大型体育馆钢结构屋盖的施工关键技术研究

陈 霆

0 引言

建筑钢结构以其质轻、形美的特点广泛被现代大型公共建筑所采用。钢结构的施工过程分为两个阶段，即加工制作阶段和安装阶段。加工制作在工厂完成，质量容易保证。安装阶段在施工现场进行，安装过程是影响工程安全性的主要因素。

随着钢结构的应用日趋广泛，钢结构工程事故也备受人们的关注。以西安市某钢结构工程为例，当桁架吊装到第十一榀时，屋架全部侧向倾覆倒塌。调查显示，造成事故的原因是结构安装次序错误，在安装中没有形成一个稳定的受力体系而直接导致结构破坏。

由此可见，施工技术对钢结构的安全施工和使用至关重要，有必要对钢结构的施工技术和工艺进行研究［1-3］。前人对钢结构高层建筑［4］，钢结构厂房［5］和钢结构住宅［6］等的施工技术进行研究，但是对大跨度的钢结构屋盖的施工技术研究还很少。此类结构跨度大，高程高，连接节点复杂，施工过程有其特殊性和难点，有必要研究其施工技术。

1 工程概况

某大型体育馆位于广西柳州。其中主馆设可容纳体操比赛要求的主比赛场地一块，以及两块单边篮球场宽度的赛前训练场。

本工程属新建工程，比赛场大跨度屋盖采用双向钢桁架。建筑高度总高为29 m。体育馆南北向长度为121.2 m，东西向长度为101.1 m，屋盖为双向箱形钢管桁架和H型钢梁组合而成的结构，桁架最大跨度为72 m。本工程钢结构施工具有以下难点:屋面桁架上弦节点域与杆件连接形式复杂;桁架跨度大(最大达77 m)、安装高度高达29 m，吊装难度较大，如何避免在吊装过程中桁架产生永久变形等不利因素是本工程的一大重点。

2 钢结构加工制作

2.1 复杂节点加工

在本工程体育馆屋面桁架钢结构中，由于屋盖造型奇特，主杆件与腹杆需进行曲折面过渡，过渡处连接点很多且形式复杂。箱形构件相贯节点和方钢管与H型钢相贯节点，是两种典型的复杂连接节点。

在节点制作中，因屋脊线不一致造成每榀主桁架高差不一，上下腹杆与主杆连接时分别需进行曲折面加工。因此如何准确地下料，保证装配精度是本工程加工制作的重点。针对这一难题，用AutoCAD软件建立三维线框模型进行分析，确定好机械切割余量及焊接后的收缩余量，按照材料规格进行合理的套料，并根据制作要领选择正确的加工设备实地放样拼装。

2.2 异型H型钢制作

本工程门式刚架部分采用的H型钢绝大部分为异型H型钢，其上翼板均倾斜角度不一致，在生产加工过程中均需对每支构件的上翼板进行预折面处理，如何控制角度确保构件满足设计要求是本工程加工制作过程中的重点。采取合理的折面处理并配合加工焊接组合方案控制变形，是实现现场顺利拼装的关键。上翼板在折弯机上预弯前进行预先模拟焊接后的焊缝收缩应变量，再结合异型构件的上翼板折面角度，组立门焊后下翼板采用机械矫正，上翼板则采用火工加外力的方式进行矫正。

3 桁架预拼装工艺

钢结构主桁架最大跨度为72 m，大型钢构件限于构件运输条件和现场起重设备的起重能力，在工厂必须将大构件按需要长度及重量进行分段，运到现场后进行拼装。但为了保证构件在现场的顺利拼装，减少现场对构件的安装调整时间，本工程主要对主桁架进行预拼装。

现场预拼装胎架由工字钢焊接而成，胎架制成后将其焊接在混凝土地面的预埋钢板上，使整个胎架形成一个刚性体。在拼装场地划线后安放H型钢马凳，马凳间及角钢进行支撑连接后，再安放立杆支撑。

依次对桁架下弦杆，下部统杆水平支撑，侧腹杆，上弦杆，上部次弦杆，桁架中间立杆及上部桁架水平支撑，上部桁架次杆及其他支撑进行安放。

4 钢结构现场安装方案

4.1 吊装顺序及设备布置

桁架预拼装完成后，就可以进行钢结构的吊装施工。本工程分为西区与东区两个区域，分别配备两套独立的施工班组进行安装，每个区域从结构中轴线向两侧同时施工，见图1。

图1 钢结构安装顺序

为了保证本工程的工期计划，现场配备两套设备进行安装:两台25 t汽车吊，负责桁架构件的卸车、拼装、次构件安装等;两台80 t履带吊，负责屋顶分段桁架、马道等构件的吊装。

4.2 支撑架的设计

本工程临时安装支撑架最大设计高度25 m，其稳定控制是关键。所有安装临时支撑架采用角钢立柱格构柱支撑。

支撑架最大承受力约100 kN，用于体育馆内端部桁架的支撑，支撑主要承受自身重量、上部桁架自重传来的荷载、风荷载及施工活荷载。支撑材料强度和截面:钢材采用Q235钢，每个标准节尺寸为 1.2 m ×1.2 m ×0.8 m;其中立杆采用 L100 ×6，腹杆采用L70×6，顶部选用Ⅰ20(H200×100×7×11.4)进行加固。支撑架四周布置缆风绳，缆风绳与水平面夹角在45°～60°之间，缆风绳扣在距支撑底部高16.5 m处。

4.3 分段吊装工艺

由于本工程桁架长度较长，为了保证分段构件在吊装过程中的稳定性，需对主次桁架进行分段吊装。对整个屋盖进行施工模拟，找出桁架最佳的分段方式。施工时主要对主桁架(④轴～⑬轴桁架)、次桁架(Ⓒ轴～轴桁架)进行分段。对主桁架采用扁担梁吊装的方式进行吊装，吊点设置在桁架上弦节点处，每个吊点处吊索与水平面的角度控制在45°～60°。对次桁架进行简单吊装，吊点设置在桁架上弦杆重点。

主桁架两个分段吊装后，在高空中的上下之间的微调采用设置在高空支架上的千斤顶来完成，侧向主要利用支撑架上的拼装胎架来保证构件的相对位置，再利用设置在胎架两侧的千斤顶调整侧向位移，最后调整到构件的安装预定位置进行整体的焊接工作。

5 结语

针对某大型体育馆钢结构屋盖施工过程中碰到的问题，解决复杂节点加工、异型H型钢制作及构件连接等难点，详细说明了桁架预拼装工艺、大型钢结构屋盖的吊装方案等，阐述大型钢结构加工制作和现场吊装中的关键技术，为设计大型钢结构屋盖合理的施工方案提供指导。

［1］ 魏振义.内蒙古某厂展览馆屋面结构的设计与施工［J］.建筑钢结构进展，2005，7(6):89-92.

［2］ 鲍广鑑.钢结构施工技术及实例［M］.北京:中国建筑工业出版社，2005.

［3］ 张平顺.钢结构工程安装施工的几个要点探析［J］.陕西建筑，2005(10):17-18.

［4］ 唐兴国，钟铁毅.北京电视中心高层钢结构施工模拟分析［J］.北京交通大学学报，2006，30(1):59-62.

［5］ 吕振强.大型钢结构厂房的制作安装施工［J］.施工技术，2006(4):38-39.

［6］ 刘灵敬，李瑞鸽，张耀庭.多层轻钢结构住宅施工的探讨［J］.建筑管理现代化，2006(3):35-38.