大悬挑体育场空间管桁架整体吊装施工技术研究

张松华 付 婧 孙 健

随着我国体育事业的蓬勃发展、大型会展业的兴起以及大规模集体文娱活动的增多，人们对于具备较大空间跨度、出色受力性能和优美造型的大跨度及大悬挑公共建筑的需求日益增长[1]，因此管桁架结构被广泛应用于大跨度空间结构。但由于其造型独特，导致施工过程中涉及大量焊接作业、吊装作业和高空作业等，进而增加了施工风险和工期风险[2]。

为了减少高空焊接作业量，降低高空作业风险，加快施工进度，并提高桁架的安装精度和焊接质量，河南省洛宁县全民健身体育活动中心项目的钢结构工程积极创新，专注于大悬挑倒三角桁架整体吊装施工的技术攻关，并对其施工工艺进行专项研究。这项研究取得了2 项国家实用新型专利，分别为《一种用于异型钢结构制作的钢胎膜结构》和《防止钢丝绳弹射的吊装装置》。

1 项目概述和工艺流程

体育场的屋盖采用带有加强桁架的空间单层网壳结构，最大悬挑长度约30 m。整个屋盖呈不规则弧面，上下两部分对称排列，总质量约为920 t。该结构共设置了10 个竖向桁架，桁架截面形状为三角形，三角腹杆和内弦杆采用圆管型材，在弧形竖向桁架中间设置支座点。单榀桁架最重达75 t，通过先在地面整体拼装，然后整体吊装的方式进行安装。管桁架现场拼装工艺流程如图1 所示。

图1 管桁架现场拼装工艺流程（来源：作者自绘）

2 操作要点

2.1 定位放样和埋设预埋件

十字钢柱预埋件的顶板即为桁架支座底板，因此要严格控制顶板的高程和中心点的坐标。在土建施工阶段，先将框架柱浇筑至设计高度，并提前埋设锚栓和定位钢板，当混凝土达到强度要求后，将预置的十字钢柱预埋件安装到相应位置[3]。

为了确保预埋件的稳固，采用密实灌浆料对预埋件下部至混凝土面之间进行灌浆，其他部位按照设计要求浇筑常规混凝土。混凝土强度达到设计强度的70%以上，才能安装桁架[4]。在深化设计时，需要特别注意土建框架柱钢筋与预埋件绑扎的顺序，以免发生冲突。

2.2 搭设地面拼装胎架

桁架地面拼装胎架需要采用300 mm×200 mm×6 mm×8 mm 的焊接H 型钢，间距为6 m，其他弦杆支撑架根据位置和高度进行相应调整。三角桁架拼接胎架示意图如图2 所示。为确保各主管的尺寸和形状正确，在装配之前要进行预拼装。先在管件连接处增加连接耳板，用螺栓连接管件，然后检查连接的正确性，如有不符合要求的情况应立即矫正。在装配平台上，利用组装胎架装配桁架的主管和主管之间的腹杆，装配顺序为先在胎架上组装上弦和下弦主管，确定它们的空间位置，再装配腹杆并进行定位，最后焊接。桁架拼装示意图，如图3所示。

图2 三角桁架拼接胎架示意图（来源：作者自绘）

图3 桁架拼装示意图（来源：作者自绘）

2.3 测量矫正

对于地面拼装、整体吊装的桁架施工方法，节点控制至关重要。要特别注意控制胎架的定位，根据临时支撑布置图放出支撑架的控制轴线和定位十字线，在安装支撑架时要与十字线对齐[5]。空间桁架拼装角度变化较大，桁架上各点的标高也相应变化，因此需要在桁架上选取分段支撑处的上弦、下弦节点作为坐标控制点。在计算机仿真模型测量出桁架杆件的定位坐标，并与测点进行坐标转换，再使用全站仪精确定位。使用全站仪检测支撑架顶端是否控制在预定坐标范围内，并在支承架的顶端和侧面标记明显的十字线加以区分[6-8]。

2.4 管桁架现场拼装

在已经测平的平台上，标记出桁架控制点的水平投影点。首先，将胎架焊接在平台上，使用水准仪等仪器测量控制点的垂直标高。通过调节水平调整板或螺栓，确保构件控制点的垂直标高尺寸符合图纸要求。其次，在胎架上按照具体位置放置单板节点和弦杆。使用挂锤球等仪器，确保桁架上控制点的垂直投影点与平台上标记的控制点重合，并固定定位块，确保弦杆位置正确。再次，在胎架上绘制各主管节点的中心线，确定主管的相对位置时，须考虑焊接收缩余量[9-11]。安装腹杆并进行定位焊接，至少采用4 个焊接点。最后，对桁架进行焊接。先焊接未靠胎架的一面，完成后使用吊机将桁架翻转，再焊接另一面。为确保焊接质量，尽量避免仰焊和立焊。在组装过程中，应考虑桁架的预起拱值。根据规范要求，在跨度大于24 m的情况下，可采用L/500的预起拱值（L为桁架跨度），而对于较小跨度的桁架则无须进行预起拱。

2.5 焊接施工

本项目采用二氧化碳气体保护焊工艺进行焊接。为了防止焊接应力引起变形，主桁架的焊接工作分成2 个步骤―首先焊接主管的对接焊缝，然后焊接支管。在焊接支管时，应从桁架的中间管开始焊接，逐渐向两侧进行[12]。

2.6 管桁架结构安装

管桁架结构现场安装的主要顺序：轴线复测―桁架吊装―桁架支座相贯焊接―水平系杆焊接―屋面檩条安装―屋面系统安装[13]。

试件核心钢骨部分为柱贯通式节点，由焊接工字钢组合焊接而成，左右钢梁采用熔透对接焊缝焊接，钢材材料基本力学性能见表2。再生混凝土强度等级为C40，再生粗骨料来源于拆迁建筑的废弃混凝土，其各项材料指标基本能满足《混凝土用再生粗骨料》(GB/T25177-2010)[8]的配置要求，再生混凝土基本力学性能指标见表3。

现场桁架的安装施工要点如下：

1）安装工况验算。

2）桁架吊装。选择合适的吊车吊装桁架，每台吊车的绑扎点选在距离吊装单元端部1/4 的位置。吊装前采用悬吊钢尺和水准仪法将标高引测到下部结构，控制桁架与下部结构相贯各点的标高。吊装时注意用溜绳控制两端，并缓慢将桁架梁放置到位。

3）相贯节点焊接。首先焊接桁架梁弦杆和下部结构，然后安装连接桁架梁之间的支撑桁架杆件，待所有构件安装焊接工序完成之后，卸载吊点并摘钩。

4）高空补杆焊接。高空补杆采用手工电弧焊或二氧化碳气体保护焊的方法，按照先主管后次管、先对接后角焊的顺序进行分层分区焊接，确保每个区域形成稳定的空间体系，减少安装误差。

5）安装质量检测。采用外观检测和超声波无损探伤的方法检测安装质量，其中外观检测主要检查焊接方法、焊接电流和焊条直径等，对所有全熔透焊缝进行超声波探伤并记录，确保符合相关规范要求。

另外，胎架数量要根据现场情况、吊装要求和施工周期确定，以确保管桁架拼装和安装速度相匹配，减少或避免窝工现象。

2.7 吊装计算

某单榀桁架质量为70.1 t，计划采用300 t 的履带式起重机进行吊装，通过软件模拟吊装工况下的位置和变形情况，如图4 所示。

图4 软件模拟吊装工况示意图（来源：作者自绘）

为了控制桁架的位置和角度，可以在下部连接2 根钢丝绳，在每根钢丝绳上安装1 个32 t 的手拉葫芦，用于调整桁架的角度。手拉葫芦的手链长度设置为20 m，便于操作人员在地面操作。

桁架最大立面宽度为3.8 m，吊车的作业半径在15 m 内。根据300 t履带式起重机的性能参数，其主臂为48 m，吊车额定起重量为116 t，被吊物体质量为70.1 t，动力系数取1.3。根据相关规范计算可得吊车的竖向荷载为95.16 t，小于额定起重量，可以满足吊装要求。

2.8 钢桁架初步起吊和空中姿态调整

为避免损坏桁架构件，在地面拼装时桁架处于平放状态。但在吊车将桁架提升至设计安装姿态的直立过程中，底部可能会沿地面滑移。为了解决这一问题，需要配置一台80 t 的吊车提升桁架底部，并配合将其移动到直立位置[14]。

起重吊装工作必须严格按照规范和履带式起重机、汽车起重机使用说明书的要求进行。在正式起吊之前，应先进行试吊。试吊应缓慢进行，当离地50 cm 后需停留一段时间，观察构件是否有明显变形，确保吊点没有问题后才能正式起吊。在起吊过程中要缓慢提升，并根据软件模拟的翻身过程，保证只有底部的2 个吊点承受力。桁架直立过程需要缓慢进行，保证辅助吊车的杆件微微离开地面。直立完成后，可以使用预先设置好的手拉葫芦调整角度[15]。

2.9 下弦杆与支座焊接

调整好桁架的角度后，需要将其旋转到土建基础预埋件的对应位置。利用预先点焊在支座位置上的钢板调整定位，调整完成后，将桁架下弦杆与支座进行定位焊接。为保持桁架的稳定，需要在桁架两侧的垂直方向拉设缆风绳，在桁架靠近建筑物的位置设置撑杆，预防左右倾覆。

摘钩和卸钢丝绳的过程如下：桁架顶部距离吊点高度约5.5 m，在吊钩解开后，吊臂会出现一定偏移，需要在看台顶部落钩并进行摘钩操作。这样吊索就会靠近看台位置，然后沿着预先设计好的爬梯上人拆除，下部的吊索拆卸可以使用云梯车上人拆除。

在首榀桁架吊装完成后，通过在接近端点位置向两侧拉设缆风绳和圆管支撑措施，保持桁架结构就位稳定，形成稳固结构。后续依次按照由中间向两边的顺序进行桁架吊装，桁架间同样采取连接稳定措施。以相同方法安装剩余9 榀桁架，在完成2 榀后即可进行穿插施工，安装桁架间的网壳。

3 结语

本文以洛宁县全民健身体育活动中心为例，研究大悬挑体育场空间管桁架整体吊装施工技术的具体应用。通过地面拼装、整体吊装的方法，有效解决了高空分段拼接安装施工中耗费人力物力大、施工周期长、精确度无法保证等难题，确保了施工的安全可靠，并取得了显著的经济效益。