　　體育場(chǎng)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(duì)稱(chēng)。外環(huán)直徑為287. 8m，內(nèi)環(huán)長(zhǎng)向( 南北向，y軸)212m，短向( 東西向，x 軸) 141.7m。體育場(chǎng)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(diǎn)等組成空間管桁架結(jié)構(gòu)( 見(jiàn)圖2a) ，徑向主桁架最大寬度為7. 0m( 見(jiàn)圖2b) ，最小寬度為2. 0m，徑向桁架最大懸挑47m，桁架最高點(diǎn)標(biāo)高為51. 85m。桁架桿件為圓鋼管，材質(zhì)主要為Q345B，整個(gè)體育場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)用鋼量約為8 000t。

　　2、工程特點(diǎn)及難點(diǎn)

　　南昌國(guó)際體育中心體育場(chǎng)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(chǎng)結(jié)構(gòu)高度高，最高點(diǎn)標(biāo)高為51. 85m，最低點(diǎn)標(biāo)高34.50m，其上部結(jié)構(gòu)由96 個(gè)V 形柱支撐，東西向徑向桁架最大懸挑達(dá)47m，南北向徑向桁架懸挑長(zhǎng)度達(dá)27m，同時(shí)罩棚又是一個(gè)封閉式結(jié)構(gòu)，全周長(zhǎng)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(chǎng)結(jié)構(gòu)

　　結(jié)合該工程的特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)各種施工方案對(duì)比分析，選用高空分塊吊裝法進(jìn)行施工。結(jié)構(gòu)施工難點(diǎn)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(duì)結(jié)構(gòu)預(yù)起拱設(shè)計(jì)；

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

　　③結(jié)構(gòu)高度高，吊裝分塊重量大，吊裝時(shí)穩(wěn)定性難以控制，對(duì)臨時(shí)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(cè)量定位困難，容易影響安裝精度；

　　⑤該結(jié)構(gòu)連續(xù)長(zhǎng)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(shí)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(guò)程中溫差變化會(huì)對(duì)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(dāng)會(huì)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(jìn)入設(shè)計(jì)受力狀態(tài)，卸載過(guò)程支撐架荷載增加，需要分步、分級(jí)卸載，因此卸載過(guò)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(diǎn)

　　優(yōu)點(diǎn): 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(wèn)題和處理問(wèn)題;

　　　　 ②擴(kuò)大了鋼結(jié)構(gòu)主體施工面，提高了機(jī)械的使用效率，加快施工進(jìn)度。

　　缺點(diǎn): ①分割吊裝分塊時(shí)，必須保證分塊應(yīng)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(duì)起重機(jī)的要求較高；

　　　　 ③施工過(guò)程中，要進(jìn)行多次坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，地面拼裝增加了測(cè)量難度，提高了對(duì)場(chǎng)地的要求，同時(shí)需要增加臨時(shí)安裝胎架，預(yù)先計(jì)算各類(lèi)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(duì)掉點(diǎn)位置、數(shù)量、綁扎方式以及吊繩尺寸等必須通過(guò)計(jì)算才能實(shí)施。

　　3. 2 桁架地面拼裝( 見(jiàn)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(jìn)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(duì)本工程鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，桁架的拼裝須做好以下控制:

　　①拼裝場(chǎng)地的設(shè)置須滿足要求，要能滿足構(gòu)件堆放、起重機(jī)和貨車(chē)的通行。拼裝場(chǎng)地布置合理與否，將直接關(guān)系到施工進(jìn)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(qiáng)度、穩(wěn)定性、方便現(xiàn)場(chǎng)拼裝及通用性等幾個(gè)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(chǎng)外組合單元拼裝胎架、場(chǎng)外臨時(shí)擱置胎架、場(chǎng)外平面桁架拼裝胎架、場(chǎng)內(nèi)組合單元拼裝胎架及場(chǎng)內(nèi)臨時(shí)擱置胎架。拼裝胎架設(shè)置后要根據(jù)施工圖核對(duì)胎模具的位置、弧度、角度等情況，復(fù)測(cè)后進(jìn)行構(gòu)件拼裝。

　　③桁架現(xiàn)場(chǎng)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(guò)程中桁架的變形及保護(hù)母材，在桁架端部以抱箍的形式設(shè)置臨時(shí)加強(qiáng)桿。并采用全站儀對(duì)桁架各個(gè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)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(cè)量桁架的各項(xiàng)尺寸，進(jìn)行分段驗(yàn)收。

　　3. 3 桁架分塊吊裝工況

　　該體育場(chǎng)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(guò)程中的整體穩(wěn)定性以及變形情況，并考慮分段點(diǎn)距離節(jié)點(diǎn)位置500 ～ 800mm，采用以每?jī)砷麒旒転橐唤M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(jiàn)圖4a)、2 塊( 見(jiàn)圖4b) 吊裝單元，逐步實(shí)現(xiàn)各單元高空擴(kuò)散安裝。

圖4 桁架分塊示意

　　體育場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)工程中最復(fù)雜的第1 段外環(huán)吊裝單位空間尺寸寬8m，高28m，重量達(dá)22t，吊繩按最不利工況設(shè)置4 個(gè)吊點(diǎn)。采用有限元軟件Midas /Gen 分析計(jì)算，結(jié)果表明，吊裝單位在起吊過(guò)程中最大應(yīng)力76. 4N /mm² ，遠(yuǎn)小于容許應(yīng)力310N /mm² ，說(shuō)明分塊單元在吊裝過(guò)程中處于彈性變形階段，滿足應(yīng)力要求，結(jié)構(gòu)安全。此吊裝方法給安裝帶來(lái)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(shí)既要與外環(huán)第1 分塊單元對(duì)接，又要和其下的V 形柱連接，可能產(chǎn)生錯(cuò)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(yàn)收規(guī)范要求。為達(dá)到最好的安裝效果，所有分塊單元吊裝過(guò)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(fēng)繩，從而減少變形，提高安裝精度。

　　根據(jù)上述分段，場(chǎng)外桁架主要吊裝設(shè)備為200t 履帶式起重機(jī)，場(chǎng)內(nèi)桁架主要吊裝設(shè)備為300t 履帶式起重機(jī)。依據(jù)鋼結(jié)構(gòu)施工圖，體育場(chǎng)分為1 區(qū)，2 區(qū)，3 區(qū)和4 區(qū)( 見(jiàn)圖5)。經(jīng)分析本工程鋼結(jié)構(gòu)安裝總體順序?yàn)?/span>: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(chǎng)的施工順序

　　3. 4 臨時(shí)支撐設(shè)計(jì)

支撐架的設(shè)計(jì)與布置主要考慮:

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

②結(jié)合土建現(xiàn)場(chǎng)情況布置，應(yīng)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(diǎn)，在內(nèi)環(huán)每榀主桁架底部均設(shè)置臨時(shí)支撐96 個(gè)，支撐架選擇本公司專(zhuān)利產(chǎn)品“裝配式格構(gòu)承重支架的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)”。首先用千斤頂進(jìn)行調(diào)整桁架位置，并根據(jù)設(shè)計(jì)驗(yàn)算對(duì)內(nèi)環(huán)桁架做預(yù)起處理，調(diào)整完畢后，可抽出千斤頂，由兩側(cè)定位裝置對(duì)桁架進(jìn)行固定，對(duì)于支撐點(diǎn)不在豎向立桿位置時(shí)，應(yīng)加設(shè)臨時(shí)加強(qiáng)桿( 見(jiàn)圖6 )。在體育場(chǎng)主體鋼結(jié)構(gòu)安裝、合龍完成，并成功卸載后方可對(duì)支撐架進(jìn)行拆除。

圖6 臨時(shí)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(shí)，采用從中間向南北兩端( 即從東西向的結(jié)構(gòu)最大標(biāo)高位置向南北向的結(jié)構(gòu)最低標(biāo)高方向) 的施工順序，罩棚鋼結(jié)構(gòu)連續(xù)長(zhǎng)度約為800m，且場(chǎng)內(nèi)懸挑，罩棚最大寬度64m，最大懸挑47m，結(jié)構(gòu)連續(xù)長(zhǎng)度大且又為全封閉，同時(shí)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(guò)程中溫差變化會(huì)對(duì)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(biāo)高最低點(diǎn)，根據(jù)計(jì)算，該處桿件的應(yīng)力相對(duì)較小，合龍溫度控制在20 ～ 25℃ ，結(jié)構(gòu)在安裝過(guò)程中，產(chǎn)生的初始應(yīng)力最小。

　　4、整體卸載

　　支撐拆除過(guò)程是一個(gè)結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換的過(guò)程，結(jié)構(gòu)變形及內(nèi)力重新分配，支撐胎架的支點(diǎn)反力也會(huì)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(jìn)入設(shè)計(jì)受力狀態(tài)及支撐架在卸載過(guò)程中不發(fā)生破壞，必須選擇合理的卸載順序及卸載等級(jí)，并對(duì)卸載階段結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行計(jì)算分析。拆撐卸載的原則是:以結(jié)構(gòu)計(jì)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)為手段。根據(jù)這一原則，通過(guò)計(jì)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(shí)現(xiàn)。

　　體育場(chǎng)罩棚鋼結(jié)構(gòu)在吊裝時(shí)，是在每一徑向主榀桁架下設(shè)置臨時(shí)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(duì)已經(jīng)形成的主結(jié)構(gòu)和次結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體同步卸載。支撐架的卸載方式采用分步、分級(jí)方式進(jìn)行。根據(jù)有限元軟件Midas /Gen 對(duì)卸載過(guò)程進(jìn)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(shí)支撐處，內(nèi)環(huán)長(zhǎng)向端支撐處的豎向位移相對(duì)較小，僅28mm。本工程利用千斤頂采用等距法進(jìn)行卸載( 見(jiàn)圖7a) ，按照約定的10mm / 次的卸載量，96個(gè)千斤頂同時(shí)進(jìn)行卸載?？傮w同步卸載原則為:統(tǒng)一指揮、分步有序、實(shí)時(shí)反饋。當(dāng)千斤頂行程不夠時(shí)，利用兩邊固定裝置進(jìn)行轉(zhuǎn)換，重復(fù)以上過(guò)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(jiàn)圖7b)。

圖7 整體卸載

　　5、施工監(jiān)測(cè)

　　施工監(jiān)測(cè)的目的是為了實(shí)時(shí)跟蹤結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中關(guān)鍵部位的變形、應(yīng)力變化，以及振動(dòng)、溫度等影響。通過(guò)實(shí)時(shí)收集到信息，判斷原有的預(yù)期和實(shí)際發(fā)生的是否一致，以便及時(shí)調(diào)整，使結(jié)構(gòu)實(shí)施的準(zhǔn)確性和安全性得到保證。

　　變形監(jiān)測(cè)包括軸線和標(biāo)高監(jiān)測(cè)。軸線監(jiān)測(cè)是觀測(cè)已施工結(jié)構(gòu)軸線位置相對(duì)于預(yù)定軸線位置的偏差，使用全站儀進(jìn)行測(cè)量。標(biāo)高監(jiān)測(cè)是觀察結(jié)構(gòu)高度是否達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高，采用精密水準(zhǔn)儀進(jìn)行測(cè)量。該體育場(chǎng)頂棚線條流暢，且存在大量的多管相貫節(jié)點(diǎn)，因此要求安裝精度極高。監(jiān)測(cè)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(zhǎng)) ，且不應(yīng)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(duì)誤差)。

　　應(yīng)力監(jiān)測(cè)是施工中非常重要的內(nèi)容，其目的是掌握施工過(guò)程中關(guān)鍵構(gòu)件應(yīng)力變化情況。并及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，采取措施，使關(guān)鍵部位構(gòu)件應(yīng)變不超過(guò)規(guī)定數(shù)值，保證結(jié)構(gòu)安全，應(yīng)力監(jiān)測(cè)部位一般設(shè)置在最大應(yīng)力點(diǎn)、應(yīng)力變化最大點(diǎn)、施工關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和體現(xiàn)環(huán)境特征的點(diǎn)。本工程在結(jié)構(gòu)整體卸載過(guò)程中，通過(guò)分析實(shí)測(cè)應(yīng)變數(shù)據(jù)，與理論數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)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(yǔ)

　　針對(duì)南昌國(guó)際中心體育場(chǎng)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(diǎn)，應(yīng)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(shí)為此類(lèi)體育場(chǎng)館的施工提供了一定的參考。