拉萨市体育场钢罩棚无支撑施工技术

王 策1，刘 峰2，翟鹏程1，高永祥1

（1.北京市机械施工有限公司，北京 100045；2.中国航天建设集团有限公司，北京 100045）

大跨度钢结构近年来在国内发展迅速，主要应用于大型厂（库）房、飞机机库、火车站、大型场馆等跨度要求较高的建筑，主要采用焊接球网架、钢桁架、重型钢结构相结合的结构形式。针对不同的结构形式，如何采用更加科学的施工方法，对大跨度钢屋盖结构的施工质量、安全、进度以及施工成本的有效控制在现阶段显得尤为重要。本工程地处拉萨市，考虑当地施工物资、大型施工设备紧缺而且物流成本极高，体育场钢罩棚采用无临时支撑累积安装的施工方法，施工过程中保证结构体系的自身安全稳定,在国内大跨度悬挑桁架施工技术中有所创新。

1 工程概况

拉萨体育场总长236.86m，总宽179.5m，建筑高度为45.936m，面积约为24 480m2，罩棚钢结构工程量约3 400t。钢罩棚是由单榀空间桁架结构通过环向的空间次桁架与张紧的圆钢支撑相连接而组成的一个空间桁架体系。单榀空间桁架结构由前端悬臂且支撑于看台混凝土柱的空间管桁架与后端下落到二层平台的格构式桁架柱相连而成。

钢结构罩棚由84榀主桁架与336个环向桁架单元、44个支撑单元以及108组水平支撑构成。其中最重的主桁架重量为37t；最轻的主桁架重量为22t。环向桁架单元最重为0.9t，支撑单元最重重量为2.5t。主桁架最大悬挑长度约为23m，最大矢高约4.9m高，最小悬挑长度约为11m，最小矢高约3.6m高。

桁架分为两部分，一部分为格构柱，一部分为桁架梁， 其中桁架梁分为8°和45°两段，格构柱为四肢格构柱，桁架梁45°为四肢管桁架，桁架梁8°为三角管桁架。

钢罩棚结构采用Q345B钢管，钢管共20 534根，截面分13种，最大截面为P325×20mm，最小截面为P89×4mm。钢管连接节点形式为圆管相贯节点及焊接空心球管节点。体育场效果图和结构模型如图1、图2所示。

图1 体育场效果图

图2 体育场结构模型

2 工程特点、难点及对策

1）体育场造型为“马鞍”式造型，所有84榀主桁架均为“フ”字形桁架，每榀桁架的结构断面尺寸不一，横断截面尺寸最大4.9m，拼装精度和变形控制难度大。

对策：采用刚性胎架进行桁架整体预拼装，选择合理焊接顺序，减少焊接变形。

2）工程地处拉萨，施工设备、机具等资源缺少，物流成本极高，且受气候等因素影响，物流时间很难保证。

对策：减少不必要的施工设备和物资的进场，尽量选择公路运输。

3）钢罩棚主桁架悬挑跨度最大27m，“フ”字形主桁架有50%必须分段吊装，若采用整体吊装，吊装机械至少500t履带起重机以上，施工成本不可控。

对策：选择180t履带起重机，将180T履带起重机无法整体吊装的桁架进行合理化分段，体育场内侧采用50T履带起重机进行悬挑段安装。

4）分段吊装时，采用常规方法需要增设临时竖向支撑，施工工期和成本均增加。

对策：采用悬挑无支撑安装方法，两台吊机分别吊着悬挑桁架和环向桁架进行无应力状态下焊接，此方法必须精确计算桁架的起拱值并进行精确的测量控制。

3 施工方案的实施

3.1 施工技术准备

1）分段设计 本工程为空间桁架结构形式，整个钢罩棚84榀主桁架为1/4对称结构形式，安装过程中84榀主桁架被分为两种吊装形式，4个区的HJ22-HJ12总计42榀主桁架采用整体预拼整体吊装的方法；HJ1-HJ11总计42榀主桁架采用分段吊装的方法，将主桁架分为支座段和悬挑段两段，先将外圈支座段全部安装就位，安装方法与HJ22-12的安装方法相同，悬挑段采用50T履带起重机在跨内进行安装，最大悬挑段桁架实际长度约17m，最小悬挑段实际长度约11m（图3）。

图3 主桁架分段示意图

2）吊装机械选择 主要吊装机械及安装方法描述见表1。

表1 吊装机械及安装方法

3.2 施工流程及方法

3.2.1 桁架预拼装

为检验拼装工艺和拼装质量精度以及构件加工精度，在现场进行主桁架的整体预拼装（图4、图 5）。

图5 主桁架整体预拼装示意图2

3.2.2 安装顺序

总体安装顺序：从1-D轴向1-6轴分4个施工区段进行安装（图6）。（即先安装低跨部分，再安装高跨部分）

图6 施工顺序示意图（1-2-3-4）

总体施工步骤：劲性结构支承面测量放线→固定/铰支座安装定位→地面拼装整体预拼桁架→整体吊装HJ22-HJ12桁架，总计42榀，同时安装环向次桁架→安装HJ1-11主桁架的支座段部分，总计42榀→再安装体育场内HJ1-11的悬挑部分，同时安装环向次桁架→合拢完成。

3.2.3 吊装方法

1)主桁架起吊翻身 由于所有主桁架为“フ”字形，且桁架规格较大，因此，在桁架拼装验收完成后，单机是无法完成主桁架起吊翻身工作的，需要根据桁架的重量及现场情况，选择多机配合主吊进行桁架的翻身起吊工作，确保起吊后的空中姿态与设计状态相近（图7）。

图7 主桁架多机起吊翻身

2)主桁架整体吊装 HJ12-HJ22共计42榀桁架为现场整体预拼装并吊装桁架，桁架HJ12-HJ22规格尺寸无一相同，需要精确计算每一榀桁架的重心位置，确定吊点，计算吊索具长度和角度，确保起吊后的桁架空中姿态与设计状态相近（图 8）。

图8 整体吊装主桁架吊装示意图

3)主桁架分段（外圈）吊装 HJ1-HJ11共计42榀桁架为现场整体预拼装分外圈段、悬挑段吊装桁架，桁架HJ1-HJ11规格尺寸无一相同，需要精确确定每一榀桁架的分段位置（分段点不能简单的统一，需要合理避开节点位置并尽量平衡分段桁架重量，避免偏心严重），计算每一榀分段桁架的重心位置，确定吊点，计算吊索具长度和角度，确保起吊后的桁架空中姿态与设计状态相近（图9、图10）。

图10 现场吊装情况

4 主要关键技术及保证措施

1)钢罩棚84榀主桁架组拼成“フ”字形，其中有46榀“フ”字形桁架为整体拼装并整体吊装，“フ”字形桁架包含格构柱和桁架梁，通过焊接球节点连接；“フ”字形桁架最大拼装占地面积约42.5m×36.5m，如此大规格的桁架拼装精度和变形控制必须保证。

保证措施：桁架焊接需保证构件内力在设计允许范围内并合理有效的控制桁架构件焊接残余应力，以减少焊接变形；采用整体刚性胎架进行桁架的整体预拼装，确保拼装精度。

2)体育场钢罩棚混凝土看台结构已经全部完成，由于地处高原地区，大型机械设备进出场时间较长且费用较高，仅选择一台180t大型吊机，每天吊装1榀，3个月内完成整体吊装工作，符合工期要求。

保证措施：每榀主桁架吊装都经过模拟计算，吊机在桁架起吊、行走范围及吊装站位有严格要求，在“フ”字形桁架翻身起吊时，需要有多台吊机辅助。

3)由于在高看台部分，钢罩棚桁架悬挑长度较大，最长达27m，建筑高度为45.936m，支撑体系费用巨大，采用悬挑无支撑桁架安装技术，安全高效地完成施工任务。

保证措施：对每一榀主桁架、环向次桁架以及吊装的先后顺序等做了大量的计算工作，根据桁架累计安装过程中的位移及应力变化，编制了详尽的专项安装方案，确定了哪些桁架必须同时安装，哪些环向桁架必须后续安装等，确定每一榀桁架的端部起拱值，确定悬挑桁架须焊接完成后且环向桁架安装完成后方可吊机卸载，采用2台全站仪现场跟踪测控桁架的安装和焊接情况，在每榀桁架的测控点上贴反光片，在安装固定、焊接过程中、焊接后、吊机卸载后分别记录测控点的坐标，以分析实际安装结果与对比模拟计算结果，对后续安装方案进行控制内微调。

5 结 论

大跨度悬挑桁架无支撑安装施工技术的实施克服了空间三维定位技术难题，保证了工程安装精度；通过合理焊接顺序及工艺减少了大截面桁架拼装焊接应力和变形；通过计算机对大跨度悬挑桁架无支撑安装施工过程模拟分析，确定施工顺序，优化施工工艺，施工实测与模拟分析结果基本相吻。

通过与相关专家的讨论，不建议采用此类施工方法进行施工，对结构自身多少会有些影响；但对于施工环境特殊、施工成本高、施工工期紧且结构自身强度和稳定性较高的结构形式，选择突破传统的施工工艺能够保质保量并安全高效的施工方法也不失为一种好的选择。 O