大型钢结构环形桁架施工技术*

广厦建设集团有限责任公司 杭州 310012

1 工程概况

乐清市体育中心体育馆钢结构屋盖平面投影呈椭圆形，南北长约148 m，东西宽约128 m，屋面最高标高为28 m。屋盖结构采用索桁式弦支体系，由单层曲面网格结构和空间索桁体系杂交而成（图1）。由周边V形柱和上下环梁形成的钢结构环形桁架作为屋盖支撑体系。钢结构用量约为3 000 t，构件材质为Q345B。V形柱采用φ900 mm×25 mm圆管截面，共计24根；上下2 道环梁采用圆管截面，分布于V形柱顶部和中上部，上环梁构件截面φ1 700 mm×35 mm，下环梁构件截面φ1 000 mm×30 mm。

图1 钢结构轴测示意

2 总体安装方案

体育馆环形桁架，采用2台SC1500型1 500 kN履带吊在馆外侧由长轴两端采取对称站位进行吊装。V形柱吊装分段为相邻2段斜钢柱形成1个倒V形，同时在上端部两侧各带450 mm长的上下环梁端头以方便环梁连接。环梁按每一个柱距为一个吊装分段。现场吊装时首先安装相邻的2段倒V形柱吊装分段，然后吊装V形柱间的下环梁分段。当相应的径向梁和环梁吊装完成之后再吊装上环梁分段和上下环梁间的连杆。依此顺序完成环形桁架的吊装[1,2]。

3 吊装施工技术

3.1 倒V形柱地面拼装

使用全站仪将倒V形柱的各分段轴线放样至地面上→设置拼装胎架，并对胎架位置和标高进行测量调整→安装倒V形柱顶部带节点的分段→安装倒V形柱下部的分叉段→用经纬仪复核并校正，进行焊接操作，完成拼装[3]

3.2 吊装施工顺序

先吊装预埋段Y形钢柱，然后吊装倒V形钢柱，接着分段吊装下环梁，再分段吊装上环梁。当体育馆现场土建施工符合钢柱预埋条件时，钢结构进场进行钢柱预埋段的安装；当土建地基基础结构完成后，在馆外侧布置2台1 500 kN履带吊进行吊装施工。

3.3 倒V形钢柱吊装

倒V形钢柱长度为26.90～26.99 m，质量为30.26～30.35 t，采用1 500 kN履带吊单机回转法直接起吊，满足吊装要求。2台1 500 kN履带吊同时从椭圆短轴部位进行对称吊装作业，在柱上环梁端头设置吊点，钢丝绳从柱上环梁端头穿过。当倒V形钢柱起吊至设计位置时，采用设置在倒V形钢柱柱脚的牵引绳进行调整就位，通过焊接在柱上的连接耳板和高强螺栓进行临时固定。先通过千斤顶调整倒V形钢柱的标高，然后利用安装卡具调整上下柱接头错边，再利用全站仪检测各个基准点和外形线的实际位置，同理论位置进行比较后进行构件的精确调整，达到误差要求后按照既定的焊接顺序对该吊装段的构件进行焊接固定[4-6]。

3.4 上下环梁吊装

下环梁各段长度为15.39～15.43 m，最大质量为11.07 t；上环梁各段长度为15.87～15.99 m，最大质量为22.97 t，采用1 500 kN履带吊满足吊装要求。环梁吊装前，应清理钢梁表面污物；对产生浮锈的连接板和摩擦面在吊装前进行除锈。在地面用临时螺栓把连接板固定在梁的两端，将高强螺栓装于工具包，并将工具包绑在离梁端1 m位置处。钢梁吊装就位时要注意钢梁的上下方向及水平方向，确保安装正确。起吊就位后，先用撬棍再用冲头（冲钉）调整好梁的准确位置，然后夹好连接板，当连接板与螺栓孔对正后，临时螺栓拧紧固定，即可脱钩。整个安装过程中，与梁连接的柱必须由全站仪对柱的坐标进行跟踪监测，柱的坐标偏差值要控制在允许范围内。

4 现场焊接施工

4.1 焊接特点

环梁节点形式复杂，焊接质量要求高；钢柱对接、钢梁对接，基本上是高空焊接，焊缝质量等级均为一级焊缝。Q345B钢材焊接质量控制困难，精度要求高；环形桁架呈椭圆形，南北长约为148 m，东西宽约为128 m，焊接变形控制尤为重要。根据工程特点，考虑焊接效率和操作难度，决定采用CO2气体保护焊。

4.2 整体分段施焊

为了使环形桁架均衡承受焊接应力，把整个钢结构环形桁架分成8个施工段，由2个作业班组同步对称进行焊接施工，确保焊接参数一致。焊接时采用多层焊接的方法以减少构件纵向变形，每层起弧点相距30～50 mm，避免缺陷集中在一处。

4.3 杆件焊接顺序

斜柱钢梁组焊时应采取合理的焊接顺序，同一根柱子两侧的节点焊接必须同时进行，以保证钢柱左右对称受力，确保钢柱角度正确；同一根梁的两端焊接采用一先一后的方法，一端焊接完成并且焊缝温度冷却到常温，焊接应力有效释放后，再进行梁另一端的焊接施工。

4.4 合拢缝设置

由于平面呈椭圆形的环形桁架，南北长度达到148 m，东西宽度达到128 m，焊接应力与变形很大，为了有效消除焊接应力，决定在体育馆环形桁架的2-28轴、7-9轴、14-16轴、21-23轴设置4条合拢缝，在合拢缝施焊封闭前，尽量使4个区间的桁架焊缝能比较自由的收缩，尽可能多地释放焊接应力。等环形桁架所有的焊缝都施焊完成并且冷却至常温后，再进行4条合拢缝的焊接。

4.5 焊接工艺

钢柱、钢梁截面为φ900 mm×25 mm、φ1 700 mm×35 mm、φ1 000 mm×30 mm的圆管。对接焊接时将高空操作平台安装在柱对接位置以下1.2 m处，配备2名焊工焊接。施焊前，焊工应检查焊接部位的组装质量，如不合要求，应修磨补焊合格后方能施焊。坡口表面不允许带有污泥杂质、油污、氧化皮等影响焊接的物体。单个构件焊接时采用2人对称施焊，每焊1层都要认真清渣。

5 施工监测

体育馆钢结构屋面采用了预应力技术，施工过程中对环形桁架等主要构件进行了施工监测。由于上环梁直接与主动受力索连接，因此对环形桁架的上环梁应力采用应变传感器进行监测，测点布置如图2所示。监测结果显示，上环梁的应力变化总体上与施工过程的结构受力变化规律吻合较好。无论是张拉阶段还是屋面板施工阶段，上环梁的应力变化较小，变化值大多在20 MPa以内[7,8]。

图2 上环梁应力测点布置示意

6 结语

乐清体育中心体育馆环形桁架净空高、断面大，施工难度大，通过科学设计、合理施工，确保了钢结构的顺利安装，保证了安装精度，有效控制了结构变形，取得了良好效果，工程获得了2013年度中国钢结构金奖。