神农大剧院螺旋形双曲面钢网壳安装技术

中建五局第三建设有限公司 长沙 410004

1 工程概况

神农大剧院位于株洲神农城核心区西南角，钢结构工程主要包括外壳钢结构、剧场钢结构2 部分。大剧院空间桁架外壳钢结构采用空间空腹桁架结构体系，由控制基点沿径向旋转布置梁柱一体化变厚度平面空腹桁架，根据建筑分格沿环向布置一定数量的连续空腹桁架，与径向桁架形成空间结构体系，形成建筑形态上的螺旋特征（图1）。

图1 神农大剧院钢结构示意

外壳钢结构东西方向长度达120 m、南北方向长220 m，单榀桁架最大跨度为120 m，最高点达86.3 m。钢结构量约8 000 t。钢外壳的支承结构采用桁架柱脚与下部混凝土结构+5.90 m标高柱顶连接，上部与压力环连接。建筑外壳主体结构除在柱脚处与下部混凝土结构连接外，其余完全脱开。整个钢外壳主结构共由60 榀径向主桁架，14 榀环向管桁架、3 榀空间桁架以及压力环、柱间支撑、屋面支撑、墙面抗风系统组成。其中主桁架采用变截面箱型桁架梁，环向梁采用钢管桁架梁或钢管梁，屋面支撑采用钢管截面，墙面抗风柱采用箱型截面。

2 现场钢结构施工

本工程钢结构外壳采用分段吊装，高空对接的方式进行安装。安装时使用2 台D800塔吊进行大部分的径向主桁架、环向桁架及装饰桁架的吊装。局部塔吊无法够到的区域使用1 台3 200 kN履带吊和1 台500 kN履带吊进行安装。桁架吊装时，在桁架吊装分段端头下弦节点处设置临时支撑架进行支撑。桁架安装全部完成后再整体卸载，拆除支撑架。具体分为如下施工步骤。

2.1 大跨度桁架安装分段

根据本工程钢结构外壳的结构特点，从施工安全性、工作效率考虑，本工程钢结构安装主要采用地面拼装、分段吊装、高空组对的方式进行施工。

桁架的吊装分段设计主要考虑几点因素：满足结构功能要求，分段点不能太多、位置应选择在结构层次中受力较理想的位置，保证吊装过程的安全和避免在支撑架卸载时出现承受最不利工况；尽量满足现场吊机布置及吊机吊装工况要求；分段点尽量选择临时支撑胎架便于安置的位置，同时，支撑架尽量设置在混凝土柱和混凝土梁上，减少对土建结构安全的影响，减少对看台混凝土的加固处理[1,2]。代表性的桁架分段如图2所示。

2.2 桁架拼装

本工程的单层建筑面积大，杆构件种类、数量多，现场拼装、焊接量大，工期非常紧，对施工的场地需求也非常大。为了更好、更快地完成拼装工作，并保证拼装精度和质量，采取了以下控制措施：

图2 桁架安装分段示意

构件进场时对构件几何尺寸进行严格检查，确保构件规格、尺寸误差符合设计和规范要求；在地面拼装时须放地样，设置胎架，用全站仪控制拼装定位精度，加强测量控制。制作胎具之前，用水平仪全面测量平台基准面的水平并做好记录，根据数据及实际情况，确定测量基准面的位置，并做好标志；组装点焊定位后，先对构件进行几何尺寸的检查，确认后方可开始焊接，焊接要严格按焊接工艺要求进行。拼装焊接完毕后进行检查，并采用各类矫正措施，保证构件拼装精度（图3）。

2.3 临时支撑胎架设置

本工程钢结构单榀桁架最大跨度为120 m，地面拼装完成后，高空组对安装时，需在分段处搭设临时支撑胎架。

根据方案设置要求和现有资源，本工程采用标准支撑胎架。标准支撑架由预先焊接好的4 片平面桁架组成，标准支撑架为组合式，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（长×宽×高）为2.0 m×2.0 m×1.5 m、1.0 m×1.0 m×1.5 m，其中立柱和腹杆分别采用P89 mm×4 mm和P60 mm×3.4 mm的圆管，支撑架组装高约50 m。单个支撑架可承重50 t，可组合成大小、高低不一的组合体，以适应不同的荷载和净高要求（图4）。

图3 桁架现场拼装

图4 临时支撑胎架设置

支撑胎架的上部及下部遇不规则接触面时，使用工字钢设置转换胎架，以使传力均匀，支撑架遇楼板时，上下点对点对顶，将上部荷载直接传递给基础底板。支撑架搭设好后用缆风绳进行固定，缆风绳一端固定在已经稳定的结构或预埋件的耳扣上，用手动葫芦拉紧。

现场分段支撑点总数达344 个，支撑胎架搭设总高度逾13 000 m。平面布置如图5所示。

红色小球表示支撑架位置，其具体坐标已在深化设计中确认，并经设计方核算后实施。我们制定了临时支撑胎架专项方案，明确所有支撑架安装坐标点及安装高度，并绘制施工图，做好技术交底。现场搭设时采用全站仪控制位置坐标。

2.4 压力环安装

压力环是整个外壳钢结构最重要的结构受力点，共有17 榀径向桁架与之相连，其他径向桁架则通过环向桁架与那17 榀径向桁架连接，使外壳桁架结构形成一个整体。

压力环作为桁架结构体系中最重要的节点，如果压力环安装误差比较大，和径向桁架拼接时就容易出现拼接焊缝过宽、受力不均匀甚至无法合拢等现象，将对结构整体受力情况和稳定性带来非常大的不利影响，因此安装定位精确度要求非常高。

关于东阳市第三次土地调查工作的思考（陈玉雁等） .....................................................................................5-44

由于压力环上下平面均为斜面，所以压力环各不同位置标高也各不相同，而压力环质量较大，且在高空当中，移动不便，要使压力环的标高、整体垂直度、各轴线、点的位置等都达到设计和规范要求，安装定位难度较大。

压力环安装前，首先在压力环下部位置、观众厅上方搭设支撑架，由于单个支撑架截面面积较小，不足以提供压力环安装时所需的操作平台，所以，支撑架搭设时使用3 组支撑架捆绑搭设进行支撑，支撑架顶部用工字钢组拼成一个操作平台。搭设完成后，用全站仪测量放线。根据压力环对应的空间位置坐标，以及压力环底面形状和倾斜度，用工字钢在支撑平台上支设4 个支撑点，支撑点顶端位置分别为压力环底面最高点、最低点和2 个中间点。这样在压力环吊装时就可以更快、更精确地将压力环的位置、方位、标高调整至正确位置。

压力环整体呈圆环柱体，上下两面为平行斜面，环内径为1.2 m，外径为2 m，内径与外径之间由加劲钢板连接，环体总高度为3.011 m，倾斜面高差为0.428 m。外圆部分为一整块钢卷板加工制作而成，其余部分构件为钢板拼接而成，所有钢材材质均为Q345B，压力环在工厂整体制作加工成型后运输至现场，构件质量约为10 t（图6），现场采用D800塔吊进行吊装。

图5 胎架支撑点平面布置示意

图6 压力环示意

2.5 结构测量控制

本工程部分桁架平面跨度大，在深化设计时需考虑安装的下挠值，计算出各个安装控制节点的挠度，提前起拱。桁架安装时，进行节点坐标转换，利用全站仪进行桁架的测量定位，径向桁架均组成吊装单位进行整体定位，环向桁架尽量在地面拼装好分段后整体吊装，部分复杂节点处和现场条件不便利的地方采用单根吊装，保证安装时壳体结构的精度和稳定性。

2.6 桁架结构整体卸载

在结构施工完成后，取消受力支撑胎架过程称之为卸载，卸载过程中，结构由机构转化成整体结构，结构内力分布会发生变化，为了保证此过程中结构平稳受力，本工程进行了卸载模拟计算并制定了结构卸载专项方案。

2.6.1 卸载前准备工作

确认所有钢结构杆件安装完成，所有焊缝都满焊焊接完成并经相关方检测合格；每个支撑点位置已进行统一编号，并做记录和交底；检查每个支撑点支托支撑位置是否正确；对结构受力过程和位移进行验算，将结果作为结构卸载的理论依据。本次卸载主要依据MIDAS/GEN得出的分析结果，与设计单位提供的理论验算结果（采用sap2000V14.1软件）基本一致（图7、图8）；全面检查整个结构，并经总包、监理、设计等相关单位验收通过。

图7 卸载前位移

图8 完全卸载后应力

监控节点的选取：根据钢结构节点坐标及卸载过程模拟验算数据分析，我方与设计单位协商共同选取了共11 个测量监控点，主要在应力集中或挠度较大位置，并保证覆盖外壳各个方向。在各监控节点上便于观测的位置贴上反光棱镜片，并将该位置作为测量点的原始坐标。棱镜片设置牢固后，与桁架的相对位置已经固定，每步卸载后立即测量棱镜片的坐标变化，前后对比即可得出桁架节点在卸载中的位移， 对于超出变形范围的节点必须进行适当加固等处理。

测量数据信息处理：测量数据包括每个监控点、每个卸载步骤的卸载前原坐标、卸载后新坐标、计算得出的理论坐标。在每步卸载实施前后，利用全站仪对卸载过程进行实时监控，并对相应的测量数据如实计入。并在卸载完成后，定期实施测量复核。

经多次测量复核数据得出，本工程桁架卸载后各监控节点位移均在模拟计算范围内，符合相关要求。

2.6.3 卸载施工流程

本工程结构厚度较大，刚度好，根据试算结果，除局部位置外，完全卸载后变形不大；由于在施工时支撑了较多的支撑架，在保证施工安全的前提下，单个支撑点采用分级卸载，整体上分区域、分步卸载。据本工程钢结构施工的特点，支撑点位置均设在径向桁架节点处，支撑方式有2 种：

1）采用20#工字钢制作成门式形式进行支撑，节点下部接触工字钢，通过工字钢将力传至下部的支撑架上。

2）将支撑架顶部工字钢立杆接长，立杆直接作用于桁架支撑节点。

为实现节点的分级卸载，采用气割方式进行卸载，即采用割刀切割支撑架杆件与桁架节点的连接部位，每次切割20 mm。在切割过程中，随着钢材的熔融，在钢外壳桁架自重的作用下，径向桁架将缓慢产生水平或向上、向下的位移，直至填补完钢支撑被割除位置的空隙。位移过程中，桁架水平位移较小，工字钢可以保持接触，确保支撑受力[3-5]。

当桁架支撑点将与节点分离，此时可直接将支撑点割除；当节点产生向下的位移时，在切割过程中，节点将继续与支撑点顶紧，此时必须严格按照20 mm一段进行切割，一直割至支撑点与径向桁架脱离。

每一步卸载完成后对整个结构进行全面检查、测量，没有问题后可进入下一级卸载工作，按照以上步骤，直至卸载完成。

3 结语

通过对神农大剧院钢网壳结构安装技术的介绍，为类似工程施工提供了一个有益的参考。中部地区大跨度钢结构应用较少，本工程顺利完成的同时，在钢结构设计、施工管理、监督等岗位上锻炼了一批人才，为中部地区大跨度钢结构施工的发展作出了一份贡献。