体育馆大跨度张弦梁分段安装关键施工技术

丁俊涛

上海建工七建集团有限公司 上海 200050

莱茵体育生活之城项目位于浙江省杭州市桐庐县，工程南侧为已建一期训练基地，西侧为在建住宅区，东侧为金中路，北侧为农保田和高家路。工程平整后场地标高为76.5～78.0 m，场内基本平坦，项目造型整体类似一只展翅待飞的蝉，总体寓意为“蝉鸣寄意，桐翼于飞”，主体工程主要由体育馆和专业足球场组成（图1）。体育馆屋面采用了预应力张弦桁架结构体系，由上弦刚体、下弦索及其之间的撑杆构成。通过布置和张拉拉索，产生向上的等效预应力荷载来优化结构的内力状态，提高结构整体刚度，平衡支座部位推力，控制结构外形尺寸（矢高或跨度等）[1-3]。

图1 莱茵体育生活之城项目效果图

1 工程概况

本工程体育馆占地面积8 728 m2，建筑面积28 715.39 m2，建筑高度32.63 m，地下1层、地上3层。屋盖投影近似为半径为73.8 m的半圆形，场馆内部主要有比赛大厅、训练馆及健身房这3个大空间。比赛大厅上方采用张弦梁结构形式，训练馆和健身房位于比赛大厅两侧，采用正交桁架结构体系，跨度31.5 m，屋盖靠近专业足球场一侧桁架挑出11 m（图2）。

图2体育馆钢结构题三维效果图

专业足球场建筑设计紧扣“桐翼于飞”的设计立意，东西两侧看台雨棚似腾飞的苍鹰，羽翼丰满，寓意桐庐发展的腾飞之势，雨棚悬挑长度较长。专业足球场占地面积7 551 m2，建筑面积15 625.32 m2，建筑高度33.13 m，无地下室，地上3层，专业足球场座位数15 002座。体育馆上部设计有8榀张弦梁，上弦杆采用700 mm×300 mm×20 mm×40 mm、700 mm×300 mm× 20 mm×30 mm的方钢管，下弦杆设置φ101 mm钢拉锁，撑杆采用300 mm×250 mm×12 mm方钢管，钢结构材质为Q345B（图3）。

图3 张弦梁构件

2 张弦梁施工特点、难点分析

体育馆屋盖投影近似半径73.8 m的半圆形，比赛大厅上方采用张弦梁结构形式，张弦梁共8榀，最大跨度达66 m，桁架高度约6 m，单榀最大质量76 t。上弦杆为弓形钢箱梁，拉索采用φ101 mm高钒索，索头锚固端节点复杂。弧线形钢箱型最大板厚60 mm，加工制作难，分段加工后现场拼装精度、大跨度吊装及张拉索现场分级张拉控制要求均较高。

1）针对体育馆大跨度张弦梁结构加工、安装难度大、精度高的难点，采用数字化建模深化、放样、数控下料切割的手段，控制空间弯弧箱形梁制作的加工精度。每榀张弦梁在工厂分6段加工，运至现场拼装成南、中、北这3段（每榀下设置2个塔吊标准节临时支撑架）。

2）现场预先模拟张拉过程，进行施工全过程力学分析。拉索安装后8榀张弦梁由两侧向中间张拉，张拉主控索力，辅控跨中挠度、支座位移，及时调整偏差，确保张拉施工质量安全。

3 大跨度张弦梁分段施工技术

3.1 主要起重机械设备和使用时间安排

350 t汽车吊1台，吊装南段8节张弦梁，计划使用工期12 d；130 t汽车吊1台，吊装北段8节张弦梁，计划使用工期20 d；35 t汽车吊2台，吊装中间8节张弦梁和屋面上的所有次构件，计划使用工期30 d。

3.2 张弦梁吊装路线规划

1）吊装线路1。该路线设置在足球场内，考虑到9 m支腿和2 m路基板，该线路宽度不小于12 m，供350 t汽车吊行走和站位，地基采用道碴夹碎石铺垫层压实处理的做法，地基承载力满足250 kPa。

2）吊装线路2。该路线设置在体育馆北侧，供130 t汽车吊行走和站位，适当铺垫厚不小于100 mm道碴或碎石层层压实，地基承载力满足140 kPa。

3）吊装线路3。该路线设置在体育馆中间，供2台35 t吊车行走和站位，通过加固和复核地下室顶板结构承载力满足施工荷载要求。

为控制吊装道路地基承载力，设置沉降监测措施：在吊车支腿下路基板上标注十字形标记监测点，在安全位置架设水准仪器，实时监测吊车空载和重载时的沉降情况，每隔1 min记录沉降数值1次，时刻保持与吊装管理人员的对讲机连通状态，实时汇报沉降情况，为吊装安全保驾护航。

3.3 张弦梁拼装胎架控制

以S-10和11轴的第7榀张弦梁为例：共分为3段（南段、中段、北段），南段质量为18.728 t，中段质量为22.816 t，北段质量为25.417 t。

拼装胎架必须严格按照设计尺寸进行设置，胎架放置在桁架就近地面上，表面通过钢垫板找平，安装顺序为：南段→北段→中段。

第1批拼装南段8节：按照从左右向中间的安装顺序拼装，G-E轴的水平系杆跟进安装，有利于增加桁架水平稳定的作用。

第2批拼装北段8节：按照从左右向中间的安装顺序拼装，G-J轴和G-G轴之间的水平系杆必须跟进安装。

第3批拼装中段8节：中1＋中2→中3＋中4→中5＋中6→中7＋中8，张弦梁安装的同时中间1支水平系杆也要同时安装，起到水平稳定的作用（图4、图5）。

图4 中段地面对接组焊示意

图5 中段安装顺序示意

拼装测量遵循“从整体到局部，先控制后施工”的原则，根据图纸和工艺编号自下而上进行对接拼装组焊，并对拼装过程进行全面质量评价，设置监控点，专人负责监控，确保质量受控。用线锤及经纬仪、水平仪测量控制钢结构垂直度及其标高，测量完毕后，组织相关人员验收。张弦梁采取立拼的方法进行拼装，胎架布置在地面上，拼装胎架采用20#工字钢做成马凳形式，马凳至少4条支腿，最小支腿间宽度不得小于高度的一半，确保胎架的整体稳定性（图6）。

图6 拼装胎架示意

3.4 张弦梁吊装流程

张弦梁最大跨度为66 m，共8榀，每榀张弦梁分6段加工，以散件的方式发货至现场，在地面搭设的胎架上进行分段拼装、分段吊装。每根张弦梁分3段吊装，分段接头处设置临时支撑架，底面在拉索标高处采用型钢转换层，顶部设置加强型钢梁。

吊装顺序：第1步吊装南侧8段第1段张弦梁及G-E轴水平系杆，两侧向中间展开施工；第2步吊装北侧8段第3段张弦梁及G-J轴以南4.2 m处水平系杆，两侧向中间展开施工；第3步吊装中间8榀第2段张弦梁及G-G轴水平系杆，两侧向中间展开施工；第4步从中间向两侧顺序吊装所有次构件并完成所有焊接；第5步安装拉索并完成预应力加载，两侧向中间实施。

次构件安装时，使用35 t汽车吊在场内进行吊装作业，35 t汽车吊在体育馆地下室混凝土顶板上行走和吊装，吊装区域铺设转换钢梁和钢板路基板，通过转换钢梁转至混凝土柱、梁上，确保混凝土结构的均布受力。

3.5 张弦梁吊装工况分析

3.5.1 南段张弦梁吊装工况

南侧第1段张弦梁采用350 t吊车独立吊装，吊车站位于体育场内，已经考虑避开了建筑结构障碍物。作业半径26 m，吊车臂长取60 m，额定起重20.1 t≥构件质量17.23 t，附加系数≥1.1，无超载、无碰壁现象，工况满足要求。

3.5.2 北段张弦梁吊装工况

北侧第3段张弦梁采用130 t吊车独立吊装，考虑避开了建筑结构障碍物。作业半径14 m，吊车臂长取41.1 m，额定起重28 t≥构件质量24.4 t，附加系数≥1.1，无超载、无碰壁现象，工况满足要求。

3.5.3 中段张弦梁吊装工况

考虑到拼装顺序和东西两侧建筑墙体障碍因素，吊车的站位均布置在一侧，且始终站位在拼装好的构件靠体育馆中间的一侧，这样从东西两侧施工时，即可避开S-6轴、S-15轴两面墙体，且符合构件拼装的顺序，也满足吊车左右拼装和吊装机动的灵活性要求，提高机械利用效率。35 t吊车起重荷载率复核：作业半径6 m，臂长31.5 m，额定荷载17.2 t，双机抬吊负载率按最不利75%折减系数，计算得12.9 t，中间构件总质量25.2 t，单吊点荷载12.6 t，12.9 t≥12.6 t，满足吊装工况要求。

吊点布置根据构件的重心来确定，中间段构件的吊点重心两侧各偏移4 m设置2个吊点，左右吊点间距8 m，两吊车间距也是8 m。吊点的耳板采用30 mm厚度的钢板焊接而成，吊耳重载力在800 kN以上，质量最大的构件为26 t，按照3个吊耳分配计算，每个吊耳荷载不超过90 kN，吊耳的重载力足以满足实际荷载的需要，吊耳安全系数不小于8倍。

4 张弦梁施工相关技术措施

4.1 中段与两端桁架对接限位

张弦梁中段吊装前，在中段张弦梁箱梁的两端分别焊接2块定尺寸钢码板（500 mm×300 mm×30 m），码板焊接长度300 mm，伸出200 mm，在接缝处位置码板下口留半径30 mm半圆施焊工艺孔。当中段张弦梁从上往下慢慢就位时，两端的码板起到限制中间段张弦梁下沉的目的，便于调节高低板厚的齐平，左右板厚微调时则在侧面附加七字形千斤顶码板，可以用斜楔或千斤顶来调节缝口精度（图7）。

图7 中段两侧码板示意

4.2 张弦梁的吊点布置

以南段张弦梁为例，其重心位置x＝0，y＝7.974（10.113），吊点平均布置在重心前后各4 m，吊点最大间距8 m，构件质量24.4 t，南侧布置单个吊点，北侧布置2个吊点，每个吊点的反力约82 kN，北侧2个吊点采用2个10 t手拉葫芦结合3 m链条调节平衡，吊具包括1根12 m、2根10 m长度的钢丝绳和手拉葫芦（图8）。

图8 南段吊点布置

4.3 临时支撑架搭设

张弦梁施工时选用的临时支撑架采用塔吊标准节，截面尺寸包括600 mm×1 600 mm×2 800 mm，1 600 mm×1 600 mm×3 000 mm这2种规格，顶部分配梁HW250 mm×250 mm×9 mm×14 mm，材质均为Q235B。S-8轴右侧1 m位置水沟对临时支撑架没有影响，对拼装影响也较小，若有个别支点要在水沟处加固时，可以采用HW250 mm×250 mm×9 mm×14 mm型钢补平加固。

支撑架布置应避开张拉弦撑杆的位置不小于200 mm，支撑架若与撑杆产生碰撞，将无法安装撑杆，所以须严格按照每一榀深化立面图进行布置。支撑架横向采用H600 mm×300 mm×6 mm×8 mm型钢梁连接稳固，焊接V形栏杆，采用钢丝绳拉紧作为生命线，可实现简易安全通道。纵向采用钢丝绳顶部拉至混凝土结构柱顶位置临时固定，拉在顶部受力会更加有利于稳定，当张弦梁安装就位后，缆风绳就会失去纵向作用，张弦梁自身刚度即可起到纵向的稳定作用。

每个支撑架底部设转换钢梁，荷载通过转换钢梁传递到混凝土梁上，转换钢梁采用主梁H450 mm×200 mm×9 mm×14 mm和次梁HW300 mm×300 mm×10 mm×15 mm。经验算，施工过程中转换钢梁最大位移为4.3 mm，最大应力比0.3，满足受力要求。转换钢梁架设在主混凝土梁450 mm×900 mm和次混凝土梁300 mm×700 mm上。通过计算分析，临时支撑架、转换钢梁和结构梁等的承载力均能够满足施工需要（图9）。

图9 转换钢梁示意

在下拉索通过的相应标高位置，调整标准节腹杆支撑方式，并全部用高强螺栓铰接固定，既要灵活避开下拉索的相对标高位置，也能确保拆除时拧开螺栓，拆除几根腹杆即可方便拆除标准节。拆除标准节时，只要先拧开下面3根红色杆件的螺栓，移除杆件，即可顺利移除整个标准节。拆除时既要考虑避开安装位置，也要考虑拆除时方便，并且保证该标准节受力稳定性和强度不受破坏。每个支撑架深化时，在拉索上下的位置，支撑架的腹杆需要确保500～800 mm的空间。

5 拉索张拉施工技术

5.1 张拉机具

张拉设备包括千斤顶、反力架、油泵、油压表、油管等。由于本工程拉索连接方式为单耳式，为了张拉操作，需要在张拉耳板处焊接附加张拉锚固点。

拉索每个张拉点需要2台千斤顶和1台油泵，每次张拉共有2个张拉点，共需4台千斤顶和2台油泵以及2套工装。根据单根拉索最大施工张拉力的要求，选用YCW150B型千斤顶进行张拉，2台千斤顶并联在一个张拉点能达到相应的设计张拉能力。

5.2 张拉流程

钢桁架全部拼装完成、拉索安装到位、钢桁架间的连系杆件安装完成后，即具备张拉条件。本工程拉索采用分批次流水且一次张拉到位的方法，主拉索张拉时，单根主拉索两端同时张拉，张拉点设在桁架两端位置。

5.3 张拉控制数据分析

通过对张拉前后张弦梁拱高的标高监测，本工程8根张弦梁张拉后拱高竖向位移值在10～62 mm范围内，符合设计控制的标准要求。另外，张拉过程中支座位移也全程受控。

6 结语

莱茵体育生活之城项目体育馆屋面张弦梁钢结构总用钢量约775 t，工期75 d。针对张弦梁的结构特点和施工难度，深入研究了施工流程、辅助措施和张拉控制等方面的内容，并通过项目实践获得了可靠的数据支撑。通过合理的施工部署，完善过程施工工艺，在保证施工质量、安全、进度的前提下，圆满地完成了大跨度张弦梁的施工。