开封体育中心体育场罩棚钢结构施工关键技术*

陈志江，任洋洋，贾伟朋，娄小凤

(浙江大东吴建筑科技有限公司，浙江 湖州 313000)

1 工程概况

开封体育中心PPP项目位于开封市北外环路以南，复兴大街以北，十二大街以东，十大街以西，占地面积303 333m2，总建筑面积13.2万m2，由用地中轴线西侧体育场和东侧综合体育馆(体育馆、游泳馆、全民健身综合馆)组成，项目效果如图1所示。

图1 开封体育中心效果

体育场建筑面积42 772m2，高38.800m(看台罩棚顶面至室外地面)，设30 000个座位，为中型体育场、甲级体育建筑。体育场共4层，看台下部主体为钢筋混凝土结构，上部罩棚为空间管桁架结构。罩棚外形投影为圆环状，外径268m，洞口内径160m，总用钢量约5 000t，由80榀径向主桁架、环向次桁架、环向系杆等组成，桁架跨中间隔设置型钢骨柱，如图2所示。

图2 罩棚结构平面

单榀桁架呈7字形，分为主桁架和落地桁架，如图3所示。主桁架截面宽3m，高4.162m，长54.168m，其中奇数轴主桁架悬挑长度29.5m。落地桁架截面宽1.5m，高1.5m，长37.349m。

图3 单榀桁架立面

罩棚钢结构由2个基本自平衡体系单元组成：①奇数轴单榀桁架自平衡体系单元 奇数轴单榀桁架重心落在跨中支撑点偏外侧1.448m处，结构自然起拱且抵消端部下挠，即奇数轴单榀桁架以跨中型钢柱为支撑点，形成“杠杆平衡体系”单元；②任意连续3榀桁架自平衡体系单元 任意连续3榀奇数、偶数、奇数桁架组成“简支梁体系”单元，即以两侧奇数轴桁架作为支撑点，支撑中间偶数轴桁架；任意连续3榀偶数、奇数、偶数桁架组成“杠杆平衡体系”单元，即以中间奇数轴桁架作为支撑点，支撑两侧偶数轴桁架，如图4所示。

图4 自平衡体系受力分析

2 关键施工技术

考虑罩棚钢结构跨度大、支撑点少、结构下方施工复杂，且高空安装危险性高、施工速度慢、对接精度低，采用地面散件整体组拼、跨外大型起重机一次吊装就位、分区卸载后整体合龙的施工工艺。通过整体吊装桁架，减少高空作业量和临时支撑架使用量，保证施工安全，提高施工质量，加快施工进度，节约成本。

2.1 结构单元划分

结合罩棚钢结构特点及现场施工条件，将结构单元划分为主桁架(含支座)、落地桁架、墙桁架、次桁架及环向系杆，如图5所示。罩棚支座节点相交杆件多、受力大，因此采用铸钢节点。

图5 结构单元划分

2.2 吊装设备选择

奇数轴主桁架质量为46.31t，偶数轴主桁架质量为41.39t，均采用500t履带式起重机吊装；落地桁架质量为8.25t，采用100t履带式起重机吊装；墙桁架采用25t汽车式起重机吊装；次桁架及环向系杆采用150t履带式起重机吊装。施工过程中，将构件吊装质量控制在起重机额定性能90%以内。

2.3 现场施工布置

场地土为粉土，雨、雪天气道路承载力低，须对拼装场地和机械行走道路进行加固。

1)场地布置

在体育场外侧设置3块混凝土硬化场地，作为散件堆场和落地桁架、墙桁架拼装场地，共9 000m2。在体育场内侧沿施工道路设置15m宽移动式环向场地，作为次桁架和临时支撑架拼装场地，采用6m×2m×0.02m(长×宽×厚)钢板进行加固。在消防通道内、外两侧设置移动式主桁架拼装场地，采用5m×1.3m×0.13m(长×宽×厚)路基箱进行加固。

2)机械行走

500t履带式起重机下方采用5m×2.2m×0.24m(长×宽×厚)路基箱进行加固；100，150t履带式起重机下方采用5m×1.3m×0.13m(长×宽×厚)路基箱进行加固；50t履带式起重机和25t汽车式起重机作为拼装机械，下方无须加固。

2.4 桁架拼装

1)主桁架拼装胎架设置

主桁架呈直线形，为保证胎架制作方便并节约成本，采用侧向拼装，仅需满足底部焊接作业高度和桁架自身高度要求，拼装胎架高1.67～3.8m，由横梁、立柱等组成，如图6所示。

图6 主桁架拼装胎架

2)落地桁架拼装胎架设置

落地桁架呈圆弧状，为保证制作方便并节约成本，采用侧向拼装，仅需满足底部焊接作业高度和桁架自身高度要求，拼装胎架高1.0～2.2m，由立柱、立柱斜撑等组成，如图7所示。

图7 落地桁架拼装胎架

墙桁架和次桁架属于常规桁架，拼装工艺简单，不再阐述。

3)主桁架预起拱

奇数轴主桁架悬挑长度29.5m，需进行预起拱，以保证就位后主桁架悬挑端部位移与设计状态一致，从而保证结构美观。采用MIDAS Gen软件进行全过程施工模拟分析，并结合设计起拱值要求进行综合考虑。现场施工时，奇数轴主桁架悬挑端部起拱40，45mm，偶数轴主桁架起拱50mm。通过设置不同的起拱高度，控制桁架端部无波浪形变化。

4)拼装和就位控制

桁架拼装时，采用全站仪进行测量，保证拼装和就位精度，仅以主桁架为例进行介绍。

主桁架采取以下措施进行拼装和就位控制：①平整、夯实拼装胎架下方道路后铺设路基箱，减少不均匀沉降；②桁架组拼前，对每组拼装胎架顶面标高进行测量，控制胎架顶面标高，当存在高差时，通过垫钢板的方式进行调整；③桁架焊接前设置测量监控点，并在焊接过程中进行持续性监测；④桁架焊接完成后复测监控点。

桁架吊装时，采用全站仪对监控点坐标进行控制，并将就位、焊接完成和卸载后的实际坐标与设计坐标进行对比，确保实际值与理论值误差<10mm。

2.5 临时支撑架布置

考虑体育场自身结构特点，为保证整个施工过程桁架处于平衡状态，根据吊装段和奇、偶数轴线差异，布置临时支撑架。

2.5.1主桁架临时支撑架

奇数轴主桁架可依靠跨中型钢柱作为支撑点，自身形成“杠杆平衡体系”，且型钢柱刚度大、变形小，故悬挑端部可不设置临时支撑架。偶数轴主桁架底部无支撑，需在跨中和悬挑端部设置临时支撑架，其中，悬挑端部临时支撑架需保证桁架安装就位及悬挑端部挠度调节方便。

1)跨中临时支撑架 采用圆管式三角形支撑架，三角形边长均为2.0m，立杆采用φ180×12，腹杆采用φ80×6，顶部横梁采用H294×200×8×12。

2)悬挑端部临时支撑架 采用角钢式四边形支撑梁，截面尺寸为2.0m×2.0m，立杆采用∟110×12，腹杆采用∟63×3，顶部横梁采用H150×150×7×10。

2.5.2落地桁架临时支撑架

落地桁架吊装就位后，底部通过柱脚销轴、固定支座与预埋板连接，在2/3桁架高度处设置临时支撑架，并在支撑点处焊接 H200×200×8×12水平牛腿，从而保证临时支撑架仅承受桁架传递的竖向荷载。落地桁架临时支撑架采用角钢式四边形支撑架，截面尺寸为2.0m×2.0m，立杆采用∟110×10，腹杆采用∟63×6，顶部横梁采用H150×150×7×10。

2.6 合龙缝设置

本工程需考虑温度荷载作用，施工时需考虑以下因素设置合龙缝：①已安装结构稳定性；②断口合龙精度；③补杆施工难易度。以轴线⑤为起点，顺时针每隔20根轴线设置1个施工区域，共设置4条合龙缝，如图8所示。合龙缝需避开加强区，以减少补杆吊装和高空焊接作业量。

图8 合龙缝位置及施工分区

由于桁架具有自平衡体系特点，桁架整体受温度效应的影响较小，桁架整体与1/4结构变形、应力基本一致，为加快施工速度，首先分别施工并卸载施工区域1～4，然后进行整体合龙。分区卸载时，每条合龙缝处偶数轴桁架临时支撑架暂不拆除，整体合龙后进行二次卸载。

局部卸载和整体合龙均需对温度进行严格控制，体育场所在区域全年平均气温为16～18℃，考虑±2℃的温度余量，将卸载和合龙温度控制为14～20℃。施工时间为2020年10月中旬至11月上旬，温差较小，平均气温为14～18℃，满足施工条件。

3 施工模拟分析

3.1 施工工艺流程

罩棚钢结构施工工艺流程为：①在体育场外侧设置80个3.6m×3.6m×0.7m(长×宽×高)独立基础，用于支撑落地桁架下方的临时支撑架；②以轴线⑤为起点，顺时针安装落地桁架和墙桁架；③在混凝土看台和体育场内独立基础上搭设主桁架跨中、悬挑端部临时支撑架；④顺时针吊装主桁架、次桁架及环向系杆；⑤主桁架施工完成，分别进行分区卸载→整体合龙→合龙缝处二次卸载。

3.2 施工过程模拟

采用MIDAS Gen软件进行全过程施工模拟分析，并采用SAP2000软件进行校核。鉴于体育场土建主体与罩棚施工相差3～5个月，罩棚钢结构施工时主体结构混凝土性能稳定，因此计算时不考虑材料非线性，仅考虑安装过程中的非线性效应。根据不同施工阶段，对结构、边界和荷载进行建组划分，通过不同施工步骤间的“激活”和“消隐”模拟罩棚钢结构安装和拆除。模拟整个施工过程时，主要考虑结构自重、活荷载，自重荷载系数取1.05，程序自动计算；活荷载按0.5kN/m2计算。模拟单个构件吊装时，主要考虑结构自重。模拟临时支撑架搭设时，主要考虑结构自重、活荷载和风荷载。

罩棚钢结构共划分39 144个杆件单元，为符合实际施工情况且便于计算，将跨中临时支撑架与罩棚钢结构视为整体，单独复核看台、落地桁架临时支撑架与主桁架悬挑端部临时支撑架承载力。

约束桁架跨中、底部x，y，z向位移，落地桁架临时支撑架与主桁架悬挑端部临时支撑架节点受弹性约束作用，约束主桁架跨中临时支撑架底部x，y，z向位移。

3.3 结果分析

整个施工过程中最大应力出现在主桁架跨中临时支撑架处，为56.5N/mm2，小于所用钢材强度设计值(215N/mm2)，可知结构安全储备较高。罩棚构件最大应力为34.7N/mm2，小于所用钢材强度设计值(305N/mm2)，可知结构安全储备同样较高。

主桁架悬挑端部最大竖向位移为37.6mm，小于规范限值。现场施工最大竖向位移为35mm，可知计算值与实际值基本吻合。

4 结语

1)对于大跨度、大悬挑、自平衡桁架体系空间结构施工，关键在于选择合理的施工方案，围绕所选的施工方案进行桁架分段、桁架拼装、场地规划、机械选型、支撑架搭设、卸载等。

2)根据罩棚钢结构自平衡体系特点，考虑结构跨度大、支撑点少、结构下方施工复杂，且高空安装危险性高、施工速度慢、对接精度低，采用地面散件整体组拼、跨外大型起重机一次吊装就位、分区卸载后整体合龙的施工工艺。

3)罩棚钢结构自平衡体系在安装过程中独立性较好，受温度效应的影响较小。

4)对空间结构整个施工过程的模拟分析尤为重要，详细、合理的计算过程可反映需关注的重点施工问题，进而对施工质量进行控制，对施工方案合理性进行检验。