大跨度鋼屋蓋曲面網架的高空累積滑移

魏愛生 徐玉飛 張 婷 劉火明 蔣 豐

中國建筑第八工程局有限公司西南分公司 四川 成都 610041

1 工程概況

成都鳳凰山體育中心體育館屋蓋平面為橢圓形，中間最長為183 m、最寬為153 m，懸挑長度在19～24 m之間。網架面積23 000 m2，重約2 300 t，網架構件截面規格為P140 mm×4 mm～P500 mm×30 mm，焊接球規格為WSR4014～WSR9040（產品代號），材質為Q345B。根據建筑造型和比賽演出吊掛需求，結合結構受力特點，屋蓋鋼結構采用正放四角錐網架結構。網架支承于下部環形看臺鋼筋混凝土柱上。

2 施工重難點分析

1）鋼網架為曲面不規則橢圓形，且構件多，現場拼裝要求精度高（圖1）。

2）鋼網架覆蓋整個看臺頂部，內場可供操作的空間小。

圖1 體育館曲面網架示意

3）鋼網架兩端懸挑，懸挑寬度短向18.645 m、長向22.952 m。

4）安裝高度最高處達49.75 m，高空作業安全管理難度大。

3 施工方案選擇

施工前，對大跨度網架施工可能采用的高空散拼、分塊吊裝、先提升中間向看臺區域逐步向其他區域擴展、累積滑移等方案的優劣進行綜合比選，最終確定項目鋼網架安裝采用累積滑移，即在場地北側的地下室頂板完成后，在其上搭設鋼結構組裝平臺，網架在地面分塊拼裝完成后，在平臺上進行分塊組裝，分區域累積滑移，滑移完成后，再進行兩端懸挑區域的分塊后補安裝[1-2]。經計算，本項目網架分7次進行累積滑移（圖2）。

圖2 滑移區域劃分示意

4 主要施工方法

4.1 施工工藝流程

施工工藝流程為：施工準備→安裝工作平臺及滑移軌道→網架地面分塊拼裝→吊至提升平臺組裝→第1個網架滑移單元滑移→重復進行第2—7個網架滑移單元累積滑移→網架滑移就位→分塊吊裝兩端懸挑區域網架→網架卸載→拆除胎架、軌道梁及軌道→網架變形監測。

4.2 施工準備

1）技術準備：進行圖紙會審，完成深化圖設計并報審；制定并確定施工方案，進行專家論證；對作業人員作技術交底；完成焊接工藝評定，完善前期所有報驗資料。

2）材料準備：工程所需的各種構件、桿件等加工到位，所有胎架搭設的型鋼、木跳板等措施材料準備到位。

3）機械設備準備：吊車、焊機、頂推裝置、監測等各種機械、設備準備到位。

4）現場準備：施工人員進場并完成教育培訓，各類埋件及軸線標高測量到位，現場建立測量控制網，拼裝場地提供到位。

4.3 工作平臺及滑移軌道安裝

4.3.1 拼裝平臺安裝

拼裝平臺采用從地下室頂板開始搭設，長160 m、寬30 m、高36.4 m，鋼柱采用φ609 mm×16 mm圓管制作成6 m一節標準節安裝。長度和寬度方向均設置2排支撐，支撐截面為φ 219 mm×16 mm，平臺面層滿鋪4 000 mm×200 mm×50 mm木跳板，總計使用面積4 800 m2。拼裝平臺搭設如圖3所示。平臺安裝前對主支撐下部對應地下室頂板進行加固。

4.3.2 滑移軌道安裝

網架滑移軌道系統主要由滑移軌道、軌道梁及滑移支撐胎架組成，其中滑移軌道用于提供滑移所需的水平反力，滑移梁及滑移支撐胎架用于承受整個滑移過程中的自重荷載。滑移梁一部分支撐在滑移支撐架上，一部分支撐在混凝土梁上。設置標高相同的3條滑移軌道，中間一條位于中心線，其余2條位于混凝土梁上。支撐柱采用φ609 mm×16 mm，中間格構撐采用φ89 mm×4 mm，組成格構柱，每組配備3道支撐，立柱采用間距2 m等邊三角形布置（圖4）。

圖3 拼裝平臺安裝示意

圖4 滑移軌道布置示意

滑移軌道梁采用雙拼H型鋼，規格為HW900 mm×300 mm，每條軌道長度195 m，采用工廠加工運輸至現場安裝。滑移導滑槽分2種情況，一種為放置在鋼滑移軌道梁上，一種為放置在混凝土梁上。將側擋塊（沿軌道通長設置，間距300 mm）焊接在軌道梁上。在滑移過程中，軌道起到橫向限位的作用，側擋塊起到對頂緊塊施加反作用力的作用，如圖5所示。

圖5 導滑槽與軌道梁示意

4.4 網架地面分塊拼裝

根據結構具體吊裝分片對鋼構件進行現場拼裝。拼裝前，根據結構各構件的空間位置進行計算機實體模擬。根據結構線形設置胎架，并在地面進行定位放線。

采用1臺80 t履帶吊、1臺80 t汽車吊進行拼裝吊裝，配置6臺25 t汽車吊進行網架拼裝。按放線位置進行桿件布置。在沒有約束的條件下，檢測構件分段間的端口情況，包括間隙、錯位、坡口、相對空間距離與方位。

在驗收合格后，畫出對合線、中心線、水平線等標記，然后開始拼裝。

拼裝過程中進行檢查，保證產品的使用精度。

4.5 網架高空對接安裝

網架高空對接在拼裝平臺上進行，每個累積滑移塊分為7個吊裝段，提前設置好后裝桿件，采用履帶吊吊裝至平臺進行對接安裝，如圖6所示。根據吊裝段的不同，分別采用1臺400 t和1臺650 t履帶吊進行吊裝。

圖6 高空對接拼裝支撐架布置及吊裝段示意

4.6 網架累積滑移

根據體育館屋蓋結構特點，經模擬分析計算，將鋼屋蓋分為7個滑移單元和2個原位拼裝單元，原位拼裝單元位于屋蓋南側和北側，待全部滑移單元滑移完成并卸載后進行拼裝。

為加快進度，在滑移前，在拼裝平臺上進行空調風管與馬道的安裝，馬道與風管僅作臨時固定，不得改變整體網架受力狀態。

整個屋面網架滑移共設置18個滑移頂推點。每個頂推點設置1臺YS-PJ-50型液壓頂推器，共計18臺YS-PJ-50型液壓頂推器，頂推器由主液壓缸、頂緊裝置、連接耳板、側向擋板、電氣液壓控制系統等組成，額定頂推力為500 kN，如圖7所示。

圖7 頂推位置及頂推器構造示意

累積滑移頂推設備采用計算機同步控制，通過主液壓缸伸縮步進式頂推構件，帶動整片網架同步滑移。首片網架頂推滑移至設定位置后，安裝第2片網架，與滑移推出的首片網架進行連接，形成整體后，進行第2次滑移，以此類推，直至需要滑移的區域連成整體，實現累積滑移。

滑移過程中，在每一滑移單元滑移前，選取合適位置做好控制點標記，滑移過程中跟蹤測量，保證3條軌道上的網架結構同步滑移，在滑移即將就位時，增大測量頻率，根據測量數據做精細調整，和滑移操作人員及時溝通，保證滑移單元的精準落位。

4.7 兩端懸挑區域網架安裝

南北兩側懸挑區域需等到中間滑移區域滑移到位之后，在南、北兩側設置臨時承重支撐架，對懸挑區域進行分塊吊裝、高空焊接成整體。臨時承重支撐架采用2 m×2 m×1.5 m裝配式結構，支撐架采用主肢φ89 mm×4 mm，腹桿φ60 mm×3.5 mm，頂部分配梁采用B400 mm×250 mm×14 mm×14 mm，補長柱采用φ245 mm×10 mm圓管，長度約800 mm，如圖8所示。

圖8 支撐架構造示意

4.8 網架卸載

全部網架安裝完成后，從中間往兩側對稱對四周支座全部封閉焊接，對整個結構安裝情況進行全面檢查后，實施卸載。卸載整體順序是先卸載中間支撐點，再卸載四周支撐點。采用千斤頂分2級循環進行卸載，第1次卸載30 mm，第2次卸載到位。

卸載過程中對網架位移及變形進行監測，并進行測量監控分析，確保卸載過程安全。

4.9 臨時措施拆除

網架的臨時措施球及臨時措施桿件拆除時，采用葫蘆及其他吊帶將其與主體結構構件連接，在保證安全的情況下，方可拆除。

臨時措施球及臨時措施桿件拆除后，拆除所有支撐胎架、軌道梁及軌道，鋼網架安裝結束。

5 施工監測

為驗證網架安裝效果，保證結構安全，委托第三方專業監測單位，對鋼網架進行變形、溫度及應力監測，實時提交監測報告。

5.1 應力及溫度監測

對體育館中部三角形桁架和環桁架三角桁架進行應力、溫度監測，共布78個振弦式應變傳感器。應力和溫度數據采用靜態采集儀進行同時采集，如圖9所示。

圖9 應力、溫度監測點及振弦式傳感器

5.2 變形監測

變形監測采用徠卡全站儀進行，根據結構形式，選取在鋼網架中部下弦桿布設3個棱鏡作為監測點，采用全站儀對監測點進行三向坐標數據采集。

5.3 監測頻次

根據施工方案，確定本工程的監測頻率為：設備安裝后監測1次作為初始值，兩側懸挑區補桿完成、網架完成監測1次，卸載完成監測1次，其余時間每個月監測1次。

5.4 監測結果

鋼屋蓋網架安裝后結構由支撐支持，構件僅承受自重荷載，應力值較小，支撐拆除后由于結構自重荷載的施加，應力值稍微增大，但變化值在合理范圍內，目前構件應力遠小于黃色預警值（0.5倍的設計強度），結構處于穩定狀態，后續跟蹤監測。

在鋼屋蓋網架安裝、網架支撐拆除過程中，對網架下弦桿變形監測點進行監測，此施工過程結構變形較小（最大11 mm），結構處于穩定狀態。

6 結語

本工程基于超大跨度曲面形網架的施工特點，采用中間區域高空累積滑移、兩端分塊吊裝就位的施工工藝，不僅解決了網架施工場地限制的技術難題，減少了高空拼接量，保證了質量與安全，而且實現了空調風管與馬道一起滑移，為其他工序在內場的合理穿插創造了條件，節省了成本，縮短了工期。