體育場鋼結(jié)構(gòu)施工技術及研究

馬興

摘 要：很多體育場在建設過程中，均是以露天標準開展建設工作，如果在建設過程中遇到惡劣天氣，如炎熱雨雪天氣等，容易對體育場正常使用產(chǎn)生影響。本文根據(jù)以往工作經(jīng)驗，對體育場結(jié)構(gòu)形式和鋼材選用情況進行總結(jié)，并從臨時支撐塔架設計、柱腳施工技術、桁架柱安裝技術三方面，論述了體育場鋼結(jié)構(gòu)施工技術內(nèi)容。

關鍵詞：體育場;鋼結(jié)構(gòu);桁架柱

一、結(jié)構(gòu)形式

為了方便研究，本文以國外某體育場建設情況為例，該建筑頂面呈現(xiàn)出馬鞍結(jié)構(gòu)，其中，內(nèi)部長軸為223.19m，短軸為164.18m，鋼結(jié)構(gòu)最高點標高達到76.6m。站在主體結(jié)構(gòu)角度來說，東西地上8層，南北地上6層，內(nèi)部主要為碗狀混凝土框架剪力墻機構(gòu)，外部鋼結(jié)構(gòu)可以分為V柱結(jié)構(gòu)、壓環(huán)結(jié)構(gòu)和次結(jié)構(gòu)，屋面為索膜結(jié)構(gòu)，4層與5層之間設有鋼桁架轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，5層及以上外圈為輕鋼混凝土組合樓板，外圍的48榀V型鋼柱組成的鋼結(jié)構(gòu)分別支撐在24個異型混凝土柱上，總重量6271噸，其中單個V柱構(gòu)件寬13.5-14.5米，高37.5-51.5米，V柱為主要的豎向傳力系統(tǒng)，為立體桁架（壓環(huán)）以及幕墻側(cè)壁結(jié)構(gòu)提供支承，并將豎向力傳遞到混凝土柱墩上，進而傳遞到地面。V柱頂部的壓環(huán)結(jié)構(gòu)總重6200噸，是承載幕墻、連接屋面索網(wǎng)和V鋼柱的構(gòu)件，每兩柱頂間的一片壓環(huán)為一個拼裝和吊裝單元，單個環(huán)線管桁架結(jié)構(gòu)長度約40米，由四根主弦桿構(gòu)成箱形立體桁架，上下片主管口中心距離分別為17.6米和15.3米。

二、鋼材選用

該體育場鋼結(jié)構(gòu)屬于是全焊接結(jié)構(gòu)內(nèi)容，實際設計用鋼量大約為18000t，主要包括的材料種類有Cs20Mn5V鑄鋼以及Q345C等高強度鋼。其中，很多鋼材料和工藝都是在國外體育場項目中首次應用，主要應用于48榀V柱和和24榀壓環(huán)桁架之中，鋼板最大厚度也達到了50mm。

三、特點難點

（一）工程組織管理難度較大

該工程建設規(guī)模較大，實際組織管理體系也十分復雜，從項目所在地政府部門到業(yè)主，再到總包和分包，涉及到的層次較多，增加了項目管理難度。與此同時，在具體鋼結(jié)構(gòu)安裝和土建等方面，涉及到很多交叉施工現(xiàn)象，施工現(xiàn)場的空間有限，讓構(gòu)件運輸以及大型吊車進場受到了極大限制。該體育場館在建設過程中，建筑造型極為特殊，主次結(jié)構(gòu)之間也存在很多空間交匯問題。次結(jié)構(gòu)復雜多變，進而提升了結(jié)構(gòu)節(jié)點的復雜性。在具體安裝工作執(zhí)行過程中，工作人員還會遇到多個管口同時對接的情況。對于箱型斷面，需要確保多個管口的對準精度，這也提升了整個操作的難度。與此同時，對于大跨度的空間結(jié)構(gòu)，構(gòu)建長度會受到溫度變化的影響，導致施工人員很難把握好安裝精度。

（二） 合攏難度高

該體育場館在建設過程中屋蓋鋼結(jié)構(gòu)屬于是特大型的大跨度鋼結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)頂部寬度達309米。該項目所在地屬于熱帶沙漠氣候，晝夜溫差大，主體鋼結(jié)構(gòu)形成過程中出現(xiàn)了較大溫差，進而產(chǎn)生了極大程度的溫度應力。因此，可以根據(jù)項目所在地多哈的最低溫度和最高溫度情況，設計合攏溫度，這也是屋蓋結(jié)構(gòu)最終所形成的溫度，降低溫度變形幾率以及溫度應力。在此過程中，還需要設置合理的主桁架和立面次結(jié)構(gòu)，并在其中加入合攏線，其中壓環(huán)結(jié)構(gòu)之間、壓環(huán)和V柱之間，合攏口數(shù)量較多，由于施工技術和溫度變化等原因，需要嚴格控制各合攏點的精度，嚴重情況下會造成無法合攏的情況出現(xiàn)。此種情況之下，為了確保合攏線之中對接口操作時，也能做到同時合攏，需要組織大量的人力物力進行實驗和測算。

（三） 卸載難度大

總的來說，該體育館鋼結(jié)構(gòu)受力體系為環(huán)形側(cè)向鋼結(jié)構(gòu)受力體系，通過索來平衡受力，能夠展示出極強的空間非幾何線性作用。相關工作人員可以根據(jù)實際施工方案，以及結(jié)構(gòu)安裝情況，在整個鋼結(jié)構(gòu)施工設置多個支撐塔架，為主桁架安裝起一個臨時支撐的作用，當主結(jié)構(gòu)安裝工作結(jié)束后，再進行卸載和拆除操作。此外，在實際支撐塔架卸載過程中，整個結(jié)構(gòu)體系會出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)換性操作，結(jié)構(gòu)本身和支撐塔架受力會出現(xiàn)明顯變化，整個卸載順序以及卸載工藝等內(nèi)容都會對其產(chǎn)生影響，相關工作人員需要進行細致性分析。由于該體育場館設計操作極為復雜，卸載控制難度也會相應提升。

四、施工技術

（一） 支撐塔架設計

為了確保體育場屋蓋鋼結(jié)構(gòu)的有效施工，相關工作人員需要根據(jù)實際鋼結(jié)構(gòu)特點，設置有效的分段形式。不同區(qū)域的臨時支撐塔架高度不同，平面尺寸為13x5米，從低區(qū)43米至高區(qū)53米共計24榀按照環(huán)向布置在混凝土裙房樓板上。為了強化整體支撐塔架鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，避免支撐塔架出現(xiàn)沉降問題，相關工作人員需要在臨時支撐塔架底部設置斜支撐體系，同時為了保證力傳的直接性，避免裙房混凝土樓板直接承載，支撐塔架底部設置轉(zhuǎn)換框架，將載荷全部傳遞到混凝土柱，增加了結(jié)構(gòu)的安全性。為了方便現(xiàn)場加工和安裝工作的執(zhí)行，提升經(jīng)濟效益，具體支撐塔架和柱頂連系桁架設計均需要采用標準節(jié)方式。支撐塔架柱肢應采用D528×12和D609×12的螺旋焊管。更重要的是，對于水平腹桿可以采用十字形布置形式，或是交叉體系。為了進一步提升支撐塔架柱身抗扭剛度，每節(jié)標準段兩端和中間區(qū)域需要設置角鋼交叉橫隔，確保整個塔架抗扭剛度滿足標準要求。

（二） 柱腳施工技術

該體育場所有V柱柱腳是通過球形支座和混凝土柱中的預埋件連接到一起，連接方式為高強度螺栓連接。V柱柱腳落在混凝土結(jié)構(gòu)柱牛腿頂面，絕對標高19.93，相對地面標高15.13米。預埋件安裝精度為+-10mm，單個重量4.5噸，分為上下兩部分，上部為預埋件頂板，通過螺栓和支座頂板鏈接，下部為抗拔抗剪件，預埋至混凝土結(jié)構(gòu)柱的牛腿部分，因此對于變形控制和參與應力控制難度也較高。與此同時，在柱腳部分和土建單位交叉施工過程中，一般在柱腳安裝操作時，土建施工并沒有結(jié)束，進而導致施工現(xiàn)場的施工條件有限。再加上柱腳附近存在很多插筋，提高了整個施工操作的難度。此種情況之下，相關工作人員需要確保安裝質(zhì)量和精度的同時，避免整個屋蓋安全受到影響。

（三） 桁架柱安裝技術

壓環(huán)體型巨大，最大的長約46米，高達13米，重425噸，且結(jié)構(gòu)復雜，由四根主弦桿構(gòu)成箱形立體桁架，上下弦面內(nèi)為“米”字型網(wǎng)格，整體幾何形狀與屋面馬鞍面保持一致，是承載幕墻、連接屋面索網(wǎng)和V鋼柱的構(gòu)件，壓環(huán)共24榀，是項目“力”與“美”的核心。壓環(huán)吊裝是該項目鋼結(jié)構(gòu)施工中的里程碑事件，不僅標志著鋼結(jié)構(gòu)施工中的技術問題基本掃清，也為后續(xù)索膜施工奠定了基礎。

在整個屋蓋支撐上，壓環(huán)和V柱起著重要作用，而受力較大，實際施工質(zhì)量要求和較高。在安裝過程中，除了確保V柱垂直度之外，上節(jié)柱和下節(jié)柱需要保持對口偏差特點，并以牛腿坐標為基礎，為后續(xù)主桁架和立面次結(jié)構(gòu)安裝創(chuàng)造有利條件。但由于對接管口較多，剛度大，拼裝操作時很難保證管口精度，從而增加安裝難度。因此在實際柱腳和桁架對接操作過程中，工作人員需要對鋼板厚度進行合理把握，提升對口調(diào)節(jié)力度，這也是降低后續(xù)構(gòu)件拼裝難度的基本所在。

五、結(jié)語

綜上所述，該體育場館鋼結(jié)構(gòu)設計過程中，主要采取的施工方案為散裝總體施工，雖然施工操作之中具備很多臨時措施，但相關方案在經(jīng)過比較滯后，工作人員需要確保所選方案為最佳方案。現(xiàn)階段，該施工方案已經(jīng)獲得了成功，經(jīng)濟效益和社會影響力明顯，還能滿足實際施工要求，在一定程度上能實現(xiàn)工期的節(jié)約。

參考文獻：

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