惠州体育场大悬臂钢结构屋盖施工技术

[摘要] 广东省惠州市中心体育场为多支撑大悬臂封闭空间体系，大悬臂桁架的安装和卸载是难点之重，本文详细介绍了该类体育场钢结构的施工方法。施工中采取重点突出、有序推进的施工方案，着重介绍了桁架预拱、超大型吊机单机吊装、屋盖合拢、整体卸载等关键技术。

[关键词] 体育场钢结构；悬臂；屋盖合拢；整体卸载

中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：

1 引言

广东省惠州市中心体育场建筑外形投影为圆，主场设计以“盛世舞台”为理念，造型采用岭南客家围屋和客家斗笠的形式，体现人文、绿色、和谐的主题和惠州本土文化气息。

2 工程概况

广东省惠州市中心体育场位于市区河南岸冷水坑，是举办2010年第十三届省运会的主会场。体育场地下一层，地上四层，最高点标高为46.4米，建筑面积62056平方米，可容纳4万名观众。体育场建筑外形投影为圆，主场设计以“盛世舞台”为理念，造型采用岭南客家围屋和客家斗笠的形式，体现人文、绿色、和谐的主题和惠州本土文化气息。

体育场罩棚钢结构为空间管桁结构，屋面径向主桁架为大悬臂结构，最大悬臂长度51m。桁架一端与支撑桁架柱相贯连接，形成外形为倒“Ｌ”形桁架，见图1。跨中通过呈空间四角锥布置的钢管支撑，共同形成支撑悬臂桁架结构体系。屋面4道环向次桁架，将44榀支撑悬臂桁架连成一个外圆内椭圆的闭合整体，形成空间受力体系。

图1体育场现场图

3 工程特点及难点

结合该工程大悬臂、结构为闭合整体的特点，通过对施工方案具体分析，工程施工难点主要包括以下几个方面：

① 主桁架多管相贯节点支管最多达到14根，相贯顺序需要根据结构受力、相贯支管管径、壁厚及安装工艺确定，以指导工厂相贯线切割。

② 屋面单榀主桁架最重83吨，吊装高度45m，土建已施工完看台结构，需用大型吊机分场内、场外分段吊装，吊装顺序与吊装设备选取尤为重要。

③ 支撑架支撑高度37m，支撑条件、支撑荷载随施工过程不断变化，支撑架设计需要进行施工全过程计算分析。

④ 屋面主桁架最大悬臂51m，结构变形较大，根据计算分析确定预起拱值127mm。

⑤ 钢结构为环形闭合结构，温度影响大，需要合理确定合拢缝及合拢温度。

⑥ 支撑架拆除过程是一个结构体系转换的过程，只有合理的支撑架拆除方案才可以有效地控制结构变形及内力，并均衡支撑架受力。

4 方案简述

该工程选用“工厂散件制作，现场地面拼装，跨外、跨内分段吊装，高空对接合拢，结构整体卸载”的施工工艺。项目共44榀倒“L“型桁架，每榀“L”型桁架分为2段吊装，见图2。桁架柱均向场外倾斜一定的角度，44榀桁架柱及上下环向桁架共同形成了闭合的上大下小桶状结构。先利用揽风安装桁架柱及最外圈次桁架及底层单片桁架，待桶状结构成型后，即可拆除揽风，再安装悬臂桁架。现场悬臂桁架安装时，只在悬臂末端搭设一榀支撑架，另一端支撑在桁架柱上。

桁架柱采用1台200t履带吊在场外吊装就位，悬臂桁架采用1台750t履带吊在场内吊装就位。为减小结构内部温度应力，西侧在44~1轴间，东侧在22~23轴间设置合拢缝。

图2 倒“L”桁架分段

5 关键施工技术

5.1 大悬臂桁架预拱

结构的变形是大跨度复杂结构需要特别重视的问题，在结构自重作用下，如果结构的变形过大，会影响到整个结构的外形、构件的几何尺寸和受力。因此需通过结构预拱来解决大跨度结构的变形问题。通过对设计院计算的确认，屋顶主桁架按跨度的1/400直线预拱。结构预拱后，结构各节点的定位坐标，杆件的几何尺寸均有变化。

5.2 合拢温度及合拢缝的确定及施工

为最大限度地减小温度变化在结构上产生的内力和变形，合理地确定合拢温度和合拢缝的位置是非常必要的。结构自建成之始就处于温度变化的作用之中，因此，最理想的合拢温度应该是年平均温度或结构服役期间的平均温度，根据调查，惠州的年平均温度一般在20℃~25℃之间，因此合拢时的温度以20℃~25℃为最佳。

合拢缝的确定原则是：（1）合拢缝的位置应方便施工；（2）合拢缝应使结构的应力降低。通过计算和分析比较，确定合拢的位置为W-E轴（即结构东西轴线处）。

在结构准备合拢的前一天下午对合拢缝处的几何尺寸进行测量，第二天上午再进行复测，根据测量数据进行合拢缝处构件下料。构件吊装时，确保非常顺利的就位，不得采取拉拽的措施强行安装。合拢缝处杆件采用卡马临时定位，分为两个区域分别同时焊接连接，实现合拢。

5.3 桁架吊装技术

1、吊点位置选择

根据桁架形状，截面，长度，起重机性能等具体情况确定吊点位置和吊点数量。

由于桁架柱需垂直就位，采用两点吊装。悬臂桁架截面为三角形，为了保证分段桁架在吊装过程中的稳定形，空中姿态的可调节性，并防止分段桁架发生变形，设置四个吊点，两侧吊点相距重心位置11m左右。吊装过程中在钢丝绳上采用手拉葫芦做为调整构件空中姿态的措施，当构件出现不平衡时，采用拉手拉葫芦的办法调平构件再进行吊装就位。桁架重心见图3和图4。

图3 桁架柱重心 图4 主桁架重心

2、主副吊绳运用

常规吊绳设置为吊钩处在构件重心上方，不同重心、外形的构件需要不同的配套吊绳。本工程采取主辅吊绳吊装技术，见图5，即主绳绑扎在离中心比较近的位置，承受大部分荷载，辅助绳绑扎离中心较远，主要起到平衡构件的作用。如此改进，整个工程的主桁架吊装均可以用一副吊绳。

图5 主副绳吊装

3、超大型履带吊单机吊装

悬臂桁架采用750t大型履带吊整榀吊装就位方法。超大型履带吊单机吊装，应根据吊装构件的重心位置、吊重、外形尺寸以及构件的拼装位置和安装位置等因素进行吊装工况分析，确定吊机吊装工艺参数。根据构件重量、重心，外形确定吊点的数量、位置、钢丝绳的大小；根据吊装构件的拼装位置和最终安装位置确定履带吊行走路线；履带吊行走道路用1000mm厚碎石铺设特殊处理，地基承载能力完全满足履带吊直接在地面行走吊装的要求，减少路基箱使用次数，大大提高吊装速度。

4、桁架高空定位、调整技术

悬臂桁架就位时，一端与桁架柱弦杆采用“双夹板”临时固定，一端支承在支撑架上。

悬臂桁架吊装后在高空中的上下之间的微调采用设置在高空支架上的竖向千斤顶来完成。侧向主要利用支撑架上的拼装胎架来保证构件的相对位置，再利用设置在胎架两侧千斤顶调整侧向位移，见图6。调整构件到安装预计位置后进行整体的焊接工作。

图6 支撑架顶部调整装置

5.4 大悬臂结构整体卸载

整体卸载原则：卸载过程中结构不出现过大的应力或变形 ；支撑胎架的受力波动尽量减小；卸载方案应具有较强的可操作性。

整个结构的支撑架卸载顺序为由中间到两侧进行分组分级对称同步卸载。具体如下：

第一级卸载：第一步，对Ⅰ类胎架卸载10~20mm；第二步，对胎架卸载10~30mm。

第二级卸载：第一步，对胎架卸载12~20mm；第二步，拆除Ⅱ类胎架。

第三级卸载：拆除Ⅰ类胎架。

6 结语

1）本工程悬臂桁架一端的支承充分利用结构自身来提供，安全可靠，并利于施工成本的控制；

2）对于悬臂桁架末端支撑架要进行有限元应力验算，保证传力合理，变形可控，为是否进行局部加固或扩大应力范围提供依据；

3）支撑架的整体卸载要进行全过程的计算仿真分析，确保卸载过程中结构不出现过大的应力或变形；

4）根据本工程面积大、跨度大的特点，采用大型履带吊场内场外分段吊装高空对接技术施工，安全、经济，比原定措施费减少40万，并确保了工程工期和质量，同时为此类空间结构的施工提供了一定的参考。

参考文献

[1]周观根，吴霞等. 空间结构创新施工方法[J]. 空间结构，2009，12（4）.

[2]吴欣之. 现代建筑钢结构安装技术[M]. 北京：中国电力出版社，2008.

[3]周观根，方敏勇. 大跨度空间钢结构施工技术研究[J]. 施工技术，2006，12（12）.