體育場大懸挑鋼桁架屋蓋吊裝施工技術

楊佳林

1. 上海建工集團股份有限公司 上海 200080；2. 上海超高層建筑智能建造技術研究中心 上海 200080

1 工程概況

某體育中心體育場鋼屋蓋由18榀大懸挑空間管桁架構成主要受力體系。18榀主桁架分成3個區塊，每塊6榀主桁架；區塊之間屋蓋結構完全斷開，留有寬300 mm溫度縫。主桁架之間有橫向管桁架支撐。區塊Ⅰ、Ⅲ設有3道支撐，場內、外各1道平面桁架支撐，支座處1道空間立體支撐；區塊Ⅱ設有4道支撐，場內、外各1道平面支撐，支座及場內各1道空間立體支撐（圖1）。

圖1 體育場屋蓋鋼結構三維示意

大懸挑主桁架由2個鋼半球支座、2個“W”形支撐和平行四邊形斷面的空間管桁架組成，最大斷面為6.6 m×4.0 m，區塊邊緣的主桁架一側設有屋面懸挑支架（圖2）。①～⑥軸為區塊Ⅰ，主桁架長度由39.594 m呈扇形過渡至63.767 m，單榀桁架結構質量由20.75 t增加至55.74 t。⑦～ 軸線為區塊Ⅱ，主桁架長度由66.04 m呈扇形過渡至69.086 m，單榀桁架結構質量由59.91 t增加至63.96 t。

～ 軸線為區塊Ⅲ，主桁架長度由65.912 m呈扇形過渡至48.712 m，單榀桁架結構質量由63.22 t減少至26.48 t。每個區塊的桁架上弦最高點與下弦最低點高差10 m，上弦最高點至柱子支座處高差達15 m。大懸挑鋼桁架最長為69.086 m，質量為63.96 t，最大懸挑長度為46.295 m。大懸挑主桁架結構桿件截面規格為φ114 mm×4 mm～φ351 mm×20 mm。半球支座有2種類型，前支座為受壓球鉸支座，后支座為受拉支座（圖3）。橫向支撐根據位置不同分別采用平面和空間管桁架設計（圖4），橫向支撐單榀最重為LTC1，質量為6.2 t。整個鋼屋蓋總質量約1 150 t。

2 工程特點及難點

大懸挑主桁架最大長度為70 m，質量約64 t。若整體吊裝，吊機作業半徑約40 m，對起重機械要求高。鋼屋蓋吊裝時，下部的混凝土看臺已經施工完畢。此外，本工程場外＋5.70 m標高的大面積混凝土結構平臺已經施工完畢。若考慮在場外吊裝，起重機停機位置位于平臺外側，作業半徑達到近60 m。而平臺的承載能力不能滿足大型起重機開行及停機作業要求。同時，吊裝方案的選擇應充分考慮經濟性等因素。

圖2 單榀主桁架示意

圖3 大懸挑鋼桁架半球支座

圖4 橫向支撐

從結構設計來看，單榀大懸挑主桁架是不穩定的，只有相鄰2榀桁架及之間的橫向支撐（抑或更多桁架）完成后，方可成為穩定體系。因此，施工階段的結構穩定是需要解決的重點之一[1-2]。主桁架懸挑長度超長，最大懸挑長度為46.295 m。安裝過程中臨時支撐的設計也是一個關鍵點。

3 總體技術路線及吊裝流程

在鋼結構吊裝總體技術路線確定之前，我們先對鋼屋蓋結構的組成進行了分析。從設計圖紙看，單榀平行四邊形立體管桁架通過8根桿件支撐于2個半圓形球節點支座，8根桿件組成空間“W”形，每4根桿件交于同一個半球節點支座。半球支座根據其構造，只能單獨安裝，不能與“W”形支撐整體安裝。“W”形支撐若與主桁架組成一體后吊裝，則構件體形復雜、尺寸相對更大。地面拼裝時若立拼，則拼裝高度超高，安全性及操作便利性均不好；若平拼，則起扳回直困難。此外，18榀桁架的半球形支座空間定位各不相同，整體吊裝的相對技術難度較大。

在對結構的組成進行充分認識后，綜合考慮經濟性和安全性等因素，選擇了如下的總體吊裝技術路線：“W”形支撐采用散件安裝，由臨時支撐固定；主桁架采用1臺300 t履帶吊在場內，分前后2段安裝，后段又采用分片安裝（其中HJ1a、HJ1b、HJ3e、HJ3f主桁架，除去“W” 形支撐后，可以整體吊裝）。橫向支撐采用整體吊裝，零星構件補缺安裝。

4 鋼結構安裝工藝

4.1 鋼結構地面拼裝

由于桁架斷面尺寸大，超出常規運輸規格，故散件運輸至體育場內，在現場進行擴大組裝。由于桁架超高（最高處為7 m），采用立拼時，胎架過高，高空作業太多，不經濟也不安全，因此采用臥拼方案（圖5）。在體育場內外各設鋼結構構件堆場及拼裝場地。體育場外的堆場及拼裝場地設在＋5.70 m混凝土平臺上，滿足支撐SC2地面拼裝及場外臨時支撐的組裝要求。體育場內的堆場及拼裝場地設在300 t履帶吊開行道路外側，場地要求平整、夯實，面層鋪設厚150 mm碎石，壓實抄平。場外采用25 t汽車吊上＋5.70 m標高平臺輔助拼裝，場內拼裝起重機械安排50 t履帶吊。

4.2 半球形鋼支座及“W”形支撐安裝

首先在埋件表面畫出縱橫正交定位軸線，復測埋件軸線及標高，然后安裝支座底板。根據設計說明，安裝時若發現鋼構件與預埋件之間的距離小于10 mm，可采用焊縫調節。若大于10 mm，則增加過渡板，板厚≥20 mm，數量不多于2塊。過渡板與預埋件之間采用角焊縫一周，焊腳高同板厚。底板安裝完后，對于受壓支座，固定地腳螺栓；對于受拉支座，張拉預應力鋼絞線。最后，采用25 t汽車吊輔助安裝支座加勁肋及球瓣。受壓半球支座為可轉動的鉸支座，為避免在上部鋼結構安裝時發生轉動，安裝完后用鋼板臨時固定。

所有的“W”形支撐均采取散裝。由于支撐呈雙向傾斜姿態，故需設置臨時支撐。支撐采用型鋼與腳手鋼管組合形式。“W”形支撐采用25 t汽車吊停機于場外＋5.70 m混凝土平臺上吊裝。每榀桁架的“W”形支撐安裝完后，用槽鋼將其連成臨時穩定的結構。

4.3 大懸挑主桁架安裝

不同長度的主桁架根據其自身質量、300 t履帶吊起重性能，有不同的安裝方法。HJ1a、HJ1b、HJ3e、HJ3f主桁架的質量分別為18.67、17.57、26.34、23.27 t，吊裝半徑均小于38 m，可以采用300 t履帶吊單機整榀安裝。

其余14榀主桁架采用前后分段、后段分片的方法，采用300 t履帶吊單機吊裝。

4.3.1 后段分片吊裝

先采用300 t履帶吊安裝單榀桁架的右片（從場內看）。單片桁架下部的3個球擱置到已經完成的“W”形支撐上，即表明桁架安裝到位。同時上弦拉設3道纜風繩，纜風繩固定在混凝土結構上。然后再安裝單榀桁架的左片。安裝到位后，采用3道屋架支撐與右片桁架連成整體（圖6）。2片桁架的垂直度校正采用纜風繩及屋架支撐進行，先用纜風繩校正一片，校正好后通過屋架支撐校正另一片。2片桁架之間的間距通過屋架支撐調節。桁架校正好后，安裝2片之間的腹桿。

圖5 主桁架臥拼胎架示意

圖6 桁架后段分片安裝側向穩定措施

4.3.2 前段整體吊裝

桁架前段采用300 t履帶吊整體安裝。安裝前先設置格構式支撐。前段桁架起吊到位后，與后段桁架通過臨時耳板連接；前段桁架拉設2道纜風繩，作桁架校正用，纜風繩拉結于桁架上弦。桁架校正好后，焊接弦桿對接焊縫，補缺腹桿。全部完成后，纜風繩仍保持不松。待相鄰2榀桁架之間的橫向支撐安裝完后，可以拆除前1榀桁架的纜風繩。

4.4 橫向支撐安裝

橫向支撐有4種形式，其中位于桁架兩端頭的SC1（場內）、SC2（場外）支撐，為平面管桁架；位于支座處以及跨中的LTC支撐，為立體管桁架。原則上，支撐在地面組拼后再高空安裝。

LTC1～LTC15支撐位于主桁架支座處。為保證主桁架的穩定，每相鄰2榀主桁架（后段）安裝完后，就應及時安裝該支撐。考慮到LTC支撐起吊時比較零散，在地面拼裝時采用臨時型鋼加固，使其形成穩定結構體系。

4.5 臨時支撐的安裝、卸載與拆除

大懸挑主桁架采用格構式臨時支撐輔助安裝。每榀桁架下設2組格構式支撐，分別支承桁架的2根下弦桿。2組支撐之間用型鋼連系，形成單向穩定的體系；另一個方向通過前后的纜風繩穩定。纜風繩固定在混凝土結構上。臨時支撐落腳點為混凝土看臺橫向大梁上，由于看臺臺階的存在，支撐底部里邊2個腳直接坐在看臺臺階上的埋件上，外邊2個腳用鋼梁找平（圖7）。

圖7 主桁架臨時支撐示意

根據鋼屋蓋結構平面布置，整個屋蓋設置了2道溫度縫，將屋蓋分為3個結構上獨立的區塊。因此，臨時支撐在每個區塊的鋼屋蓋結構安裝完后即可進行支撐卸載，并予以拆除，周轉至后續主桁架處。

臨時支撐的卸載過程同時也是鋼屋蓋結構的承載過程。在整個卸載過程中，必須保證臨時支撐結構及鋼屋蓋結構的應力和變形在限定要求內[3-4]。利用有限元結構分析軟件對鋼屋蓋進行整體建模和加載，得到鋼屋蓋自重作用下主桁架在臨時支撐點處的變形值，以此確定支撐卸載位移量。卸載過程分步驟平緩進行，每步的位移下降量根據總變形值再細分。在臨時支撐卸載前，應先除去受壓支座的臨時固定鋼板。卸載工具采用16 t螺旋千斤頂，每個支撐處設置2個。卸載作業點設置在臨時支撐頂部。

5 結語

通過對該體育場鋼屋蓋結構的深入理解和分析，因地制宜地制定了鋼結構吊裝方案。針對大懸挑鋼桁架，通過合理分段，采用臨時支撐輔助，解決了其相關的吊裝技術問題。經過現場實踐，證明所選擇的施工方案是行之有效的，可為類似工程提供借鑒。