三亞體育中心體育場鋼結構安裝關鍵技術

高文光，趙文雁，孫玉厚，張堅洪，張蘭芳，潘文智，張 兵

(1.北京城建六建設集團有限公司，北京 101500；2.浙江精工鋼結構集團有限公司，浙江 紹興 312030)

0 引言

近年來，我國空間結構得到長足發展，特別是21世紀以來，作為其重要分支的高性能預應力空間結構(張弦梁、弦支穹頂、索穹頂、索桁架等)，由于造型美觀、力學性能好、自重輕、節省用鋼量等特點，被廣泛應用于大跨度空間結構[1-3]。

索桁架結構為其中一種結構效率極高的預應力空間結構，由下凹承重索、上凸穩定索和豎腹桿組成，上、下索間通過豎腹桿連接，通過張拉使索系繃緊，從而在索桁架中形成并保持足夠張力，使其具有穩定形狀和較高承載力[4-5]。而雙層輪輻式索桁架結構是目前體育場中應用最多的形式之一，是由索桁架、環索和剛性受壓環梁組成的自平衡體系，其將索桁架輻射狀布置，每榀索桁架外側錨固在外環梁或外環桁架上，內側與內環索連接[6]。

索桁架支承結構構件加工制作及施工復雜因素均將導致其安裝后的幾何位置與設計要求產生偏差，而這些誤差必將影響索桁架張拉成型后的形狀及索力分布。相關研究表明，索桁架結構拓撲關系決定了拉索長度、環梁節點板位形唯一時，成型狀態索力也唯一[7]。因此，輪輻式索桁架外圍支承結構體系施工是影響成型狀態的一個關鍵因素。

1 工程概況

三亞市體育中心體育場項目位于三亞市吉陽區，為甲級大型體育場，總坐席數約4萬。體育場長邊長304.4m、短邊長268.2m，地上4層，建筑標高為45.300m，占地面積31 670.8m2，如圖1所示。

圖1 體育場整體效果

體育場平面為不規則五邊形，下部為4層混凝土結構看臺，上部為鋼結構罩棚。罩棚以V形柱及受壓環梁為界，分為外圈鋼結構和內圈鋼結構。

1)外圈鋼結構主要包括受壓內環梁、外環梁、交叉梁、內環V形柱、外幕墻斜柱，如圖2所示。外圈鋼結構最大跨度42m，內環V形柱和外幕墻斜柱沿環向呈不同角度地向外傾斜，內環V形柱與受壓內環梁采用關節軸承連接，柱腳采用固定鉸支座與下方看臺混凝土結構連接。受壓環梁為箱形截面，最大截面尺寸為1 300mm×1 500mm×60mm；內環V形柱為圓管截面，截面尺寸為φ1 200×20。外圈鋼結構上方為不銹鋼焊接金屬屋面。

圖2 體育場外圈鋼結構示意

2)內圈鋼結構由52榀輪輻式索桁架和剛性受壓環桁架組成自平衡結構，上方為PTFE膜材屋面。其中剛性受壓環桁架內外圈弦桿間距為15～20m。

2 施工重難點分析

1)鋼結構安裝位形確定 對于輪輻式索桁架結構，其結構狀態分為零狀態、初始態及荷載態。零狀態位形為結構安裝位形，初始態位形為結構在自重及預應力作用下的位形，而荷載態位形為結構在自重、預應力及外荷載作用下的位形。設計圖中的鋼結構位形為設計初始態的位形，而根據設計院提供的整體結構一次成型的計算結果，其設計初始態與鋼結構放樣的零狀態位形有一定差距，其鋼結構安裝位形的確定為其中一個重難點。

2)鋼結構安裝精度控制 外幕墻斜柱及內環V形柱均為傾斜狀態，且與環梁為關節軸承連接，對安裝精度的要求較高，而且鋼結構安裝位形對索桁架成型態的索力與位形影響較大。因此，需對外圍鋼結構安裝精度進行嚴格控制。

3)臨時支撐體系設計 本工程土建結構內圈為圍繞體育場的看臺結構，外圈為框架結構。其外圍鋼結構跨度及梁截面均較大，吊裝單元質量大，底部混凝土結構高低不平，對臨時支撐胎架承載力及底部工裝提出了更高要求。此外，V形柱、外幕墻斜柱均為傾斜且角度各不相同，支撐胎架頂部工裝設計也較為復雜。

4)重型構件吊裝 本工程受壓環梁最大分段長度為22.2m，最大分段質量為107t，吊裝單元跨度及質量均較大，需選擇大型機械進行吊裝，且需對吊裝工況下的主體結構、吊繩等進行詳細驗算，以確保吊裝安全。

5)臨時支撐體系卸載 臨時支撐體系卸載為結構卸去支撐力、實現結構正常受力的過程。對于大跨度結構，當結構安裝完成后，臨時支撐結構體系卸載將在結構中引起較大的內力重分布，對結構最終成型狀態有較大影響。因此，需制定合理的卸載順序，保證結構卸載過程中的安全。

3 施工關鍵技術

3.1 施工分區及總體施工工序

按施工流水段劃分，將外圍鋼結構劃分為4個施工分區，如圖3所示。

圖3 施工分區

根據結構特點及施工分區，按先南北區、后東西區順序，依次安裝鋼結構預埋件、臨時支撐胎架、內環梁、內環V形柱、外環梁、外幕墻斜柱及屋面交叉梁等，整體鋼結構吊裝并焊接完成后進行臨時支撐體系卸載及拆除。

對于內環V形柱，考慮本工程結構特點及施工便捷性，南北區V形柱安裝順序為先V形柱后環梁，東西區V形柱安裝順序為先環梁后V形柱。

根據施工場地及構件分段特點，吊裝主要選用2臺400t、2臺300t及1臺200t履帶式起重機。

總體安裝流程為：南北區胎架、內環梁及內環V形柱→東西區胎架、內環梁及內環V形柱→南北區外環梁及外幕墻斜柱→南北區屋面交叉梁→東西區外環梁及外幕墻斜柱→東西區屋面交叉梁→臨時支撐胎架卸載及拆除。

3.2 鋼結構安裝零狀態位形確定

根據整體結構一次成型計算結果，外圍鋼結構初始態與放樣零狀態有一定差距，而設計圖紙提供結構位形為初始態位形。為使預應力張拉完成后結構位形與設計的初始態位形一致，需對外圍鋼結構進行2個階段找形預偏。

1)階段1 基于外圍鋼結構詳細施工仿真分析及預應力張拉施工仿真分析結果，綜合考慮鋼結構及預應力張拉施工過程中結構位形變化，確定預應力張拉施工前外圍鋼結構施工完成態位形。

2)階段2 結合鋼結構一次成型與施工模擬計算結果，在深化過程中對受壓環梁進行再次找形預偏，使鋼結構施工模擬所得結構位形與一次成型位形一致。

3.3 地面拼裝精度控制

鋼結構構件為圓管及箱形截面，其中內環梁、外環梁箱形截面構件為彎曲構件，為便于彎曲箱形構件及圓管構件工廠拼裝及現場安裝定位，在結構模型中放樣出箱形梁構件4條棱邊線及圓管構件邊線在端口處的控制點(見圖4)，給出斷口邊線定位點的現場安裝整體坐標、現場拼裝局部坐標及工廠拼裝的局部坐標，并在鋼結構構件端口位置打樣沖眼，以供現場各吊裝單元高空定位、現場各運輸單元地面拼裝定位及工廠各零件地面拼裝定位。

圖4 構件端口控制點

此外，由于吊裝單元結構特殊性，對內環梁吊裝單元拼裝胎架進行設計及驗算，以保證地面拼裝精度。

3.4 有限元分析

本工程構件跨度和質量均較大，保證吊裝過程安全尤為關鍵。為此，對每個吊裝分塊進行吊況分析，計算吊繩最大軸力，選用RH02型高強吊帶作為吊繩，并對構件吊耳板進行設計驗算。由于V形柱與內環梁間為關節軸承連接，為進一步確保構件吊裝過程安全并控制構件吊裝過程變形，采用工字鋼及異形卡板臨時加固吊裝單元，并建立精細化有限元分析模型，驗算吊裝工況下吊裝單元應力及變形(見圖5)。

圖5 實體有限元分析結果

吊裝工況下，吊裝單元最大應力為154.9MPa，最大豎向變形為3.4mm，均滿足吊裝精度要求。

3.5 臨時支撐體系設計

本項目采用分段吊裝方式，需設置3圈臨時支撐胎架，根據胎架受力及結構特點，分為7種臨時支撐胎架，共126個。

對于南北區內環胎架，由于V形柱向外傾斜角度較小，且胎架高度也相對較小，因此，采用單胎架形式；而對于東西區內環胎架，由于V形柱向外傾斜角度較大，胎架高度也相對較大，需采用雙胎架形式，以保證胎架承載力及剛度。而對于外環胎架及中環胎架，胎架受力不大，可采用單胎架形式。此外，由于V形柱、外幕墻斜柱均為傾斜且角度各異，再加上混凝土結構高低不平且局部高差較大，不僅需對不同傾斜角度構件設計相應的臨時支撐胎架頂部工裝，還需根據胎架底部支承條件設計不同底部工裝。此外，為使臨時支撐胎架頂部及底部工裝與構件、下部混凝土結構相匹配，建立上部鋼結構、混凝土結構及胎架結構的三維模型進行碰撞檢查。

3.6 合龍縫設置及施工過程溫度效應影響

根據施工分區設置4條合龍縫，如圖3所示，單條合龍縫由內向外合龍。合龍縫部分桿件吊裝至高空后，通過臨時卡板及安裝螺栓固定，待合適的合龍時間再進行桿件對接焊接。

為評估溫度及合龍縫對整體結構的影響，選取整體結構合龍前、后階段作為研究對象，分別研究升降溫及合龍縫對整體結構的影響。

研究表明：升降溫對整體結構變形及應力有一定影響，但影響不大；通過沿對角方向設置4條合龍縫，可有效降低溫度效應引起的不利結構變形，有效釋放溫度效應引起的結構附加應力。

3.7 臨時支撐體系卸載

本工程屬于大跨度空間結構，當結構安裝完成后，臨時支撐結構體系卸載將在結構中引起較大內力重分布，對結構最終成型狀態有較大影響。根據工程結構特點及臨時支撐結構體系布置，提出4種卸載方案，并進行卸載模擬分析，對比主體結構成型狀態、卸載過程主體結構等效應力和位移變化、卸載過程主體結構支座反力變化及卸載過程臨時支撐胎架支座反力變化等。最終采用先卸載中柱胎架，然后從長軸方向附近開始逐步卸載南北側內、外環胎架，最后從短軸方向附近開始逐步卸載東西側內、外環胎架的同步卸載方案，卸載順序如圖6所示。

圖6 卸載順序

根據施工及卸載順序進行施工仿真分析。如圖7所示，卸載過程中，各構件應力、結構豎向位移及水平位移、臨時支撐胎架反力變化均較平穩，變化曲線均未出現突變情況。卸載過程中構件最大應力為65.4MPa，遠低于鋼材設計強度，處于安全狀態；施工完成態下，鋼結構最大豎向位移為-44.6mm， 最大水平位移為41.1mm，與一次成型態位移基本一致，說明胎架剛度滿足安裝要求，施工及卸載工序合理。

圖7 卸載仿真分析結果

4 結語

1)施工分區及總體施工工序科學合理，保證了鋼結構安裝過程安全，并有效縮短了項目工期。

2)通過構件端口控制點標記及拼裝胎架設計，有效控制了構件地面拼裝精度。

3)所采用的臨時支撐體系，具有足夠承載力和剛度，有效適應構件及土建結構變化，為鋼結構安裝提供了足夠支承，有效減小了鋼結構施工過程中的變形。

4)結合施工仿真分析結果，證明所提出的內、外環胎架同步卸載的方案科學合理，有效保證了卸載過程中的結構安全，卸載后的結構受力及變形與一次成型態基本一致。

5)鋼結構施工全過程中，最大豎向位移為-44.6mm， 最大水平位移為41.1mm，最大結構等效應力為65.4MPa，均未達到屈服強度，處于安全狀態。