陳志江，任洋洋，賈偉朋，婁小鳳

(浙江大東吳建筑科技有限公司，浙江 湖州 313000)

1 工程概況

開封體育中心PPP項(xiàng)目位于開封市北外環(huán)路以南，復(fù)興大街以北，十二大街以東，十大街以西，占地面積303 333m2，總建筑面積13.2萬m2，由用地中軸線西側(cè)體育場(chǎng)和東側(cè)綜合體育館(體育館、游泳館、全民健身綜合館)組成，項(xiàng)目效果如圖1所示。

圖1 開封體育中心效果

體育場(chǎng)建筑面積42 772m2，高38.800m(看臺(tái)罩棚頂面至室外地面)，設(shè)30 000個(gè)座位，為中型體育場(chǎng)、甲級(jí)體育建筑。體育場(chǎng)共4層，看臺(tái)下部主體為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，上部罩棚為空間管桁架結(jié)構(gòu)。罩棚外形投影為圓環(huán)狀，外徑268m，洞口內(nèi)徑160m，總用鋼量約5 000t，由80榀徑向主桁架、環(huán)向次桁架、環(huán)向系桿等組成，桁架跨中間隔設(shè)置型鋼骨柱，如圖2所示。

圖2 罩棚結(jié)構(gòu)平面

單榀桁架呈7字形，分為主桁架和落地桁架，如圖3所示。主桁架截面寬3m，高4.162m，長(zhǎng)54.168m，其中奇數(shù)軸主桁架懸挑長(zhǎng)度29.5m。落地桁架截面寬1.5m，高1.5m，長(zhǎng)37.349m。

圖3 單榀桁架立面

罩棚鋼結(jié)構(gòu)由2個(gè)基本自平衡體系單元組成：①奇數(shù)軸單榀桁架自平衡體系單元 奇數(shù)軸單榀桁架重心落在跨中支撐點(diǎn)偏外側(cè)1.448m處，結(jié)構(gòu)自然起拱且抵消端部下?lián)?，即奇?shù)軸單榀桁架以跨中型鋼柱為支撐點(diǎn)，形成“杠桿平衡體系”單元；②任意連續(xù)3榀桁架自平衡體系單元 任意連續(xù)3榀奇數(shù)、偶數(shù)、奇數(shù)桁架組成“簡(jiǎn)支梁體系”單元，即以兩側(cè)奇數(shù)軸桁架作為支撐點(diǎn)，支撐中間偶數(shù)軸桁架；任意連續(xù)3榀偶數(shù)、奇數(shù)、偶數(shù)桁架組成“杠桿平衡體系”單元，即以中間奇數(shù)軸桁架作為支撐點(diǎn)，支撐兩側(cè)偶數(shù)軸桁架，如圖4所示。

圖4 自平衡體系受力分析

2 關(guān)鍵施工技術(shù)

考慮罩棚鋼結(jié)構(gòu)跨度大、支撐點(diǎn)少、結(jié)構(gòu)下方施工復(fù)雜，且高空安裝危險(xiǎn)性高、施工速度慢、對(duì)接精度低，采用地面散件整體組拼、跨外大型起重機(jī)一次吊裝就位、分區(qū)卸載后整體合龍的施工工藝。通過整體吊裝桁架，減少高空作業(yè)量和臨時(shí)支撐架使用量，保證施工安全，提高施工質(zhì)量，加快施工進(jìn)度，節(jié)約成本。

2.1 結(jié)構(gòu)單元?jiǎng)澐?/h3>

結(jié)合罩棚鋼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及現(xiàn)場(chǎng)施工條件，將結(jié)構(gòu)單元?jiǎng)澐譃橹麒旒?含支座)、落地桁架、墻桁架、次桁架及環(huán)向系桿，如圖5所示。罩棚支座節(jié)點(diǎn)相交桿件多、受力大，因此采用鑄鋼節(jié)點(diǎn)。

圖5 結(jié)構(gòu)單元?jiǎng)澐?/p>

2.2 吊裝設(shè)備選擇

奇數(shù)軸主桁架質(zhì)量為46.31t，偶數(shù)軸主桁架質(zhì)量為41.39t，均采用500t履帶式起重機(jī)吊裝；落地桁架質(zhì)量為8.25t，采用100t履帶式起重機(jī)吊裝；墻桁架采用25t汽車式起重機(jī)吊裝；次桁架及環(huán)向系桿采用150t履帶式起重機(jī)吊裝。施工過程中，將構(gòu)件吊裝質(zhì)量控制在起重機(jī)額定性能90%以內(nèi)。

2.3 現(xiàn)場(chǎng)施工布置

場(chǎng)地土為粉土，雨、雪天氣道路承載力低，須對(duì)拼裝場(chǎng)地和機(jī)械行走道路進(jìn)行加固。

1)場(chǎng)地布置

在體育場(chǎng)外側(cè)設(shè)置3塊混凝土硬化場(chǎng)地，作為散件堆場(chǎng)和落地桁架、墻桁架拼裝場(chǎng)地，共9 000m2。在體育場(chǎng)內(nèi)側(cè)沿施工道路設(shè)置15m寬移動(dòng)式環(huán)向場(chǎng)地，作為次桁架和臨時(shí)支撐架拼裝場(chǎng)地，采用6m×2m×0.02m(長(zhǎng)×寬×厚)鋼板進(jìn)行加固。在消防通道內(nèi)、外兩側(cè)設(shè)置移動(dòng)式主桁架拼裝場(chǎng)地，采用5m×1.3m×0.13m(長(zhǎng)×寬×厚)路基箱進(jìn)行加固。

2)機(jī)械行走

500t履帶式起重機(jī)下方采用5m×2.2m×0.24m(長(zhǎng)×寬×厚)路基箱進(jìn)行加固；100，150t履帶式起重機(jī)下方采用5m×1.3m×0.13m(長(zhǎng)×寬×厚)路基箱進(jìn)行加固；50t履帶式起重機(jī)和25t汽車式起重機(jī)作為拼裝機(jī)械，下方無須加固。

2.4 桁架拼裝

1)主桁架拼裝胎架設(shè)置

主桁架呈直線形，為保證胎架制作方便并節(jié)約成本，采用側(cè)向拼裝，僅需滿足底部焊接作業(yè)高度和桁架自身高度要求，拼裝胎架高1.67～3.8m，由橫梁、立柱等組成，如圖6所示。

圖6 主桁架拼裝胎架

2)落地桁架拼裝胎架設(shè)置

落地桁架呈圓弧狀，為保證制作方便并節(jié)約成本，采用側(cè)向拼裝，僅需滿足底部焊接作業(yè)高度和桁架自身高度要求，拼裝胎架高1.0～2.2m，由立柱、立柱斜撐等組成，如圖7所示。

圖7 落地桁架拼裝胎架

墻桁架和次桁架屬于常規(guī)桁架，拼裝工藝簡(jiǎn)單，不再闡述。

3)主桁架預(yù)起拱

奇數(shù)軸主桁架懸挑長(zhǎng)度29.5m，需進(jìn)行預(yù)起拱，以保證就位后主桁架懸挑端部位移與設(shè)計(jì)狀態(tài)一致，從而保證結(jié)構(gòu)美觀。采用MIDAS Gen軟件進(jìn)行全過程施工模擬分析，并結(jié)合設(shè)計(jì)起拱值要求進(jìn)行綜合考慮?，F(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，奇數(shù)軸主桁架懸挑端部起拱40，45mm，偶數(shù)軸主桁架起拱50mm。通過設(shè)置不同的起拱高度，控制桁架端部無波浪形變化。

4)拼裝和就位控制

桁架拼裝時(shí)，采用全站儀進(jìn)行測(cè)量，保證拼裝和就位精度，僅以主桁架為例進(jìn)行介紹。

主桁架采取以下措施進(jìn)行拼裝和就位控制：①平整、夯實(shí)拼裝胎架下方道路后鋪設(shè)路基箱，減少不均勻沉降；②桁架組拼前，對(duì)每組拼裝胎架頂面標(biāo)高進(jìn)行測(cè)量，控制胎架頂面標(biāo)高，當(dāng)存在高差時(shí)，通過墊鋼板的方式進(jìn)行調(diào)整；③桁架焊接前設(shè)置測(cè)量監(jiān)控點(diǎn)，并在焊接過程中進(jìn)行持續(xù)性監(jiān)測(cè)；④桁架焊接完成后復(fù)測(cè)監(jiān)控點(diǎn)。

桁架吊裝時(shí)，采用全站儀對(duì)監(jiān)控點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行控制，并將就位、焊接完成和卸載后的實(shí)際坐標(biāo)與設(shè)計(jì)坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，確保實(shí)際值與理論值誤差<10mm。

2.5 臨時(shí)支撐架布置

考慮體育場(chǎng)自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，為保證整個(gè)施工過程桁架處于平衡狀態(tài)，根據(jù)吊裝段和奇、偶數(shù)軸線差異，布置臨時(shí)支撐架。

2.5.1主桁架臨時(shí)支撐架

奇數(shù)軸主桁架可依靠跨中型鋼柱作為支撐點(diǎn)，自身形成“杠桿平衡體系”，且型鋼柱剛度大、變形小，故懸挑端部可不設(shè)置臨時(shí)支撐架。偶數(shù)軸主桁架底部無支撐，需在跨中和懸挑端部設(shè)置臨時(shí)支撐架，其中，懸挑端部臨時(shí)支撐架需保證桁架安裝就位及懸挑端部撓度調(diào)節(jié)方便。

1)跨中臨時(shí)支撐架 采用圓管式三角形支撐架，三角形邊長(zhǎng)均為2.0m，立桿采用φ180×12，腹桿采用φ80×6，頂部橫梁采用H294×200×8×12。

2)懸挑端部臨時(shí)支撐架 采用角鋼式四邊形支撐梁，截面尺寸為2.0m×2.0m，立桿采用∟110×12，腹桿采用∟63×3，頂部橫梁采用H150×150×7×10。

2.5.2落地桁架臨時(shí)支撐架

落地桁架吊裝就位后，底部通過柱腳銷軸、固定支座與預(yù)埋板連接，在2/3桁架高度處設(shè)置臨時(shí)支撐架，并在支撐點(diǎn)處焊接 H200×200×8×12水平牛腿，從而保證臨時(shí)支撐架僅承受桁架傳遞的豎向荷載。落地桁架臨時(shí)支撐架采用角鋼式四邊形支撐架，截面尺寸為2.0m×2.0m，立桿采用∟110×10，腹桿采用∟63×6，頂部橫梁采用H150×150×7×10。

2.6 合龍縫設(shè)置

本工程需考慮溫度荷載作用，施工時(shí)需考慮以下因素設(shè)置合龍縫：①已安裝結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；②斷口合龍精度；③補(bǔ)桿施工難易度。以軸線⑤為起點(diǎn)，順時(shí)針每隔20根軸線設(shè)置1個(gè)施工區(qū)域，共設(shè)置4條合龍縫，如圖8所示。合龍縫需避開加強(qiáng)區(qū)，以減少補(bǔ)桿吊裝和高空焊接作業(yè)量。

圖8 合龍縫位置及施工分區(qū)

由于桁架具有自平衡體系特點(diǎn)，桁架整體受溫度效應(yīng)的影響較小，桁架整體與1/4結(jié)構(gòu)變形、應(yīng)力基本一致，為加快施工速度，首先分別施工并卸載施工區(qū)域1～4，然后進(jìn)行整體合龍。分區(qū)卸載時(shí)，每條合龍縫處偶數(shù)軸桁架臨時(shí)支撐架暫不拆除，整體合龍后進(jìn)行二次卸載。

局部卸載和整體合龍均需對(duì)溫度進(jìn)行嚴(yán)格控制，體育場(chǎng)所在區(qū)域全年平均氣溫為16～18℃，考慮±2℃的溫度余量，將卸載和合龍溫度控制為14～20℃。施工時(shí)間為2020年10月中旬至11月上旬，溫差較小，平均氣溫為14～18℃，滿足施工條件。

3 施工模擬分析

3.1 施工工藝流程

罩棚鋼結(jié)構(gòu)施工工藝流程為：①在體育場(chǎng)外側(cè)設(shè)置80個(gè)3.6m×3.6m×0.7m(長(zhǎng)×寬×高)獨(dú)立基礎(chǔ)，用于支撐落地桁架下方的臨時(shí)支撐架；②以軸線⑤為起點(diǎn)，順時(shí)針安裝落地桁架和墻桁架；③在混凝土看臺(tái)和體育場(chǎng)內(nèi)獨(dú)立基礎(chǔ)上搭設(shè)主桁架跨中、懸挑端部臨時(shí)支撐架；④順時(shí)針吊裝主桁架、次桁架及環(huán)向系桿；⑤主桁架施工完成，分別進(jìn)行分區(qū)卸載→整體合龍→合龍縫處二次卸載。

3.2 施工過程模擬

采用MIDAS Gen軟件進(jìn)行全過程施工模擬分析，并采用SAP2000軟件進(jìn)行校核。鑒于體育場(chǎng)土建主體與罩棚施工相差3～5個(gè)月，罩棚鋼結(jié)構(gòu)施工時(shí)主體結(jié)構(gòu)混凝土性能穩(wěn)定，因此計(jì)算時(shí)不考慮材料非線性，僅考慮安裝過程中的非線性效應(yīng)。根據(jù)不同施工階段，對(duì)結(jié)構(gòu)、邊界和荷載進(jìn)行建組劃分，通過不同施工步驟間的“激活”和“消隱”模擬罩棚鋼結(jié)構(gòu)安裝和拆除。模擬整個(gè)施工過程時(shí)，主要考慮結(jié)構(gòu)自重、活荷載，自重荷載系數(shù)取1.05，程序自動(dòng)計(jì)算；活荷載按0.5kN/m2計(jì)算。模擬單個(gè)構(gòu)件吊裝時(shí)，主要考慮結(jié)構(gòu)自重。模擬臨時(shí)支撐架搭設(shè)時(shí)，主要考慮結(jié)構(gòu)自重、活荷載和風(fēng)荷載。

罩棚鋼結(jié)構(gòu)共劃分39 144個(gè)桿件單元，為符合實(shí)際施工情況且便于計(jì)算，將跨中臨時(shí)支撐架與罩棚鋼結(jié)構(gòu)視為整體，單獨(dú)復(fù)核看臺(tái)、落地桁架臨時(shí)支撐架與主桁架懸挑端部臨時(shí)支撐架承載力。

約束桁架跨中、底部x，y，z向位移，落地桁架臨時(shí)支撐架與主桁架懸挑端部臨時(shí)支撐架節(jié)點(diǎn)受彈性約束作用，約束主桁架跨中臨時(shí)支撐架底部x，y，z向位移。

3.3 結(jié)果分析

整個(gè)施工過程中最大應(yīng)力出現(xiàn)在主桁架跨中臨時(shí)支撐架處，為56.5N/mm2，小于所用鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(215N/mm2)，可知結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備較高。罩棚構(gòu)件最大應(yīng)力為34.7N/mm2，小于所用鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(305N/mm2)，可知結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備同樣較高。

主桁架懸挑端部最大豎向位移為37.6mm，小于規(guī)范限值。現(xiàn)場(chǎng)施工最大豎向位移為35mm，可知計(jì)算值與實(shí)際值基本吻合。

4 結(jié)語

1)對(duì)于大跨度、大懸挑、自平衡桁架體系空間結(jié)構(gòu)施工，關(guān)鍵在于選擇合理的施工方案，圍繞所選的施工方案進(jìn)行桁架分段、桁架拼裝、場(chǎng)地規(guī)劃、機(jī)械選型、支撐架搭設(shè)、卸載等。

2)根據(jù)罩棚鋼結(jié)構(gòu)自平衡體系特點(diǎn)，考慮結(jié)構(gòu)跨度大、支撐點(diǎn)少、結(jié)構(gòu)下方施工復(fù)雜，且高空安裝危險(xiǎn)性高、施工速度慢、對(duì)接精度低，采用地面散件整體組拼、跨外大型起重機(jī)一次吊裝就位、分區(qū)卸載后整體合龍的施工工藝。

3)罩棚鋼結(jié)構(gòu)自平衡體系在安裝過程中獨(dú)立性較好，受溫度效應(yīng)的影響較小。

4)對(duì)空間結(jié)構(gòu)整個(gè)施工過程的模擬分析尤為重要，詳細(xì)、合理的計(jì)算過程可反映需關(guān)注的重點(diǎn)施工問題，進(jìn)而對(duì)施工質(zhì)量進(jìn)行控制，對(duì)施工方案合理性進(jìn)行檢驗(yàn)。