大型鋼結構環形桁架施工技術*

廣廈建設集團有限責任公司 杭州 310012

1 工程概況

樂清市體育中心體育館鋼結構屋蓋平面投影呈橢圓形，南北長約148 m，東西寬約128 m，屋面最高標高為28 m。屋蓋結構采用索桁式弦支體系，由單層曲面網格結構和空間索桁體系雜交而成（圖1）。由周邊V形柱和上下環梁形成的鋼結構環形桁架作為屋蓋支撐體系。鋼結構用量約為3 000 t，構件材質為Q345B。V形柱采用φ900 mm×25 mm圓管截面，共計24根；上下2 道環梁采用圓管截面，分布于V形柱頂部和中上部，上環梁構件截面φ1 700 mm×35 mm，下環梁構件截面φ1 000 mm×30 mm。

圖1 鋼結構軸測示意

2 總體安裝方案

體育館環形桁架，采用2臺SC1500型1 500 kN履帶吊在館外側由長軸兩端采取對稱站位進行吊裝。V形柱吊裝分段為相鄰2段斜鋼柱形成1個倒V形，同時在上端部兩側各帶450 mm長的上下環梁端頭以方便環梁連接。環梁按每一個柱距為一個吊裝分段。現場吊裝時首先安裝相鄰的2段倒V形柱吊裝分段，然后吊裝V形柱間的下環梁分段。當相應的徑向梁和環梁吊裝完成之后再吊裝上環梁分段和上下環梁間的連桿。依此順序完成環形桁架的吊裝[1,2]。

3 吊裝施工技術

3.1 倒V形柱地面拼裝

使用全站儀將倒V形柱的各分段軸線放樣至地面上→設置拼裝胎架，并對胎架位置和標高進行測量調整→安裝倒V形柱頂部帶節點的分段→安裝倒V形柱下部的分叉段→用經緯儀復核并校正，進行焊接操作，完成拼裝[3]

3.2 吊裝施工順序

先吊裝預埋段Y形鋼柱，然后吊裝倒V形鋼柱，接著分段吊裝下環梁，再分段吊裝上環梁。當體育館現場土建施工符合鋼柱預埋條件時，鋼結構進場進行鋼柱預埋段的安裝；當土建地基基礎結構完成后，在館外側布置2臺1 500 kN履帶吊進行吊裝施工。

3.3 倒V形鋼柱吊裝

倒V形鋼柱長度為26.90～26.99 m，質量為30.26～30.35 t，采用1 500 kN履帶吊單機回轉法直接起吊，滿足吊裝要求。2臺1 500 kN履帶吊同時從橢圓短軸部位進行對稱吊裝作業，在柱上環梁端頭設置吊點，鋼絲繩從柱上環梁端頭穿過。當倒V形鋼柱起吊至設計位置時，采用設置在倒V形鋼柱柱腳的牽引繩進行調整就位，通過焊接在柱上的連接耳板和高強螺栓進行臨時固定。先通過千斤頂調整倒V形鋼柱的標高，然后利用安裝卡具調整上下柱接頭錯邊，再利用全站儀檢測各個基準點和外形線的實際位置，同理論位置進行比較后進行構件的精確調整，達到誤差要求后按照既定的焊接順序對該吊裝段的構件進行焊接固定[4-6]。

3.4 上下環梁吊裝

下環梁各段長度為15.39～15.43 m，最大質量為11.07 t；上環梁各段長度為15.87～15.99 m，最大質量為22.97 t，采用1 500 kN履帶吊滿足吊裝要求。環梁吊裝前，應清理鋼梁表面污物；對產生浮銹的連接板和摩擦面在吊裝前進行除銹。在地面用臨時螺栓把連接板固定在梁的兩端，將高強螺栓裝于工具包，并將工具包綁在離梁端1 m位置處。鋼梁吊裝就位時要注意鋼梁的上下方向及水平方向，確保安裝正確。起吊就位后，先用撬棍再用沖頭（沖釘）調整好梁的準確位置，然后夾好連接板，當連接板與螺栓孔對正后，臨時螺栓擰緊固定，即可脫鉤。整個安裝過程中，與梁連接的柱必須由全站儀對柱的坐標進行跟蹤監測，柱的坐標偏差值要控制在允許范圍內。

4 現場焊接施工

4.1 焊接特點

環梁節點形式復雜，焊接質量要求高；鋼柱對接、鋼梁對接，基本上是高空焊接，焊縫質量等級均為一級焊縫。Q345B鋼材焊接質量控制困難，精度要求高；環形桁架呈橢圓形，南北長約為148 m，東西寬約為128 m，焊接變形控制尤為重要。根據工程特點，考慮焊接效率和操作難度，決定采用CO2氣體保護焊。

4.2 整體分段施焊

為了使環形桁架均衡承受焊接應力，把整個鋼結構環形桁架分成8個施工段，由2個作業班組同步對稱進行焊接施工，確保焊接參數一致。焊接時采用多層焊接的方法以減少構件縱向變形，每層起弧點相距30～50 mm，避免缺陷集中在一處。

4.3 桿件焊接順序

斜柱鋼梁組焊時應采取合理的焊接順序，同一根柱子兩側的節點焊接必須同時進行，以保證鋼柱左右對稱受力，確保鋼柱角度正確；同一根梁的兩端焊接采用一先一后的方法，一端焊接完成并且焊縫溫度冷卻到常溫，焊接應力有效釋放后，再進行梁另一端的焊接施工。

4.4 合攏縫設置

由于平面呈橢圓形的環形桁架，南北長度達到148 m，東西寬度達到128 m，焊接應力與變形很大，為了有效消除焊接應力，決定在體育館環形桁架的2-28軸、7-9軸、14-16軸、21-23軸設置4條合攏縫，在合攏縫施焊封閉前，盡量使4個區間的桁架焊縫能比較自由的收縮，盡可能多地釋放焊接應力。等環形桁架所有的焊縫都施焊完成并且冷卻至常溫后，再進行4條合攏縫的焊接。

4.5 焊接工藝

鋼柱、鋼梁截面為φ900 mm×25 mm、φ1 700 mm×35 mm、φ1 000 mm×30 mm的圓管。對接焊接時將高空操作平臺安裝在柱對接位置以下1.2 m處，配備2名焊工焊接。施焊前，焊工應檢查焊接部位的組裝質量，如不合要求，應修磨補焊合格后方能施焊。坡口表面不允許帶有污泥雜質、油污、氧化皮等影響焊接的物體。單個構件焊接時采用2人對稱施焊，每焊1層都要認真清渣。

5 施工監測

體育館鋼結構屋面采用了預應力技術，施工過程中對環形桁架等主要構件進行了施工監測。由于上環梁直接與主動受力索連接，因此對環形桁架的上環梁應力采用應變傳感器進行監測，測點布置如圖2所示。監測結果顯示，上環梁的應力變化總體上與施工過程的結構受力變化規律吻合較好。無論是張拉階段還是屋面板施工階段，上環梁的應力變化較小，變化值大多在20 MPa以內[7,8]。

圖2 上環梁應力測點布置示意

6 結語

樂清體育中心體育館環形桁架凈空高、斷面大，施工難度大，通過科學設計、合理施工，確保了鋼結構的順利安裝，保證了安裝精度，有效控制了結構變形，取得了良好效果，工程獲得了2013年度中國鋼結構金獎。