大型体育馆屋盖钢结构累积滑移+散拼施工技术

王光武，郑雪松，袁贵福，李铉诚，艾 维，刘 智，李树文

(1.中建三局集团有限公司西南分公司，四川 成都 610041；2.成都华润置地驿都房地产有限公司，四川 成都 610100)

1 工程概况

成都东安湖体育公园三馆项目多功能体育馆屋盖钢结构为大跨度双向正交桁架结构，屋盖宽145m，长145m，最大跨度为108m，结构标高42.500m(见图1)。共13榀桁架(11榀主桁架+2榀悬挑桁架)，单榀质量为120～180t，桁架高9m，跨度108m，安装高度为42.5m，为箱形截面+H型钢截面。

图1 钢屋盖三维模型

2 施工方法及流程

2.1 场地布置

结合东安湖体育公园总体施工部署，基于主体结构按照由东向西的施工顺序，现场平面设置钢构件堆场、拼装区、履带式起重机行走区、钢结构安装区(见图2)。主桁架沿数字轴方向布置，自西向东依次为1～11榀桁架，东西两侧为悬挑桁架，11榀桁架采取高空累积滑移施工，东西两侧悬挑桁架采取高空散拼施工。钢结构拼装区为120m×15m，散件采用80t汽车式起重机进行吊装；履带式起重机行走区为140m×14m，钢结构安装区为145m×145m，采用300t履带式起重机将分片吊装至高空滑移平台，组装为滑移单元，滑移采用8组爬行器提供动力。南北侧框架结构在滑移施工前进行安装及临时固定，外侧框架柱、框架梁使用塔式起重机配合180t履带式起重机进行安装。钢构件堆场为100m×30m，以满足分阶段钢构件材料堆放，现场环形道路宽8m，转弯半径15m，满足钢结构材料从大门转入场内堆场。

图2 钢屋盖施工平面布置

2.2 桁架分段

首榀桁架分段与西侧悬挑桁架共同分为4个六面体和部分嵌补杆件，单片桁架主要分4段拼装，分段如图3所示(其中中间第3榀桁架增加分段，质量≤25t)。 首榀桁架分段1长13.8m，重26t；分段2长13.9m，重25t；分段3长13.9m，重25t；分段4长13.8m，重26t。单片桁架分段1长26.6m，重25t；分段2长28.2m，重21t；分段3长27m，重20t；分段4长26.6m，重25t。

图3 桁架分段示意

2.3 设备选型

滑移钢结构单元采用300t履带式起重机，为42m主臂+36m副臂；南北侧框架结构采用180t履带式起重机，为57.9m主臂+18.7m副臂，起重能力满足现场施工要求。

2.4 施工流程

对体育馆钢结构进行综合分析，考虑现场工况，南北侧框架结构优先进行吊装安装。安装完成后进行临时固定。主桁架采用80t汽车式起重机在地面分段散拼，然后用300t履带式起重机分段吊装至高空滑移平台进行拼装，完成后滑移1个节间进行临时固定(第1次为第1榀及悬挑桁架一起滑移)，再拼装第2榀桁架，嵌补次桁架，完成后累积滑移1个节间，拼装下一榀桁架，直至全部桁架滑移到位后进行卸载(滑移吊装必须确保混凝土强度达到100%)。钢结构安装流程如下：施工轨道独立承台→安装南北侧框架柱、梁→安装轨道、拼装平台→安装首榀桁架及悬挑桁架分段1,2→杆件嵌补→卸载第1榀桁架、悬挑桁架→安装爬行器、首榀桁架及悬挑桁架滑移→安装第2榀桁架分段2，使用次梁进行临时固定→安装第2榀桁架分段1→安装第2榀桁架分段3→安装第2榀桁架分段4→安装次桁架→整体卸载第2榀桁架→固定次梁、次桁架→滑移、安装第3榀桁架及次桁架→循环安装前10榀桁架，吊装第11榀桁架→安装东侧悬挑桁架，并整体卸载→固定焊接主桁架与南北侧框架，焊接东西侧铰接节点→拆除轨道及拼装平台。

2.5 施工重难点控制

1)履带式起重机行走场地条件差，土质较松软，且成都地区雨水较多，直接站位吊装安全风险大。故对地面进行降标高处理，铺设400mm厚砖渣，在上方铺设路基箱，设置排水措施，做好放坡处理，从而确保履带式起重机占位与行走地基安全稳定可靠。

2)桁架高空拼装、第1榀桁架滑移的稳定性难以被控制，应采用第1榀与悬挑桁架同时滑移，提高结构稳定性；在轨道位置设置结构支撑；利用结构次梁进行侧向约束等措施。

3)结构变形控制是本工程重难点之一，且为双向起拱，故采取如下措施：①对结构施工工况进行模拟分析；②与设计院进行沟通讨论，确定最终结构拼装起拱值；③在卸载、滑移阶段做好变形监测，对比分析计算结果，进行实时调整。

3 施工关键技术

3.1 外侧框架吊装

外侧框架柱使用塔式起重机配合180t履带式起重机站位，在体育馆中心场地安装框架柱及框架梁(见图4)。优先安装框架柱间的次梁，再安装外侧挑梁，制作临时支撑后，安装内侧框架梁。平面外使用H型钢为临时支撑，保障平面稳定性。

图4 外侧框架结构

3.2 高空滑移平台安装

高空滑移平台胎架宽6m，在每个轴线位置设置支撑点，支撑点包含3组轨道支撑和6组拼装支撑(见图5)。高空滑移平台胎架使用型钢配合塔式起重机标准节组装而成，应充分利用现有混凝土结构柱进行拼装平台的搭设。

图5 高空滑移平台支撑点布置

对接节点处设置焊接操作平台，操作平台提前在混凝土支撑柱侧面预埋埋件。平台柱下方对应混凝土结构柱，与结构进行植筋固定(6φ16化学锚栓)。上方搭设拼装操作平台，并设置硬性防护栏杆。平台上方设置拼装胎架，用于结构拼装。施工前实测混凝土结构进行平台制作及下料。独立柱高度>1m，需在1.000m标高处设置横梁连接，独立柱自由长度≤1.5m。

3.3 滑移轨道安装

屋盖采用3条轨道累积滑移技术进行钢结构施工，轨道分别位于主桁架两端铰支座及桁架中间位置，选择QU100型热轧轨道。轨道1采用塔式起重机标准节搭设支撑架，支撑架上设轨道梁，轨道布置于轨道梁上，并在两侧加设2道H250×250×9×14型钢(见图6)。轨道2，3设置在混凝土框架梁上(见图7)。

图6 支撑架结构

图7 轨道布置

轨道1处的支撑架塔式起重机标准节总高度为33.9m，下方设置4m×6m×0.6m的混凝土独立基础，混凝土基础与塔式起重机标准节通过预埋件进行固定连接。支撑架基础间隔≤11m进行布置，共13个，基础持力层为粉质黏土层，最外侧2组基础使用路基箱将荷载传至混凝土框架结构上。支撑架基础布置如图8所示。

图8 支撑架基础布置(单位：m)

轨道1的梁截面为H1 500×400×22×35焊接型钢，间隔2.5m设1道加劲板，轨道与轨道梁间隔500mm处垫设钢板，同时使用压块进行固定。两侧轨道2，3设置在混凝土框架梁上，与下部混凝土梁通过预埋件进行固定(埋件间距1.5m)，采用压块方式进行压紧。轨道结构如图9所示。

图9 轨道结构

3.4 桁架拼装

桁架采用地面整体拼装、分段吊装的方式进行安装。地面整体拼装采用卧拼方式，将桁架水平放置于胎架上，拼装焊接完成后进行分段翻转吊装。拼装过程中，结构需起拱，最大起拱值取200mm，结构内收值取10mm。桁架拼装采用双向起拱，两端起拱值依次降低。卧拼场地需进行平整压实，并在上方铺设300mm厚砖渣。

第1榀桁架与悬挑结构组拼为六面体框架后进行吊装，流程如下：布置胎架→拼装底部大横梁→拼装立柱→拼装底部横梁及水平腹杆→拼装顶部横梁→拼装斜撑并焊接。

单榀桁架在地面进行整体卧拼拼装、分段吊装，流程如下：布置胎架→拼装弦杆及竖向腹杆→拼装斜腹杆→分段依次焊接。

3.5 安装工艺

第1榀桁架采用六面体单元，按照分段1→分段2→分段3→分段4的顺序吊装，吊装就位后进行临时固定并拉设缆风绳。六面体单元共设置4个吊耳以便吊装，且均在对应隔板处设置加劲板，确保局部吊装强度满足材料要求，吊索夹角应≤60°。

单榀桁架进行单片分段吊装时，按分段2→分段1→分段3→分段4的顺序进行，吊装就位后及时连接次梁及次桁架，悬挑杆件使用H250×250×9×14型钢进行临时固定。

3.6 脱胎卸载

桁架分3级卸载，每完成一级后卸载下一级。卸载顺序为A→B→C(a→b→c)，分3级循环3次进行卸载，轨道处不进行卸载(见图10)。

图10 卸载点布置

采用双刀板循环切割方式进行卸载，并用割枪循环切割支撑点下方的双刀板，实现高精度控制卸载量，单点单次卸载35%自重变形值，按照1→2→3→4→5 的顺序循环切割(见图11)。

图11 高空拼装卸载

3.7 抗倾覆措施

1)单片卸载阶段 在单榀桁架卸载前，提前安装次梁及次桁架，次梁、次桁架与主桁架间使用高强螺栓或对穿螺栓进行铰接固定，从而对主桁架施加侧向约束。铰接节点如图12所示。

图12 铰接节点

2)第1榀卸载及滑移阶段 在滑移轨道上设置抗倾覆支撑，截面为H250×250×9×14，滑靴与轨道设置拉拔限位。抗倾覆结构原理如图13所示。抗倾覆支撑如图14所示。

图13 抗倾覆结构原理

图14 抗倾覆支撑

3.8 累积滑移

液压同步滑移采用TJG-1000型液压爬行器、TJV-65型液压泵源系统、YT-2型计算机同步控制系统。考虑为单元累积滑移，根据滑移流程及支座底部反力值，体育馆桁架滑移时拟布置8台TJG-1000型液压爬行器，轨道1，2，3分别设置4，2，2台；每台液压爬行器水平推力为1 000kN，总水平推力为8 000kN。 体育馆整个屋盖重约3 300t，滑移取摩擦系数0.2，则总水平反力为0.2×33 000=6 600kN <8 000kN。 总计提供8 000kN顶推荷载，上述液压爬行器配置满足滑移要求。配置3台TJV-65型液压泵源系统，控制8台液压爬行器。爬行器平面布置如图15所示。

图15 爬行器平面布置

爬行器安装在轨道对应次桁架下方(净高度550mm)，通过耳板与滑靴进行固定。滑靴使用方管，在下方焊30mm厚带倒角钢板，轨道两侧设限位挡板，限位挡板厚度≥20mm；限位挡板与轨道间预留50mm变形消耗间隙，避免卡轨；滑靴套筒壁厚内径均大于滑移桁架柱脚，将柱脚套入套筒内，与滑靴进行固定连接，后期卸载过程中可拆除机械。爬行器安装结构如图16所示。滑靴结构如图17所示。

图16 爬行器安装结构

图17 滑靴结构

3.9 整体卸载

桁架滑移就位且测量复核无误后，使用千斤顶缓慢卸载整体结构。卸载高度以起拱值为参考，采取等比例卸载控制。卸载顺序如下：①由中间向两侧依次进行分级卸载，卸载量为起拱高度的20%，分5级卸载；②交替卸载中间轨道与外侧轨道，直至卸载完成。卸载完成后，安装工及焊工及时进行预留铰接节点焊接处理。卸载顺序及方向如图18所示。

图18 卸载顺序及方向

3.10 焊接工艺

桁架拼装矫正完成后，优先焊接上下弦杆，后焊接竖向腹杆，最后焊接斜向腹杆。分段吊装就位后，优先焊接上弦对接口，再焊接下弦对接口，最后焊接腹杆焊接口。

3.11 过程监测

施工过程中做好变形监测、同步监测、应力监测控制。结构拼装、整体拼装及滑移均需在桁架上粘贴反光片，用于测量桁架变形下挠。轨道位置拉设钢尺，同步监测滑移。桁架在滑移卸载过程中，选择1，2，4，5，6，9，10榀桁架及相应次桁架上下弦进行应力监测。单榀桁架中布置≥11个应力监测点进行监测(见图19)。

图19 监测点位布置

结构整体变形监测主要在拼装阶段、就位整体拼装阶段、卸载阶段、滑移阶段和整体卸载阶段。从分段拼装阶段开始监测结构应力，应力监测分析频率与位移监测相同。

监控频率如下：①散件拼装阶段 监测测量点，收集1次数据；②分段拼装阶段 监测测量点，收集拼装、卸载、脱胎3次数据；③整体滑移阶段 监测滑移过程，每增加1榀桁架滑移过程，收集2次数据(滑移、次梁次桁架安装)；④就位卸载阶段 收集卸载前、卸载完成、卸载后24h的数据。

4 结语

随着城市发展，大跨度结构多运用于体育馆、机场、车站等大型公共建筑，钢桁架屋盖体系运用越来越广。采用累积滑移法进行高空钢结构安装，可有效解决场地狭小、施工周期短、构件自重大、安装精度控制难等不利因素，取得良好的经济和社会效益。