大跨度体育场馆钢结构施工技术的研究

朱敬东

安徽体育运动职业技术学院，安徽合肥 230051

计算机技术与有限元分析方法的快速发展让大跨度钢结构得到了良好的发展，不仅结构造型新颖，在跨度上也不断增加，施工难度整体增加。虽然大跨度钢结构没有明确的统一标准，但不同的结构形式与场地条件也会让施工技术有所差异，这也是本文主要的研究方向。

1 工程案例

1.1 工程概况

某市体育馆为大型综合体育中心，具备举办城市运动会的水平。屋盖结构体系包括45°倾斜的三角形变断面钢桁架拱与钢箱型梁组成的中空马鞍型空间结构，屋盖结构体系在不同荷载组合的情况下具有显著的线条层次感。另外，屋面覆盖了轻钢檩条与铝合金面板，钢结构中还包含焊接的空心球网架。

1.2 工程难点

从工程的主要难点来看，在整体的结构体系未明确之前，屋面系统与主拱并不是独立的结构静定体系，结构体系与构造相对复杂。相比于传统的壳体结构与拱结构，体育场的结构体系包括钢桁架拱与马鞍形屋面网格，在体系上更加复杂。另外，工程选用的铸钢节点也是技术难点所在。在支撑胎架的设置上，为了保障结构稳定性，在主拱与屋面安装时设立了临时的支撑系统，此时既要保障支撑系统满足受力的要求，还需要防止混凝土结构出现损坏的情况。尤其是体育场的大跨度钢结构，分段吊装的难度较大，主拱施工时间过长也会有因温度导致的应力问题的潜在风险[1]。例如，在大跨度桥梁中，尤其是悬索桥，由于钢结构质量太轻，我们甚至要往钢箱里面添加配重，改善其动力特性。对应的房屋结构中要采用钢结构与混凝土核心筒配合，来解决刚度问题。例如，帝国大厦就是钢结构的超高层，解决的关键问题就是钢结构高层抗风能力。

1.3 施工方案选择

考虑到工程概况，在施工方案的选择上确定了以支撑胎架配合吊机施工的作业方案，分为不同的组装结构，在屋面系统吊装完毕之后再进行分段吊装，待安装完毕后最后再将支撑胎架拆除。

2 大跨度钢结构施工技术探究

2.1 支撑结构设计

结合空间结构的特点和实际的工况，对支撑胎架的稳定性和受力情况进行计算，然后在屋面系统箱型梁下设置支撑胎架，安装完屋面系统后进行主拱的安装。此时主拱部分需要先安装连接屋面箱型梁的M杆，合理地利用结构本身的支撑能力，降低主拱支撑的高度，提升稳定性。此外，为了保障结构的整体传力要求，主拱的安装精度与荷载需要进行严格控制，能否通过箱型梁传递到支撑胎架成为了主要的技术重点。如建筑史上最早的支撑结构设计出现在公元前14年的古罗马万神殿，大殿为直径43.5m半圆球型穹顶，净高43.4m，中央8.9m直径采光孔，充分展现拱的作用，用砖石抗压，使压力在拱内形成力流。

例如，在钢结构杆件的安装过程中，可以先在混凝土结构平台上搭设外环支撑，形成一圈格构式钢管桁架结构，形成支座节点，然后完成内环支撑的搭设，让内环支撑结构能够分布在钢结构内环网架区域正下方[2]。钢结构杆件的安装过程中会搭设临时支撑体系，在主体安装完毕合拢结束后也会将临时支撑拆除，此时需要考虑到结构内力与变形产生的变化。施工阶段例如图1所示。

图1 施工示意图

最后的阶段是预应力拉索的施工阶段。此时为了提升索力控制的稳定性，张拉施工过程应该在卸载完毕之后进行。

2.2 重型结构安装

箱型梁作为大跨度重型结构，在安装时需要与V型支撑进行连接，形成整体结构，防止箱型梁因稳定问题出现位移、下滑等。在主拱的施工方面选择卧式连续拼装，先通过三维建模方式确定胎架位置，然后进行分段吊装。需要注意的是重型结构的安装过程中必然会受到外部环境的影响而出现误差，例如温度导致的精度误差问题，主拱安装可能会受到阻碍，此时为了保障合拢段的施工质量，施工方需要先进行观测，分析主拱面临的受力情况，计算应力、合拢温度，选择焊接方案等，尽可能降低潜在的误差。

2.3 巨型桁架吊装

桁架吊装方面需要结合桁架的特点与现场施工环境，结合工期要求来选择拼装与吊装的方案。施工方可以借助起吊机来进行双机抬吊，尤其是在下注吊装工作中，需要控制好吊点，便于起吊过程中钢丝绳得到合理的转动。在桁架柱吊装的平衡施工上，吊点靠近内侧的区域应该接近外柱内侧腹板位置，保障吊绳受力，并减少钢丝绳滑动可能出现的磨损。

主桁架的施工选择要结合主桁架的分段形式来设置吊点。通常情况下吊点设置分为两种情况。中圈、外圈的桁架选择两点吊装，而内圈主桁架选择三点吊装，设置两个辅助吊点与一个主吊点。为了保障主桁架与支撑结构的安全，如果是首件吊装的桁架，需要在桁架上弦节点位置加劲，自由端设置侧向风绳，当固定措施完毕之后再进行松钩[3]。

2.4 合拢技术

某些大跨度体育场的钢结构工程量大，在结构安装的工期方面需要耗费一定的时间，温度应力与极限温度变形情况需要纳入考虑范围之内。在合拢技术的使用方面，为了保障其性能与施工质量，安装完合拢段之后，需要在除合拢口之外的所有区域进行焊接连接。至于合拢口，则使用卡马搭接，在数量上结合接口受力情况来进行规划。

例如，国家体育场就按照实际的施工要求，在钢结构的合拢方面进行了技术优化。首先进行了施工区域内部的合拢，并考虑到温度变化带来的影响，在温度稳定的夜间展开合拢工作。而合拢口数量众多也会导致焊接工程量的增加，因而施工时也将合拢口的卡马进行了焊接，然后进行合拢口焊缝焊接。

2.5 悬索结构

以我国北京工人体育馆为例，它是我国第一座以大跨度圆形旋梭结构的综合体育馆，旋梭结构是由柔性受拉索及其边缘构件形成的结构。这种结构具有显著的抗拉性能，材料强度高，跨度大、便于施工。索材料可以选择钢丝绳、钢绞线、圆钢等受拉性能好的线材。所以近代的悬索结构，除了应用于大跨度桥梁工程外，还在体育馆、飞机库、展览馆、仓库等大跨度屋盖结构中应用。

2.6 监测工作

大跨度体育场的钢结构施工中还应该做好监测工作，可以从以下几个方面展开。

位移监测。位移监测的结果是结构是否发生位移和误差的判定标准，并可以为施工方案的调整提供解决的方案。在施工中可以对空间位移与竖向位移进行监测，贯穿于施工的全过程中。例如，选择大地测量技术，在监测节点上粘贴反光片，设置多个观测区域，结合空间坐标变化情况来判断空间移动的趋势。

应力监测。钢结构杆件的应力会发生变化，尤其是在拆除支撑的过程中，承载力分析是安全保障的关键内容。施工时可以选择无线应变计来进行监测，可以直接在任何时间段采集变化数据，反映结构的准确应力水平。

温度监测。由于大跨度钢结构施工过程受到温度的影响程度较大，甚至直接影响到结构杆件的安装，此时即便使用有限元进行模拟和分析，也应该考虑到温度的影响，在温度修正后得到结构的实际受力状态与数据[4]。例如应力监测使用到的无线应变计也带有温度监测的功能。

索力监测是针对预应力拉索的张拉进行的监测。通过索力监测的数据可以判断预应力拉索施工的范围，保障结构受力能够满足设计的相关要求。通常情况下选择索力动测仪来进行索力监测，确保监测结果。

3 结语

本文结合某体育馆的大跨度钢结构施工进行了施工技术的分析和监测，并研究了相关技术的优化方案。从整体的施工过程来看，需要结合施工的形式、工况条件与工期要求来选择合理的施工方案。例如，对于一些施工面积较大的钢结构，可以选择分段吊装、设支撑结构的方式；如果空间刚度较大，则可以采用地面拼装等。具体方案选择中还可以综合利用不同的方案，发挥技术的优势所在。