某体育馆多层双向不对称大悬挑钢桁架施工技术

鲍鹏玲，杨锦伟

(1.信阳师范学院 土木工程学院，河南 信阳 464000；2.河南省天禹股份有限公司，河南 信阳 464000)

0 前言

近年来，随着钢结构在建筑中的迅猛发展，越来越多的建筑开始追求一种视觉上的新颖与美感.由于钢结构桁架结构在结构强度等方面的稳定性，很多建筑在追求一种独特外形的同时也会将一种新的结构形式利用钢结构桁架结构来实现，其中大悬挑钢桁架结构应用最为广泛，其层层外挑的结构形式更是追求一种视觉上的美感[1].但因其复杂的结构体系和建造难度，使得结构施工周期长，影响因素多，因而在施工过程中的受力情况与传统结构体系截然不同，不能按传统施工工艺进行施工，因此对该施工技术的研究有着重要意义.目前，国内已有一些研究该施工技术的案例，比如南昌国际体育场双轴对称大悬挑钢桁架结构、泰州博物馆双层对称大悬挑钢桁架结构等，基本采用了支撑、吊装、卸载的施工顺序，对于对称结构的支撑吊装来说，结构更容易就位，稳定性也容易控制，但对于本文所要介绍的多层双向不对称大悬挑桁架结构来说，其施工过程更具特殊性，施工难度更大.主要表现在主桁架、次桁架、支撑结构等构件在制作、运输和安装的整个过程中，必须对不同工况的受力情况进行分析，以确保质量和安全；为解决构件运输问题，分解成小桁架片的构件需在现场重新总拼，必须解决总拼胎架的水平度，确保桁架在拼装时不发生变形[2-3].本文详细介绍大悬挑钢桁架施工技术难点、吊装施工、应力位移监测、卸载等流程.

1 工程概况

某体育馆工程入口大厅处2、3、4层钢结构为双向不对称大悬挑钢桁架，桁架支撑结构为钢管混凝土叠合柱，叠合柱钢管直径700 mm，壁厚30 mm，管内为C60混凝土，管外为200 mm厚C40混凝土，悬挑桁架为H型钢桁架，桁架高度1 800 mm，桁架结构向南侧悬挑8 100 mm，向北侧悬挑9 200 mm.

2 技术难点

该工程钢桁架结构为悬挑结构，悬挑跨度大，且为双向不对称悬挑，竖向变形大，需对桁架结构进行预起拱设计.结构高度高，且为多层悬挑，吊装分块长度大，吊装时稳定性难以控制，对临时支撑的要求高.临时支撑的卸载是结构由施工状态向设计状态转变的关键，悬挑结构卸载不当会造成结构和支撑架的破坏，卸载过程的施工仿真分析和卸载顺序控制是本工程的施工控制关键.由于工期较紧，临时支撑卸载前，支承悬挑桁架的钢管混凝土叠合柱管外混凝土及楼承板混凝土无法浇筑完成，结构在卸载阶段的受力状态与最终的设计受力状态存在很大差异，必须对后续施工过程进行实时监测，保障施工安全.

3 桁架吊装施工

3.1 支撑系统设计

根据钢结构安装分段和结构受力特点，在悬挑桁架的端部设置临时支撑12个，如图1所示.

图1 悬挑桁架支撑点布置图

支撑架选择定型“组合式格构钢支承柱”，最大承载力60 t,支承体系由预先焊接好的4片平面桁架组成，现场安装时主要采用螺栓连接，可以灵活进行组合，同时运输方便，其组合尺寸为1 m(长)×1 m(宽)×1.5 m(高)，其中立柱和腹杆分别采用P89×4和P60×3.5的圆管.

临时支撑体系拼装平台由热轧H型钢焊接而成，型钢截面根据桁架荷载计算确定.临时支撑体系拼装平台用于均匀承受桁架荷载，并通过支撑体系格构柱将荷载向下传递，同时临时拼装平台为桁架的安装提供作业平台.拼装平台顶标高距钢桁架下弦杆底标高500 mm(千斤顶自由顶升高度)左右，为钢桁架卸载用千斤顶的放置留出空间.如图2所示.

图2 临时支撑拼装平台

3.2 钢桁架吊装

吊装顺序直接影响主体结构的受力、结构荷载平衡, 因而制定合理的吊装顺序是保证结构安全和稳定性重大问题[1].桁架的吊装原则为：从下至上进行，先进行2层桁架吊装，后进行3层桁架、4层桁架吊装，同层桁架吊装采用从中间向两侧对称进行，逐块形成单元受力体.

吊装前预先在桁架与钢柱连接处标注出桁架的中心线和上弦标高位置以及桁架边缘位置，便于桁架起吊后的就位、调整.桁架采用两点起吊，吊点位置选择在主桁架上弦，离桁架中间最近的两边的腹杆与上弦连接的节点部位[2].桁架采用现场两台C7013塔吊，塔吊臂长60 m，悬挑部位的桁架重量满足吊装要求.桁架采取单机起吊、原位安装，桁架的安装就位标高即为钢桁架的设计标高，安装过程中应当注意钢桁架的设计标高应包含桁架的设计起拱值.桁架提升到预定标高后，由外侧水平向内推进就位安装，用千斤顶调整桁架上下弦标高，并根据设计验算对桁架进行预起拱处理，本工程桁架悬挑端部起拱41 mm.桁架调整完毕后，应用缆风绳临时固定，再使用临时支座以及10 mm、5 mm、2 mm、1 mm钢板组合垫放至下弦设计标高.使用多层钢板垫置其目的在于桁架焊接完成后的整体分级卸载，届时可根据分节卸载参数抽离相应的钢板.

4 桁架应力监测

4.1 桁架杆件应力监测

根据工程钢结构受力性能、施工难度及现场实际情况，选取2层、3层及4层悬挑桁架及桁架间吊杆作为应力监测对象，根据结构受力特点，对于悬挑桁架，应力测点应选在桁架根部节间，对于桁架间吊杆，应力测点应选在构件中点处的上下翼缘上[3].应力监测点布置图如图3所示.

4.2 结构位移监测

本工程选用全站仪对悬挑桁架进行变形监测.根据结构变形特点，变形监测测点布置在悬挑桁架的悬挑端节点，每层12个位移监测点.

图3 应力测点布置图

卸载前采用全站仪对支撑点位置上钢桁架的上弦点进行三维坐标点测量，并倒算出绝对坐标，同时对钢结构模型进行验算，计算出拆除支撑后结构支撑点位置钢桁架的位移.在卸载完成后二次对拆除支撑点的位置钢桁架采用全站仪进行三维坐标点测量，最后进行监控点位移与计算位移、实际位移的对比[4].

4.3 钢结构卸载

临时支撑的卸载采用手动螺旋千斤顶卸载法[5-6].在卸载之前，将支撑架顶部的钢梁支撑转换为螺旋千斤顶支撑，安排操作人员按分步骤多次循环、微量下降的原则回落千斤顶行程，来实现荷载平稳转移，由于各支承点反力存在较大的差异，因此卸载时先对反力较大的测点进行一定比例的卸载，使结构内力局部重新分配，再继续进行分步卸载，直至临时支撑与桁架完全脱离[7].

1)先进行第四层悬挑部位中间8个支撑点的卸载，卸载量为5 mm；再进行悬挑部位两边4个支撑点的卸载，卸载量为10 mm；再进行中间8个支撑点的卸载，卸载量为10 mm.

2)每次卸载结束，结构静止30 min，测量人员对桁架端头、节点位置标高、桁架侧向位移以及焊接部位进行检查，没发现问题方可进行下步卸载.

3)第四层卸载完成后，重复上述顺序逐层由上向下进行第三层、第二层支撑架卸载，整体结构达到设计状态卸载完毕.

4.4 监测结果分析

通过对该体育馆钢结构施工进行监测，考察了钢结构卸载及后续施工过程中悬挑桁架附近构件及大悬挑支承点处的位移，得出监测结论如下：

1)除顶层G号测点外，其余测点最大挠度值为-13 mm，小于允许挠度，因此可判断结构整体刚度很好.

2)通过分析卸载过程中构件应力监测结果，可发现卸载结束后测点最大应力值为36.8 MPa，远远小于钢材的屈服强度，当前荷载下结构具有较高的安全储备.

3)最顶层G号测点的同层相邻3个测点的挠度均为-13 mm，与初测的挠度值-26 mm相差较大，复核后挠度为-15 mm，与相邻测点的挠度值吻合较好，结果较为可信，可判定初测值是由于现场操作不当和测读失误造成.

5 结语

针对该体育馆钢结构工程的多层不对称双向大悬挑、大跨度等结构特点，应用高空分块安装的施工方案合理、高效，比原定工期缩短20 d.通过采取分步骤多次循环、微量下降卸载技术，使悬挑结构从施工状态稳步转换到设计状态，在临时支撑完全卸载后浇筑桁架上弦处楼板,有效地减小了位于桁架上弦处混凝土楼板的拉力.监测结果表明，悬挑结构安全可靠，施工质量良好，达到了设计要求的结构外观效果.

该施工技术解决了施工过程中，钢桁架竖向变形较大，吊装过程稳定性控制难度大，临时支撑要求高等技术难题，同时进行施工过程应力位移的有效监测，保证了整个施工过程的安全性.通过这次悬挑结构施工的探索和实践，给此类多层双向悬挑结构的施工积累了经验，为将来类似工程的施工提供了一定的参考.该施工过程通过理论计算并结合施工现场的实际情况，安全、高效地完成了双向不对称大悬挑钢桁架的安装施工，达到了“低成本、高效率”的目的，缩短了施工周期，保证了施工安全，提高了施工质量，降低了施工费用.为今后类似的钢结构体育场的施工提供了宝贵的经验和方法，具有一定的参考价值和指导作用.