大跨度场馆钢结构施工技术.doc

大跨度场馆钢结构施工技术1 前言 大跨度结构系指跨度等于或大于60m的结构。近年来，随着经济、文化的飞速发展及空间结构的形式多样化，大跨度钢结构的发展非常迅猛，并已广泛地应用于文化体育场馆、会议展览中心、机场候机厅等大型公共建筑以及不同类型的重型工业建筑中。大跨度钢结构的发展状况与施工技术水平已成为代表一个国家建筑科技水平的重要标志之一。计算机的普及和有限元分析方法的广泛运用为大跨度钢结构的加速发展创造了条件，大跨度钢结构造型越来越新颖，跨度也越来越大，结构体系越来越复杂，施工也越来越难。目前，大跨度钢结构常用的安装方法有高空散装法、分段吊装安装法、滑移安装法、双机或多机抬吊吊装法、整体提升法、整体顶升法等，各种安装方法都有其优缺点和一定的针对性。但是，为了体现建筑美学和设计师理念，大跨度钢结构往往是一个个性化的变异设计，无统一标准可言，不同的结构形式、场地条件及工程实际情况，所采用的施工技术也会有所差异。如南京奥体中心主体育场、国家体育场、五棵松体育文化中心篮球馆的钢屋盖虽然均采用了大跨度钢结构，但由于采用的结构形式各不相同，现场场地条件也不一样，故在实施钢结构安装时，采用的施工技术也迥然不同。2 南京奥林匹克体育中心主体育场2.1工程概况 南京奥体中心是一个大型综合类体育中心。主体育场作为2005年江苏省举行第十届全国综合性运动会的主场馆和举行国际单项最高级别运动会的硬件设施，作为南京市的标志性建筑，其屋盖结构体系十分复杂，主要由2榀与水平面成45倾斜的、跨度为361.582m的三角形变断面的钢桁架拱和由104根钢箱型梁形成的中空马鞍形空间结构组成，罩棚的径向长度为68.14m27m，覆盖面积4万多平方米。拱顶标高达64.719m，钢结构总量约12153t。整个屋盖结构体系在各种不同荷载组合情况下，分别由主拱和钢箱梁外端的“V”型支撑将荷载传至下部结构。45倾斜主拱线条简明，宛如飘带（见图1）。 2.2工程难点及施工方案的选择 2.2.1工程难点 南京奥体中心主体育场屋盖结构体系独特，倾斜主拱通过前吊杆为箱型梁的悬臂端提供竖向约束，而箱型梁则通过后撑杆为主拱提供平面外的侧向稳定，两者互相依托。在整个结构体系未形成之前，屋面系统与主拱皆非独立的结构静定体系。该组合结构国内尚无先例，国际上也实属罕见。所以，无论是设计还是施工，都具有相当大的难度。 （1）结构体系与节点构造复杂：主体育场屋盖结构体系是由钢桁架拱、吊杆、马鞍型屋面网格及支撑柱组成的复合结构，与纯拱结构、壳体结构具有不同的受力特点和失稳模式，体系异常复杂。同时，为避免以往惯用的焊接连接节点存在的焊接残余应力、多次热影响使节点钢材变脆以及次弯矩对节点的影响等一些难以定量分析的问题，本工程的关键节点设计采用了大量的铸钢节点，既有板式铸钢支座、锥形铸钢连接件，又有圆柱形铸钢节点和球形铸钢节点，还有H型钢铸钢节点。 （2）支撑胎架的设置：为保证安装过程中结构的稳定性与施工的可操作性，屋面和主拱安装时必须设立临时支撑系统，安装完成后屋面临时支撑需进行卸载和拆除，卸载过程中结构体系逐步转换，稳步成型。但是，杆件内力和临时支撑的受力在卸载过程中发生变化，工况分析相当困难。支撑系统的布置既要满足施工阶段结构的受力性能，符合设计要求，又不能对下部混凝土看台结构产生过大的影响，造成破坏，还要方便施工（包括安装阶段和卸载阶段），保证安全。故支撑的布置、计算及设计十分复杂。 （3）大跨重型结构的安装：主拱跨度大，高度高，节点复杂，高空拼装难度大，不适合高空散装，而应分段吊装。分段吊装时，吊装高度高，工作半径大，施工困难。并且在主拱和屋面构件全部安装完成并形成结构体系前，主拱和屋面均为不稳定体系，主拱吊装时需采取大量的临时稳定措施，以确保安全。同时，主拱施工时间长，会受温度变化而产生收缩变形及温度应力，温度变形及温度应力控制难度大。 （4）钢屋盖系统整体卸载：卸载过程既是拆除支撑胎架的过程，又是结构体系逐步转换过程，卸载过程中，结构本身的杆件内力和临时支撑的受力均会产生变化。由于主拱和屋面系统互相依托，结构传力途径不明确，受力情况复杂，加之空间结构体系平面外的刚度相对较小且各部位的强度和刚度均不相同，卸载时结构体系的变形相对较大且不均匀，相邻支撑在卸载过程中互相影响。卸载的先后顺序、卸载方法及工艺都会对结构本身和支撑胎架产生一定的影响，卸载难度大。2.2.2施工方案的选择 南京奥体中心主体育场钢屋盖系统的结构形式复杂、构件类型多样、工期紧张、现场周边环境复杂，根据这一实际情况，最终选用“一套支撑胎架，两组吊机”的作业方案，“分区安装、齐头并进”的施工原则。主拱根据吊机工作能力分成21段现场分段连续组装，待屋面系统吊装完成后再采用300t履带吊和600t履带吊分段吊装。整个钢屋盖系统的吊装顺序为：支撑胎架V形支撑前支撑柱屋面钢箱梁V形支撑后支撑柱环梁、连系梁屋面支撑M杆主拱檩条、天沟、马道等，逐区间推进，待屋面系统及主拱吊装完成后，屋面系统分级、分区逐步卸载，最后拆除支撑胎架。 2.3施工技术 2.3.1支撑体系设置 根据大跨度双斜拱空间结构钢屋盖的结构特点，特别是结构体系中屋面箱型梁与双斜拱互相依托的特点，结合安装时的工况分析、支撑胎架的整体稳定性分析及受力计算，屋面系统箱型梁下设置150个支撑胎架（见图2），待屋面系统安装完毕后，再安装主拱。主拱安装时，出屋面部分主拱单独设置12组支撑胎架， 屋面内主拱部分，先将连接主拱和屋面箱型梁的M杆安装就位，主拱安装时直接支承在M杆上（见图3），从而合理地应用结构本身当作支撑，以降低主拱支撑的高度，确保主拱安装时的稳定性。根据结构体系的传力要求，东西区屋面的支撑胎架均布置在箱型梁下对应于主拱前吊杆和后撑杆位置处，以保证主拱的安装精度及安装时的主拱荷载通过箱型梁直接传递到支撑胎架上。考虑到实际的资源情况，东区支撑胎架采用格构式钢架，下部通过H型钢转换梁将荷载直接转移到混凝土柱上。西区则采用钢管和脚手管组成的组合支撑，下部通过箱型转换梁将荷载转移到混凝土柱上。2.3.2大跨重型结构的安装 屋面箱型梁均整根进行吊装，安装定位后及时与V型支撑连接，并将其与先装的屋面梁通过内、中、外环梁连成整体，防止箱型梁的侧向位移和下滑。 主拱采用卧式连续拼装法，通过三维建模来搭设组装胎架并通过全站仪来进行测量控制。主拱组装完成后，分段吊装就位。吊装顺序为：从两端向中间，在中间合拢。对于大跨度拱，其温度变形和温度应力是较大的，主拱在从两端往中间安装的过程中，势必受温度变化的影响而出现精度偏差，从而造成最后一段主拱无法顺利安装就位。同时，最后一段主拱的安装、焊接将直接影响到主拱的质量和受力情况，为此，施工时设置合拢段，合拢段的长度根据合拢时的实际测量尺寸来进行下料。为保证合拢段的质量，在从两端往中间安装主拱的过程中，逐段消除安装误差，合拢前要进行连续观测，确定温差对拱身长度的影响，并根据理论计算的主拱温度应力情况，确定合适的时间及合拢温度，低温安装就位，高温定位焊接。焊接时气温需相对稳定，并由两人对称连续施焊。 2.3.3卸载技术 本工程支撑塔架数量众多，且分布范围广，整体同步卸载难度较大，为此，根据大跨度双斜拱空间结构钢屋盖结构体系的受力特点及支撑胎架的布置与受力情况，通过工况计算分析，采用分批、分级同步卸载技术。即将支撑胎架分为9个区，每区分级同步卸载。卸载的分级大小和卸载顺序根据结构计算和工况分析得出的结果进行，先小后大，先拆主拱支撑胎架，然后拆屋面支撑胎架，由高到低、由内到外、东、西同步、共分20步进行。卸载时，通过胎架下端安置的螺旋式千斤顶，按多次循环、反力控制与位移控制相结合的原则，来实现荷载的平稳转移。3 国家体育场 3.1工程概况 国家体育场位于北京奥林匹克公园中心区的南部，主体建筑紧邻北京城市中轴线，并与国家体育馆和国家游泳中心相对于中轴线均衡布置，是2008年奥运会的主体育场，主要承担奥运会开幕式、闭幕式和田径比赛。奥运会期间，可容纳观众91000人，奥运会后，可容纳观众80000人。国家体育场钢结构建筑顶面呈马鞍型，长轴为332.3m，短轴为297.3m，最高点高度为68.5m，最低高度为40.1m。屋盖中间开洞长度为185.3m，宽度为127.5m。主要由48榀主桁架围绕屋盖中间的开口放射型布置而成，主桁架与顶面及立面杂乱无章的次结构一起形成了“鸟巢”的特殊建筑造型，大跨度空间钢屋盖支撑在周边的24根桁架柱之上，并将荷载传至基础（见图4）。为达到预定的视觉效果，编织鸟巢用的杆件均为箱型构件。 3.2工程难点及施工方案的选择 3.2.1工程难点 （1）支撑塔架设置难度大：根据国家体育场钢结构“散装”总体方案，在进行屋面主桁架的安装时，其下方需设置大量的临时支撑塔架，且支撑塔架的设置对整个工程的施工安全、质量、工期及成本控制至关重要。由于国家体育场钢结构为大跨度空间巨型钢桁架结构，桁架截面高度及结构高度高，节间距离大，重量重，风载较大，支撑塔架受力情况复杂，设计难度大。同时，钢结构安装时，其下方的混凝土看台结构已施工完毕，支撑塔架的布置受到一定程度的限制，支撑塔架设置难度较大。（2）构件体型大、重量重、形体怪异，安装难度大：本工程中，桁架柱的最大断面达25m20m，高度为67m，单榀最重达700t。主桁架高度12m，双榀贯通最大跨度258.365m。构件体型庞大，单体重量重。加之桁架柱和立面次结构的形体怪异，吊装难度大。（3）合拢难度大：国家体育场钢结构属特大型大跨度钢结构，主桁架双榀贯通最大跨度258.365m。由于结构形成过程和使用过程存在较大的温差，使用过程中，结构中会产生较大的温度变形和温度应力。因此，根据北京地区的极限最低温度和极限最高温度，设计上设置了严格的合拢温度，即结构体系最终形成时的温度，以减少温度变形和温度应力。为确保合拢线上的对接口按设计要求的合拢温度同时合拢，需组织大量的人力和物力，且必须进行严格的温度监测、周密的部署及施工安排，合拢难度大。（4）卸载难度大：国家体育场钢结构受力体系为中央大开口的斜交桁架双层网壳，表现出很强的空间非几何线性作用。根据总体施工方案，结构安装阶段，整个屋盖设置了80个支撑塔架，作为主桁架安装时的临时支撑，主结构安装完毕后，再进行卸载和拆除。在进行支撑塔架的卸载过程中，结构体系逐步转换，结构本身和支撑塔架的受力均产生变化，卸载的先后顺序、卸载等级及工艺都会对其产生影响，需进行详细的工况分析。对于如此复杂的结构体系，工况分析及同步卸载控制难度大。 3.2.2施工方案的选择 针对国家体育场钢结构工程规模大、结构形式复杂、测量测控及安装技术的挑战性、工期紧迫以及与其它分项工程交叉作业复杂等特点，整个屋盖钢结构的安装选用散装方案，即所有构件分成吊装单元分段进行安装，下设支撑塔架，高空对接，结构形成后进行卸载。其中，主结构共划分为230个安装单元，桁架柱最大吊装单元重达360t，主桁架约250t，最大吊装长度约45m。根据吊装单元的重量和作业半径，桁架柱和主桁架吊装采用2台800t履带吊和2台600t履带吊进行吊装，800t布置在场外，600t在场内。立面次结构、顶面次结构及楼梯马道采用4台300t履带吊和4台150t履带吊分吊装单元进行吊装。主结构总体安装顺序分为三个阶段六个步骤，先安装南北方向桁架柱，后安装东西方向桁架柱，内外主桁架的安装穿插进行。立面次结构与楼梯则随桁架柱的安装进度一起进行安装，顶面次结构待卸载完毕再进行安装。 3.3施工技术 3.3.1支撑塔架设置 国家体育场屋盖钢结构属大跨度空间巨型桁架结构，为实施屋盖钢结构的安装和施工，根据钢结构特点、吊装分段形式和下部混凝土看台结构的布置情况，在主桁架下弦交叉节点的位置共设置了80个33m格构式支撑塔架。为提高支撑塔架的整体刚度和稳定性，防止支撑塔架的沉降，支撑塔架的顶部设置桁架式水平支撑体系，底部设置66m的桩基承台。同时，根据主结构的安装方案，将整体支撑塔架分成四大块，长短轴各两个区块，四个区块所有支撑塔架连成整体（见图5）。 为方便现场加工制作和安装，提高其经济性，支撑塔架和柱顶连系桁架的设计均采用标准段模数化的方式。支撑塔架的柱肢采用螺旋焊管，水平腹杆采用双角钢十字形布置，斜腹杆采用角钢X形交叉体系。为提高支撑塔架柱身的抗扭刚度，在每节标准段的两端和中间区域设置角钢交叉横隔。柱顶连系桁架的设计方式与支撑塔架基本相同。同时，为便于主桁架的安装和支撑塔架的整体卸载，支撑塔架顶部设置十字形箱型梁和H型钢支顶装置。 3.3.2巨型钢桁架吊装技术 根据桁架柱的特点、现场场地条件及工期要求等实际情况，桁架柱采用就近整体拼装、分段吊装的方法，分段双机抬吊、低空起吊直立、单机回转就位。为便于平衡调节和空间角度调节，桁架柱下柱采用三点吊装，上柱采用四点吊装。下柱吊装时，内柱设置主吊点和圆管吊耳，以便于起吊直立过程中钢丝绳的转动；两外柱设置副吊点和板式吊耳，以便于桁架柱吊装时的平衡调节。上柱吊装时的吊点均设置在外柱弯扭段顶面，靠内柱一侧的主吊点尽量靠近外柱内侧腹板位置，且主吊绳采用走通方式，以确保主吊绳的受力，避免吊装过程中出现三点受力甚至两点受力的情况及钢丝绳的滑动磨损。为确保受力平衡，加快桁架柱吊装时空间角度调节速度和精度，副吊绳上设置滑轮组，并通过电动葫芦和导向滑轮来调节副吊绳的总体长度。同时为确保安装过程中的稳定性，桁架柱安装时，下柱上端设置刚性拉撑，上柱顶端设置稳定风绳。刚性拉撑和稳定风绳均连到混凝土看台结构中的预埋件上。 除内圈立体主桁架外，主桁架均采用平拼法。根据主桁架的分段形式，吊点设置总体分为两种：外圈和中圈的平面主桁架采用两点吊装，局部牛腿较长的桁架增设一个稳定吊点；内圈立体主桁架采用三点吊装，一个主吊点和两个辅助吊点。所有吊点均设在桁架上弦节点区域对应内加劲或靠近内加劲的位置，以确保桁架上弦的局部受力要求。主桁架安装时，对接口设置卡马，自由端设置侧向稳定风绳，桁架下弦下翼缘板与支顶装置焊接固定。对于首件吊装的主桁架，待所有固定措施和侧向稳定措施做好后，再进行缓慢松钩，以确保首件吊装的主桁架的安全和支撑塔架的安全。 3.3.3合拢技术 国家体育场钢结构工程量大，结构安装需经历较长的时间跨度，为控制安装过程的变形，减少结构使用过程中的极限温度变形和温度应力，在安装主桁架的过程中，采用了分块安装法，即先将各分段主桁架在高空依次拼接为四个对称、均匀布置的独立板块，然后再将各独立板块连成一个整体，这一分块连成整体的过程就叫做合拢。为确保合拢段施工过程中的安全，合拢段安装就位后，除设计要求的合拢口不进行焊接连接外，其它接口部位均及时焊接完毕，以增强结构的整体稳定性。同时，为确保合拢口在施工过程中因温度变化而自由伸缩，合拢口采用卡马搭接连接，卡马的大小和数量根据该接口部位的受力计算确定。根据现场实际情况，结合设计提出的先行合拢构件需纳入后续合拢线合拢温度要求范围这一基本原则，国家体育场钢结构的合拢按合拢线依次进行合拢，先进行主桁架的合拢，再进行立面结构的合拢，主桁架合拢时，先进行两大施工区域内部合拢线的合拢，再进行两大施工分区间合拢线的合拢，同一合拢线的各合拢口同时、同步合拢。为防止合拢时因温度变化而产生过大的温度变形和温度应力，选择气温相对稳定的情况下进行合拢，即合拢安排夜间进行。由于合拢口数量多，焊接量大，要在短时间内将合拢口焊接完毕，难度较大。为此，实际合拢时，先将合拢口的所有卡马焊接固定，然后再进行合拢口焊缝的焊接。 3.3.4卸载技术 国家体育场钢结构受力体系为中央大开口的斜交桁架双层网壳，表现出很强的空间非几何线性作用。根据总体施工方案，结构安装阶段，整个屋盖设置了80个支撑塔架，作为主桁架安装时的临时支撑，主结构安装完毕后，再进行卸载和拆除。国家体育场支撑塔架的卸载具有卸载总吨位大（达14000t）、卸载点分布广、点数多、同比卸载量变化大及单点卸载吨位大等特点，为确保结构的安全和整体外形，需控制各点同步下降。为此，采用液压同步控制系统来进行卸载。液压同步控制系统采用一泵2顶方案，可多点同时顶升，也可单点动作，控制精度高，达2-5mm。该系统主要由两部分组成：液压系统和电子监控系统。开始工作前，首先将要控制的78个点分成10个区域，分别由10个区域控制器来进行集中监控，工作过程中，通过人来直接操作预装在泵上的3位4通手动换向阀来控制油液的流向（即负载的升降）。同步顶升控制器接收安装在油缸边上的与重物相连的传感器所发出的信号，并将其送至区域控制器上，10个区域控制器再将处理后的结果送至中央控制器，直接显示在显示器上并提示每一个泵站的操作员进行修正。对于大跨度空间结构，卸载顺序直接影响到支撑塔架的受力变化和结构本身的受力转换。不同的结构形式，卸载顺序也会有所区别，但总体原则是确保支撑塔架的受力不超出预定要求和结构成形相对平稳。根据多次计算分析的结果，最终确定由外向内的卸载总顺序，分七大步和35小步进行卸载，并且在外、中、内三圈支撑塔架各圈卸载过程中保持同步，三圈支撑每次卸载的位移同各点的最终总位移保持等比关系。4 北京五棵松体育文化中心篮球馆 4.1 工程概况 五棵松体育馆为北京2008年奥运会篮球比赛场馆。体育馆结构地上6层（含1个夹层），地下1层，檐高高度为37.3 m，主体结构为多层混凝土框架，屋架结构为120m双向正交鱼腹式空间钢桁架体系（见图6）。 钢屋面桁架为双向对称布置，间距为12m，共有26榀。桁架截面形式为上弦水平、下弦鱼腹式双向受力桁架。桁架共有7种形式，支座处高均为6.3m，跨中高度从6.3m9.3m不等，桁架设计要求起拱150mm。桁架中最重的一榀为163t，最轻的一榀为48t。桁架上下弦和腹杆杆件截面为箱形和H型。钢屋架材质为Q345C，最大板厚为50mm。屋面桁架有20个支座，其中屋架结构四角的支座为固定铰支座，其余16个支座为滑动球铰支座。 4.2 工程难点及施工方案选择 4.2.1工程难点 五棵松体育馆屋面桁架为120m双向正交鱼腹式空间钢桁架体系，单榀桁架跨度及重量都相当大，施工难度大。由于建筑结构以及地基承载力等现场条件不宜使用大型吊机，为保证钢结构桁架施工质量、工期及结构安全，采用了高空累积滑移的施工方法安装。其主要施工难点如下： （1）桁架结构双向布置、下弦存在空间关系：由于桁架结构设计为双向受力体系，且下弦为鱼腹形状存在空间受力关系，地面拼装、高空拼装的空间关系控制难度较大，施工时要尽量保证空间的整体性。 （2）施工时结构受力体系变化大：本工程屋面桁架是由双向正交的平面桁架组成的空间桁架体系。构件在安装滑移过程中，由于空间体系尚未形成，原双向受力体系在安装过程中为单向受力体系，对结构的受力体系有所改变。另外，三滑道滑移施工使得中滑道（跨中）位置的杆件由原来的拉杆变为压杆，原设计中的部分杆件出现了失稳情况，因此施工时必须采取相应加固措施，保证施工过程中结构杆件的应力与挠度在许可的范围内。 （3）滑移胎架设计难度大：桁架总滑移重量3500t，支撑胎架单点最大荷载达到3000kN，且滑移施工荷载为非固定荷载，滑移施工胎架设计分析难度较大。另外滑移措施结构多与混凝土框架结构存在关系，相关措施设计较为复杂。 （4）桁架滑移同步控制难度大：由于桁架总长120m，分为十次滑移，滑移同步控制难度较大。因此，桁架整体尺寸累积误差控制难。 4.2.2施工方案的选择 五棵松体育馆屋面桁架为120m双向正交鱼腹式空间钢桁架体系，构件体型及自重大，受力复杂，同时综合考虑工期紧迫、现场施工条件等因素，钢结构桁架安装采用高空三滑道逐条累积滑移从北向难滑移方案。桁架弦杆分12m段加工制作，现场先地面拼装成12m或24m桁架段，再在高空拼装平台上将南侧三榀桁架组装成120m跨整体，形成第一个滑移单元由北向南滑移，然后组装下一榀桁架并将其与前面单元拼装成整体，用三滑道六条轨道同步液压推进滑移法向南滑移12m，依次将10榀桁架高空组装并累积滑移到位。 4.3 施工技术 4.3.1支撑体系设置 由于滑移过程具有的力学特殊性对于支撑体系来说滑移过程的荷载是一个变大小而且变位置的不确定量，支撑体系的设计考虑了可能出现的各种工况下的荷载组合。在建筑物北侧设置的由两排胎架支撑柱支撑的拼装胎架用于高空拼装。两边滑道支撑利用混凝土结构中的柱顶圈梁改造而成，中滑道支撑胎架采用格构柱与桁架结构组成。胎架支撑柱