大跨度多截面板式组合桁架与管桁架组合屋面结构施工研究

段 波

中国建筑第二工程局有限公司西南分公司 重庆 400020

1 工程概况

本案例工程为某大型的体育场馆，屋面结构为大跨度多截面板式组合桁架与管桁架组合屋面，整个建筑钢结构施工体系主要由核心支撑筒、钢楼梯、楼层框架梁柱、穹顶桁架、金属屋面以及屋顶蜂窝梁组成，总建筑面积为1 151 072 m2。作为大型的体育赛事场馆，该地标性建筑物分为地上4层、地下1层，预计从建设施工到正式投入运营，将耗用3.8万 t钢材（图1）。

本建筑工程主体结构剖面分别由异截面大跨度管桁架、钢板墙、箱形H钢梁、巨型圆管柱以及板式桁架组成，其组合桁架与管桁架屋面结构立于分别由厚型钢板和圆形钢管组合而成的穹顶核心支撑筒上，立面结构形式为2片曲面翼型形式。为了有效减少复合屋面结构自重，施工时拟在2片曲面翼型厚钢板腹板区开设孔口，充分释放该处积聚的应力。大跨度多截面板式组合桁架与管桁架屋面结构包括主、次、平面3种形式的桁架，榀数分别为146榀、210榀、117榀。

图1 建筑物总体效果示意

2 施工难点及重点

1）本建筑工程项目大跨度多截面板式组合桁架与管桁架组合屋面结构施工为高空作业，加之大跨度桁架结构体系受力复杂，连接形式变化多样，所以在施工时，需充分考虑组合桁架结构的整体刚度、受力稳定性。

2）屋面桁架结构跨度大，高度高，在桁架结构安装施工时，宜采用钢板提高屋盖整体稳定性。而在吊装作业时，还应在多截面板式组合桁架腹板与上翼缘适当预留“蜂窝状”孔洞（图2）。

图2 大跨度桁架结构体系多截面组合示意

3）选用吊装方法时，应充分考虑设计受力要求，本工程多截面板式组合桁架下翼缘宜采用圆管，同时需严格控制屋面巨型板式组合桁架构件高宽比。为了有效减少多截面板式组合桁架结构用钢量，其最大截面高度应控制在2.76 m左右。

4）本工程屋盖整体稳定性要求高，尤其是组合桁架倾斜角度大，且屋面巨型板式组合桁架安装轴线跨度达41 m，因此施工时组合桁架安装、吊装精度控制要求高，作业风险大。

5）大跨度多截面板式组合桁架与管桁架组合屋面结构主、次桁架，钢柱及屋面平面桁架杆件连接均为刚接节点，质量要求高，截面焊接量大。

3 施工结构体系

本建筑工程大跨度多截面板式组合桁架与管桁架组合屋面整体结构体系分别由次桁架和边桁架组成的平面管桁架与主、次桁架水平撑构成。如图3所示，钢桁架下翼缘为圆钢管，型号规格为φ440 mm×12 mm，主桁架质量为36.7 t，长42 m，其截面最大尺寸为H2 600 mm×500 mm×23 mm×36 mm/460 mm×16 mm，屋面桁架结构最高、最大实际安装标高分别为68.230 m和22.558 m。

图3 大跨度桁架结构体系三维示意

本项目大跨度多截面板式组合桁架与管桁架组合屋面屋顶呈“空间弧形”状，最高位置标高、最大悬挑长度分别达68.25 m和12.50 m。建筑物主场馆范围内的屋顶主桁架左端与馆外两侧屋顶结构的钢柱支撑连接，另一端（右端）则与支撑在穹顶桁架上的核心支撑筒相连。主场馆外两侧屋顶结构支撑筒主要由φ900 mm×25 mm、φ580 mm×30 mm、φ479 mm×15 mm以及φ476 mm× 16 mm以及φ405 mm×15 mm等几种不同型号规格的钢圆管构成，屋顶主桁架边缘存在大量长达12.5 m左右的悬挑结构。

4 施工技术方案

根据本建筑工程项目施工特点及技术实施重点、难点，在充分考虑管桁架组合屋面剖面结构形式的基础上，在大跨度多截面板式组合桁架与管桁架组合屋面结构施工过程中，宜优先采用塔式起重机对施工现场5层结构以上的屋面主桁架钢柱进行安装，再依次安装次桁架、平面桁架等各区屋面结构。待安装穹顶支撑筒结构施工作业完毕以后，方可安装屋面主桁架穹顶位置屋面桁架结构[1-3]。

由于本建筑工程项目大跨度多截面板式组合桁架与管桁架质量大，施工体系结构跨度大（均为9 m左右），且屋面主桁架、次桁架梁均有较大的截面，所以在现场起重安装施工时，应严格按照屋面主桁架→次桁架→边桁架或管桁架的安装施工顺序进行屋面结构的安装作业[4]。结合现场起重施工的技术工况，本研究制定的大跨度多截面板式组合桁架与管桁架组合屋面整体桁架安装施工技术方案图4所示。

图4 施工技术方案

在具体施工过程中，具体施工内容如下[5]：

1）采用起重机整榀吊装满足现场起重施工能力的大跨度多截面板式组合桁架，并分段吊装其余无法满足现场起重机起重能力的大跨度多截面板式管桁架。

2）结合现场实际施工情况，将临时施工支撑架分别搭设于无钢柱支撑的大跨度多截面板式组合桁架与管桁架分段部位。

3）待安装焊接完成大跨度多截面板式组合桁架与管桁架组合屋面的结构体系以后，再对次桁架梁进行安装施工作业。

5 施工工艺流程及关键技术措施

5.1 施工工艺流程

1）基于Tekla软件建模，模拟优化大跨度多截面板式组合桁架与管桁架组合屋面结构施工工艺，深化组合桁架连接节点，通过有效分析大跨度多截面组合屋面结构桁架连接节点受力情况，绘制构件图纸，保证连接板、定位板、桁架构件制作加工及对接接口的安装精度[6]。

2）为了减少施工成本，将支撑胎架支设于穹顶区域加固，并安装搭设与钢柱连接的斜撑、桁架，采用拉索与支撑柱安装主桁架，使其与托梁连接。

3）安装于大跨度多截面板式组合桁架与管桁架组合屋面穹顶桁架结构中的主桁架本身具有较大的结构跨度，所以其尾端支撑点应采用“倒八爪”形式将其有效固定在穹顶环带桁架之上。另外，因位于环带桁架主桁架连接节点处的“八爪”结构支撑难以准确定位，因此在施工时，应优先安装板式组合主桁架，后安装结构支撑“八爪”[7]。通过定位分析，准确提取胎架支撑的最佳加固精确点位及安装点位三维空间坐标，由此根据模拟分析结果设置穹顶上主桁架的支撑加固胎架，保证安装施工精度和准确度。

4）根据模拟分析得到的大跨度多截面板式组合桁架与管桁架组合屋面结构跨度，施工时采用整榀吊装部分桁架，而对于无需使用支撑，且跨度较大的主板式桁架，应根据现场施工技术条件及起重机作业工况，按照如图5所示的方案分段处理桁架[8]。

图5 大跨度多截面板式组合桁架与管桁架组合分段安装步骤

在分段安装施工的基础上，使用2台塔机高空对接安装大跨度的主板式桁架。通过对桁架分段处理安装的对接点三维坐标数据进行监测、记录，在满足吊装荷载、塔机覆盖范围的前提下，提高桁架的安装精度[9]。

5）首先应设置拼装操作架，通过准确测量并校正其高度、宽度及长度值，才能在地面准确拼装平面管桁架。其次，应建立控制桁架杆件位置的网格，测量放线各点空间位置，有效设置平面管桁架杆件限位块，保证地面拼装焊接质量和精度。

6）安装板式桁架后，采用Tekla软件建立模型，进一步模拟分析大跨度板式桁架结构安装施工时的各点受力情况，分析卸载工况，通过测量控制变形，平稳拆除和卸载大跨度板式桁架胎架支撑结构。

7）基于Tekla软件模拟优化后的施工工序，将主、次桁架作为大跨度多截面板式组合桁架与管桁架组合屋面结构施工的主体框架，同时连接主、次桁架与平面管桁架，形成屋面整体受力稳定的轮廓形态和结构框架。

5.2 关键施工技术措施

5.2.1 设置桁架连接节点

采用“栓焊”连接主桁架连接节点，通过设置如图6所示的桁架连接托座，有效连接钢柱与桁架、桁架与桁架。同时基于单夹板高强螺栓和全熔透焊接连接桁架与托座以及后腹板，上翼缘与下翼缘杆件、连接板则分别采用全熔透焊接和围焊处理，保证大跨度多截面板式组合桁架与管桁架组合屋面桁架连接、安装施工精度与刚度。

图6 大跨度多截面板式组合桁架与管桁架分段连接点

5.2.2 桁架分段施工

在大跨度多截面板式组合桁架与管桁架组合屋面主桁架吊装施工时，应设置用于临时加固的支撑胎架，并通过桁架分段模拟深化设计，将屋面主桁架分为1段、2段、3段这3个不同的小段进行安装。如图6所示，中间为1大段，两侧为2小段，长度均≤6 m，通过连接主桁架与封顶钢柱，对屋面桁架施工胎架进行加固[10]。

5.2.3 临时支撑优化及固定

图7为经Tekla软件建模优化后的大跨度多截面板式组合桁架与管桁架结构临时支撑设计方案，通过模拟计算及分析可知，临时支撑加固施工时的斜支撑采用了热轧型钢，型号规格为HN150 mm×100 mm×4.5 mm×6 mm。通过与钢柱连接，有效增强了临时斜支撑的稳定性与可靠性。同时，采用倒链及拉锁、支撑柱等辅助措施，对大跨度多截面板式组合桁架主桁架结构进行临时固定，使其与托梁稳定连接。

图7 大跨度多截面板式组合桁架主桁架结构临时支撑优化及固定

5.2.4 安装穹顶桁架

由于安装于穹顶桁架之上的大跨度多截面板式组合桁架主桁架结构跨度大，而且其尾端支撑点通过“倒八爪”形式固定于穹顶环带桁架上，所以在安装穹顶桁架施工时，应优先安装与托梁连接的大跨度多截面板式组合主桁架[11]，然后才能安装如图8所示的穹顶环带桁架结构“支撑八爪”临时加固桁架。

图8 大跨度多截面板式组合桁架穹顶环带桁架结构“支撑八爪”

按照如图8所示措施安装大跨度多截面板式组合桁架穹顶环带桁架结构“支撑八爪”之后，需在拱形的穹顶上弦杆件结构上放置向下有一个倾斜角度的支撑，如图9所示。完成安装施工作业任务后，再根据支撑点位坐标，对穹顶上弦杆件处的支撑结构点坐标进行找平，确保转换梁均衡、稳定受力。待完成安装后，最后再安装标准节底座与转换梁，放置支撑调节顶座和标准节支撑。同时分别采用2根HN200 mm×150 mm×6 mm×9 mm和HN350 mm×175 mm×7 mm×11 mm热轧型钢斜支撑，并排焊接于穹顶上弦杆处放置的大跨度多截面板式组合桁架穹顶环带桁架标准支撑底座与转换底座，确保大跨度多截面板式组合桁架与管桁架组合屋面结构施工安全及整体质量稳定。

图9 拱形穹顶上弦杆件结构放置的倾斜支撑

5.2.5 大跨度主板式桁架高空对接安装

与穹顶主桁架相比，大跨度主板式桁架在高空对接安装施工时，不需要临时支撑，只需在满足现场吊装荷载以及2台塔式起重机覆盖区域范围内，根据现场实际受力点及工况，采用2台起重机进行高空、分段对接安装处理[12]。

6 结语

以某大型的体育场馆为例，结合大跨度多截面板式组合桁架与管桁架组合屋面结构施工工况，根据大跨度板式组合桁架与管桁架结构特征，提出了一种“双翼双曲型屋面造型”施工结构体系，采用双向加劲肋、圆管、钢柱支撑对屋面悬挑结构进行临时加固。同时基于Tekla优化后的整体桁架安装施工工艺，对本工程屋面主桁架截面参数、屋面结构安装顺序、主次组合桁架连接节点、接口类型、定位板、连接板以及受力工况等进行深化模拟，不仅减少了胎架支撑，节约了穹顶桁架安装施工成本，而且通过“倒八爪”形式固定穹顶桁架之上的主桁架，有效解决了大跨度多截面板式组合桁架与管桁架组合屋面结构施工时存在的安装精度不高、桁架连接刚度不足以及施工效益低下等问题，可供类似工程施工借鉴。