温州奥林匹克体育中心体育场钢结构施工技术

温州奥林匹克体育中心体育场钢结构施工技术

李咏安1　刘元明2　刘　幸1

(1.武汉大学土木建筑工程学院， 武汉　430072; 2.上海建科工程咨询有限公司， 上海　200032)

摘　要：温州奥林匹克中心体育场馆为大跨钢结构，主要结构为桁架结构，其特点为：面积大、高度高、吊装难度大。施工采取工厂预制、现场拼装和吊装的综合方案。主跨采取分段吊装，部分区域采用整体拼装、提升、滑移的施工方案。详细介绍了其施工制作、拼装与吊装工艺，同时介绍了其施工定位测量方案与测量控制网的建立以及主要构件的测量精度控制方法，对整体桁架结构采用有限元软件MIDAS进行安全验算分析、对主要构件节点采用有限元软件ANSYS进行分析，确保其安全施工。通过以上措施保证了工程的工期、经济效益及降低了安全、质量风险。

关键词：钢结构； 工厂预装； 现场拼装； 工程监测； 安全验算

1　工程概况

温州奥林匹克体育馆一期工程由体育馆、游泳馆及其连接部分组成，建筑面积104 204m2，上部钢结构屋盖是两向正交正放平面桁架结构，为空间曲面结构(图1)，钢屋盖由33榀主桁架、次桁架和墙桁架组成。体育馆最重主桁架质量约40 t，游泳馆主桁架质量约30 t，最大屋盖跨度67.2 m×76 m，最大高度4 m。

图1　体育馆钢屋架模型

2　工程施工方案及难点

2.1　施工区域划分

依据现场的交通、场地等施工条件，现场施工共分为三大阶段：游泳馆、综合馆以及两馆的中间区。其中游泳馆划分为1～4施工区；综合训练馆划分为5～8施工区；中间部分划为第9施工区。其施工区域划分见图2。

图2　施工区域划分

2.2　安装顺序方案

整体施工顺序为：游泳馆、综合训练馆同步施工，之后施工两馆中间区域。其中游泳馆安装顺序为：1区→2区→4区→3区，综合训练馆安装顺序为：5区→6区→8区→7区，中间部分划分为9区，其施工部署如表1所示。

2.3　钢结构施工难点

1)施工场地制约。体育馆北面是有地下室的广场，南面相邻工地正在施工，场内道路狭窄，不利于大型机械行走和构件拼装；屋盖中心区域离周边太远，构件安装难度大。

2)预拼装与现场拼装精度的控制。场馆桁架在工厂分段拼装焊接后出厂，为了保证现场桁架吊装及拼装精度，需对桁架进行预拼装。如何控制桁架预拼装精度，保证现场安装的精度，是工程的一大重点。拼装问题也带来了实际施工中的测量问题，因此也造成了工程测量控制精度的难点问题。

3)钢结构吊装控制。由于结构造型特异，中心区域桁架支座分布为曲线，且两端高差较大，常规的滑移提升工艺难以采用，此部分桁架的顺利吊装是工程的重点之一。

表1　区域施工部署

施工区域施工机械施工方法1160t汽车吊360t履带吊使用250t履带吊吊装②—⑥轴吊装分段;使用160t汽车吊吊装⑦—轴吊装分段安装顺序:墙桁架→屋面主桁架→次桁架。2360t履带吊由②—轴吊装,之后安装?—?轴屋面分段桁架。3160t汽车吊使用160t汽车吊将构件吊运到3号区域,在—轴搭设的操作平台进行组拼,完成该区域的提升单元组拼后使用两侧桁架上设置的提升机构将提升单元提升就位。4160t汽车吊搭设满堂脚手架,使用160t汽车吊倒料后高空散拼。5450t履带吊275t履带吊由向轴吊装,待○L轴以北区域吊装完成后,由○K向?轴吊装。6450t履带吊275t履带吊由向轴吊装,待?轴以南区域吊装完成后,由?向?轴吊装。7160t汽车吊搭设满堂脚手架,使用160t汽车吊倒料后高空散拼。8450t履带吊275t履带吊使用450t履带吊将构件吊运到7号区域,在—轴搭设的操作平台进行组拼,该区域的提升单元组拼后使用两侧桁架上设置的提升机构将提升单元提升就位。9450t履带吊360t履带吊首先由向轴安装悬挑端桁架,之后安装?—?轴的3榀主桁架,最后吊装—轴悬挑桁架.悬挑桁架端部架设临时支撑柱。

3　施工关键技术控制、操作要点

3.1　场地限制施工操作[1-2]

在施工前经过反复讨论磋商，决定尽量少考虑北面地下室顶板上的作业范围，只是在局部加固以便吊机站位，这样可保证地下室结构的安全，其施工加固措施如图3所示[3]。距离远的屋盖采用中央区域滑移、提升施工，周边区域分段吊装施工。

图3　地下室顶板局部加固示意

3.2　施工钢管弯圆控制操作

根据钢管截面特点，以先进、高效、技术成熟的机械弯圆工艺为主，根据以往工程经验及国家相关规程，对φ273×10的钢管采用机械冷弯。钢管杆件弯曲完成后相隔90°的4条及节点圆周环线，打样冲眼，以便于钢管的对接。采用多次机械弯曲使钢管成型后两轴外径与设计外径的差值不得大于±3 mm 及设计外径的±1%中的较小值。钢管弯曲过程中应选用正公差壁厚管材。

3.3　工厂预拼装精度控制

在工厂对桁架进行预拼装，先确立构件的整体坐标系及控制点的坐标，结合桁架的立面布置图，进行预拼装地样线的绘制。在绘制地样线时，应首先进行中心线(或轴线)的绘制，然后通过偏移中心线(或轴线)得到节点的轮廓线或控制点的投影点。根据绘制好的地样线，结合桁架的实际结构构形，进行预拼装胎架的搭设。胎架搭设后，按一定顺序在胎架上放置实际构件。构件放置完毕，对地样线进行整体调整；通过检测各控制点的尺寸偏差以及各对应端口间的错边与间隙情况，从而控制构件的制作精度。拼装和预拼装测量采用三维激光扫描仪，测量精度达到0.2 mm，保证了现场安装的精度[4]。

3.4　现场拼装施工控制

3.4.1　现场拼装总体说明

1)钢桁架是大跨度空间曲面，必须采用分段吊装。钢结构桁架的分段在满足吊装设备的吊装性能前提下，还应减少高空拼接吊次，以便保证工期、工程质量要求，整个工程分段构件应包括所有钢桁架。

2)对接位置杆件不应在同一平面上，而应错开700～1 000 mm。加工时管件的分界面在两相邻节点的1/3处附近(图4)，且各弦杆应错位，安装时对接的间隙是两侧各占一半。

图4　桁架分段界面示意

3) 桁架分段吊装应按照对应的轴线分段吊装，墙桁架一次吊装完成，屋面主桁架分段吊装完成，主要轴线桁架的分段吊装示意见图5。

图5　主要轴线分段吊装示意

3.4.2　现场拼装

1)现场拼装方案[5]。由于道路及现场方案所需，部分钢桁架需采取工厂散件制作及运输，现场地面拼装为单个吊装单元后进行吊装。分段长度控制在16 m之内。部分3 m以内的桁架可在工厂加工为小拼单元后运输到现场组拼成吊装单元进行吊装。

2)现场拼装胎架设置。工程中设置H形钢拼装胎架。胎架搭设时应根据坐标转化后的坐标轴放投影线、标高线、检验线及支点位置，形成田字形控制网。胎架高度最低处应能满足全位置焊接所需的高度。胎架旁应建立胎架沉降观察点。在施工过程中观察标高有无变化，如有变化应及时调整，待沉降稳定后方可进行焊接。

3)拼装胎架精确度测量。拼装前，对桁架胎架进行全方位测量校正，然后对桁架杆件的搁置位置建立控制网格以便对各点的空间位置进行测量放线，设置好杆件放置的限位块。胎架在完成一次拼装后，必须对其尺寸进行一次检测复核。

4)典型桁架拼装流程。使用全站仪，将待拼装的平面桁架轴线放样至地面上→根据桁架的轴线位置放置拼装胎架→将拼装单元的上弦杆吊至拼装胎架→将拼装单元的下弦杆吊至拼装胎架→将拼装单元的腹杆吊至拼装胎架→使用铅垂仪及经纬仪对桁架进行检测。检测合格后再焊接。

5)区域结构滑移提升[6]。3号区域共5榀桁架需进行端部拼装、滑移、提升施工，为了便于施工作业，将滑移轨道设计为水平，若采用累积滑移，桁架两端存在1.541 m高差，滑移过程中需进行桁架垫高处理，将给滑移和拼装施工带来一定的不利影响。为了修正此种标高对施工造成的影响，拟将其中3榀高差较小的桁架整拼滑移就位后，提升一小段距离修正高差，再将其与另外两榀桁架所组成的提升单元进行系杆补缺，整体提升就位。

3.5　测量施工

3.5.1　测量施工难点

作业量大，精度要求高；施工场地上工种多，交叉作业频繁、受干扰多。

3.5.2　减少测量误差、提高精度

根据甲方提供及温州市一级控制点的标高和坐标。首先对现存的基准点进行复测以检查数据资料的准确性。由于工程结构标高落差较大，采用全站仪配合跟踪杆量高程的方法，这种方法既结合了水准测量的特点，又减少了三角高程的误差来源，同时每次测量时还不必量取仪器高、棱镜高。使三角高程测量精度进一步提高，施测速度更快。

3.5.3　施工平面控制网的建立

1)控制网测设遵循“先整体, 后局部”的二次布网原则。根据移交的点位和设计图中规定的定位条件，通过施工场主轴线向四周外围平移，确定位于建筑周边转角部位的8个控制点。

图6　控制点布设形式及防护

2)测量控制网点的选取将选择在不易发生沉降的混凝土道路及楼层平台上。选取位置后立即进行点定位。点位定好后，需在控制点周围设置防护，防护为混凝土结构，外框尺寸为400 mm×400 mm×150 mm，内框为240 mm×240 mm×150 mm，并设置排水管，防止积水浸泡影响控制点精度(图6)。3.5.4　预埋件定位控制

1)预埋件平面定位。使用全站仪对现场完成的埋件进行坐标放样，测放出其定位轴线，用红(白)油漆做出标记，其精度允许偏差为2.0 mm。

2)预埋件标高控制。基础面的高程采用水准仪常规高差测量直接控制；对于较远的点，为了减少水准仪的传递误差和多次读数的偶然误差，采用全站仪三角高程测得预埋件的标高，预埋件的标高允许偏差为3.0 mm。

3.5.5　屋面桁架挠度控制

在屋面桁架安装前，每榀桁架在其两个下弦对接口附近及下弦最高点处(管中心位置)分别贴上反射贴片，按时段定期进行监测，发现下挠过大处及时汇报现场负责人，制定方案进行调整。

所有定位测量都采用全站仪精确定位，临时支撑标高采用相对标高进行控制。

4　提升验算控制

4.1　提升施工

根据施工现场条件及结构特点，将提升区域分为两块，安全施工验算以两个区块分别进行分析。荷载工况考虑自重及1.2的动力放大系数。提升架单元示意见图7。

1—提升架节点1；2—提升架节点2；3—提升架节点3；
4—提升架节点4；5—提升架节点5；6—钢丝绳；
7—临时补杆；8—支座。
图7　提升架单元示意

4.2　安全提升验算

4.2.1　提升架杆件强度验算

为保证安全施工，采用软件MIDAS进行区块一(区块二同区块一)整体提升建模。控制参数均为构件的应力比，经过分析计算：其最大受力构件均为提升架牛腿梁，因此施工过程中牛腿梁的强度控制是其重点。

4.2.2　油缸工作梁安全施工验算

油缸梁采用箱形截面200 mm×300 mm×260 mm×6 mm×10 mm的钢梁，材质Q345，中间开直径为150 mm的圆孔，供放钢丝绳用。梁节点设计见图8。

图8　油缸工作梁节点示意

a—模型；b—应力云图，MPa。
图9　油缸梁节点有限元模型及应力云图

由于油缸工作梁受力情况比较复杂，故采用大型通用有限元分析软件ANSYS建模[7]，进行整体受力分析。其有限元模型及应力云图见图9。

通过软件计算得到：最大变形为0.279 6 mm，最大应力作用位置在加劲板和上翼缘板的交接处，最大应力值为148.6 MPa<345>

5　结束语

1)对于难度较大的大跨钢结构施工，合理的施工方案至关重要，要因地制宜，结合现场的施工状况、选择成熟的施工方法，灵活施工，这样才能节省施工成本，降低施工安全与质量风险。

2)由于钢结构设计对现场实际施工中的情况考虑不足，这就需要施工单位与设计院多进行沟通交流，对于涉及施工荷载方面的问题可以向设计院商议相关解决方案，这样既有利于安全施工，又利于施工的推进。

3)对于采用滑移轨道的桁架，若其轴线之间存在较大的高差，滑移过程中采用桁架垫高处理将会给滑移和施工带来不利影响，在实际施工中可以将高差较小的桁架整拼滑移就位后，提升一小段距离进行高差修正，再与其组成的提升单元进行系杆补缺后整体提升就位。

4)对于施工中有可能带来的附加应力应提前采用相关软件进行安全验算，合格后方可施工。

参考文献

[1]　《建筑施工手册》编委会.建筑施工手册[M]. 5版. 北京:中国建筑工业出版社,2012.

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[3]　鲍广鉴,李国荣,王宏,等.现代大跨度空间钢结构施工技术[J].钢结构,2005,20(1):43-47.

[4]　陈桥生,许立新. 国家体育场钢结构施工技术及研究[J].施工技术, 2006, 35(12):41-46.

[5]　王小明,于吉圣,张兆平,等.大跨度空间桁架结构拼装顺序研究[J].钢结构,2014,29(12):62-64.

[6]　崔科宇.多点曲线连续顶推施工技术[D].成都:西南交通大学,2003:15-20.

[7]　王新敏.工程结构数值分析[M].北京:人民交通出版社,2007.

CONSTRUCTION TECHNOLOGY FOR THE STEEL STRUCTURE OFWENZHOU OLYMPIC SPORTS CENTER STADIUM

Li Yong’an1　Liu Yuanming2　Liu Xing1

(1.School of Civil Engineering,Wuhan University, Wuhan 430072,China；2.Shanghai Jianke Engineering Consulting Co. Ltd, Shanghai 200032, China)

ABSTRACT：Long-span steel structure was used in Wenzhou Olympic Center Stadium with the main structure of truss structure, which has the characteristics of large-area, high-altitude and difficult to be hoisted. The construction process adopted factory-installed,on-site assembly and hoisting.The main span was divided into several segments and hoisted, partial region was assembled as a whole and hoisted,the whole truss structure was sliding to the other section. This paper introduced its construction process,assembling and lifting process,the positioning measurement,the establishment of the measurement, control network and the precision control method were introduced.The safety analysis for the whole truss structure was conducted by the software MIDAS,the main joints and members were analyzed by using the software ANSYS. These measures ensured the project’s duration and economic benefits, and also reduced the security and quality risk.

KEY WORDS：steel structure; factory-installed;on-site assembly; project monitoring; safety checking

收稿日期：2015-12-01

DOI:10.13206/j.gjg201605017

第一作者：李咏安，男，1991年出生，硕士研究生。

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