大跨度双层双向曲面桁架钢屋盖施工

鲁宇平 胡彦超 张泽忠 范昌宙 成 朋 施向南

中建钢构有限公司 江苏 靖江 214532

近年来，随着我国经济、技术的飞速发展，大跨度钢结构已越来越多地被应用于建筑领域，尤其是在各类场馆中，大跨度钢结构技术的应用已越来越成熟[1-2]。同时，计算机技术的飞速发展，使得更多结构新颖、体系复杂、施工难度大的大跨度结构出现在公众视野中。设计中大跨度结构往往采用钢结构体系，这是因为钢材本身具有自重轻、强度大的优点。从最初的单层桁架，发展为双层桁架再到现在的空间桁架结构体系，大跨度桁架结构类型越来越多样，结构形式越来越复杂，大跨度钢结构的施工技术也愈发成熟。本文将重点介绍大跨度双层双向曲面桁架钢屋盖施工技术，从钢屋盖安装方法选择、临时支撑措施、钢屋盖卸载等方面介绍大跨度钢屋盖施工关键技术，为同类工程施工提供参考。

1 工程概况

上海海昌极地海洋公园坐落于上海市浦东新区临港新城，总用地面积约297 000 m2，规划总建筑面积约205 000 m2，建成后将成为世界上最先进的第五代大型海洋公园。海豚表演场位于整个公园的东区，其屋顶采用大跨度钢屋盖结构形式，为双层双向曲面桁架结构体系，钢屋盖底标高约为17.88 m，顶标高为22.88 m，主桁架最大跨度59 m，次桁架最大跨度100 m（图1、图2），采用相贯焊接节点，所有构件均为圆管截面，构件总数约2 000根，材质均为Q345B。钢屋盖与混凝土结构通过支座相连，共布置27个支座，包括双向滑动支座、单向滑动支座及固定铰支座。

图1 海豚馆钢屋盖示意

图2 钢屋盖主次桁架布置

海豚表演场馆内混凝土结构形式复杂，现场施工条件较差，起重设备无法在馆内进行施工。施工方法的选择与制订尤为重要，本文着重介绍安装工艺、临时支撑搭设及钢屋盖卸载技术。

2 钢屋盖施工的重点及难点

1）海豚表演场结构形式为双层双向曲面桁架，主桁架沿纵向布置，次桁架沿横向布置，且为空间曲面结构体系，跨度大、构件数量多、施工条件差、安装难度高。必须结合实际施工工况，制订合理的施工方案，选用最优的分段及吊装顺序。

2）整个海豚表演场共划分了14个分块吊装单元，分块桁架单元需在地面进行拼装。地面拼装的精度是质量控制的重点，若地面拼装阶段管桁架安装精度出现较大偏差，则会造成高空桁架无法对接的严重后果，进而影响整个钢屋盖的安装精度。因此，科学合理的拼装方法及拼装胎架布置是管桁架地面拼装过程中的重点。

3）考虑到大跨度钢屋盖施工过程的结构稳定、施工安全及可操作性，安装过程中在钢屋盖底部搭设临时支撑胎架。支撑胎架的平面布置及立面设计尤为重要，且胎架整体的空间稳定也对海豚表演场的施工安全有着决定性的作用。临时胎架的设置既要满足施工阶段承载力要求，又不能对下部混凝土结构产生破坏，还需考虑施工方便、安全，且随着钢屋盖的安装，支撑胎架自身的受力也随之不断变化，故支撑结构的设置、计算、分析十分复杂。

4）钢屋盖施工完成后，需对支撑结构进行整体卸载，卸载不仅仅是拆除临时支撑的过程，更是对钢屋盖自身加载的过程。随着卸载过程的进行，荷载在不断地转移，结构自身杆件的应力也在不断变化。且空间桁架结构传力途径不明确、杆件受力情况复杂，各节点杆件刚度、强度均不同，空间结构体系平面外稳定性差，卸载过程对钢屋盖自身的变形影响较大且造成的沉降不均匀。卸载工艺、卸载顺序、卸载方法均会对钢屋盖及支撑结构的自身稳定产生一定的影响，支撑结构卸载难度大。

3 施工技术

3.1 大跨度钢屋盖安装

3.1.1 分块安装＋高空原位安装

大跨度桁架常见的安装方法包括整体提升法、高空原位散装法、分块安装法。由于海豚馆钢屋盖下方为观众看台及泳池，楼板标高均不在同一高度上，无法满足在馆内进行管桁架地面拼装的施工条件，且搭设大面积满堂脚手架的施工难度大，故整体提升法和高空原位散装法不适合本工程钢屋盖的安装。

考虑以上条件，结合现场塔吊布置，采用分块安装与高空原位安装相结合的施工方法，分块单元地面拼装完成后利用300 t汽车吊吊装，高空原位安装部分则利用现场的一台TC7525塔吊进行安装。

海豚馆东北侧布置了一台TC7525塔吊（60 m工作半径，端部吊重3.9 t），钢屋盖靠塔吊一侧区域采用高空散装的施工方法，其余部分采用分块安装的方法，安装顺序为从西向东、由北到南（图3）。

图3 施工区域划分及塔吊布置

按照既定的安装顺序及施工方法，利用计算软件模拟钢屋盖动态施工过程，最大位移为4.49 mm＜59 000/400=147.5 mm，最大应力值为38.66 MPa＜310 MPa，均满足要求。

结构最大应力比为0.27＜0.85，满足要求，表明施工顺序及方法安全可靠。

3.1.2 分块方案及吊重分析

海豚表演场钢屋盖分块安装区域共分为14个分块单元（图4），分块单元的划分须结合汽车吊起重性能（包括现场汽车吊站位）、钢屋盖整体安装顺序、现场工况等。考虑以上因素，将钢屋盖主桁架、次桁架、环桁架、次杆件及斜撑进行组合，共划分了14个块状单元，分块单元均采用300 t汽车吊（德玛格300 t全路面汽车吊：臂长43 m，工作半径24 m，额定起重质量31 t）进行吊装，最大一块分块单元（单元⑤）面积为12 m×16 m，质量约为27 t，满足要求。

图4 分块单元及吊重分析

3.1.3 现场施工场地规划及布置

海豚表演场钢屋盖施工的同时，现场还有桩基、管廊、土建等多家施工队，并且钢屋盖构件数量多，还涉及地面拼装、大型汽车吊站位等多个因素，因此现场施工场地的合理布置至关重要，需结合现场施工进度做到构件堆场、拼装场地的动态调整。

300 t汽车吊共分4个站位（图5），图5中虚线为汽车吊行进路线。汽车吊1#站位吊装①～③、⑤～⑧分块单元，拼装作业在A块场地进行；2#站位吊装④、⑨分块单元，3#站位吊装⑩、⑪分块单元，4#站位吊装⑫～⑭分块单元，该部分的地面拼装在B块场地进行。单元间的连系杆件利用80 t汽车吊安装，其余散装区域均利用总包TC7525塔吊吊装。

3.2 地面拼装工艺

地面拼装成单元后再分块吊装，既可大大减少高空作业量、降低施工危险，也可以提高施工效率与质量，地面拼装吊装设备采用一台25 t汽车吊。

3.2.1 地胎的搭设

由于海豚馆钢屋盖为空间曲面结构，每榀桁架都存在斜度，桁架之间也有高差，因此地面拼装必须搭设地胎。地胎搭设须简易方便，同时也必须保证利于拼装的精度与焊接质量的控制。

地胎搭设在海豚馆西侧及南侧的空旷场地上，根据分块单元的大小，标准的地胎面积为12 m×6 m，局部较大单元可对标准地胎进行改造（进行局部接长），地胎统一由高300 mm工字钢制作而成。在地胎纵向主钢梁上搭设2排立柱，立柱侧面再搭设一根支撑以保证地胎在拼装阶段的侧向稳定性，事先在CAD图纸中放样得出每个单元内主桁架之间的高差，再根据每榀桁架之间的高差在地胎每根立柱相应高度上焊接2个牛腿，牛腿既可用于支承桁架保证稳定，也是控制其空间相对高度位置的关键（图6）。

图5 现场施工平面布置

图6 地胎示意

3.2.2 拼装精度控制

拼装精度主要利用全站仪进行控制，选取每榀桁架两端的上下弦作为控制点（图7），在平面布置图中可拉取控制点的平面坐标，再由剖面图中的标高控制其立面高度（根据高差决定立柱上牛腿的标高位置）。

图7 控制点选取及标高控制

3.3 支撑结构体系设计

3.3.1 支撑胎架的平面布置

根据海豚馆分块单元的划分，综合考虑现场钢屋盖下方的混凝土结构，总共设置了12组支撑胎架（图8）。由于钢屋盖为曲面结构，胎架的平面位置决定了胎架立面的高度，所以胎架施工前应事先在图纸中标出每个胎架支腿及胎架中心的坐标定位，且胎架的支腿必须落在看台梁上，不得直接落在看台楼板上（考虑楼板承载力不足），支腿无法直接落在梁上的胎架在其底部搭设转换梁，将上部荷载传递给下方看台梁。

图8 支撑胎架平面布置

3.3.2 支撑胎架底座及调节段设计

支撑胎架的立面设计包括胎架底座设计、标准节选用及顶部调节段设计，合理的胎架立面设计是保证顺利施工的重点。底座的设计在便于施工的前提下需保证胎架主体平稳；顶部调节段的设计则需保证适宜的安装、焊接空间，一般调节段高度取600 mm左右。

钢屋盖下方为观众看台，楼板为阶梯状，大部分胎架的支腿都无法直接落于同一标高楼板上（存在高差）。先在图纸中放样找出胎架每个支腿位置的楼板标高，得出支腿底部高差，利用型钢搭设转换梁及胎架底座（图9），将底座的立柱立于看台梁上。

此外，胎架的立面设计高度还需考虑钢屋盖整体起拱的数值，根据设计要求，海豚表演场钢屋盖起拱仅需考虑自重产生的挠度，不考虑其他施工荷载。施工前先利用Midas软件计算钢屋盖在自重下产生的下挠，胎架支撑位置屋盖设计标高加上该位置下挠的数值即为实际安装高度。

图9 胎架底座设计

3.4 支撑胎架卸载

3.4.1 卸载流程

整个屋架结构安装成形后，需要进行结构卸载。现场拟采取同步、分级的卸载方式。结构卸载后整体最大下沉值50 mm，此时可以分成5次卸载，每次卸载值10 mm，每次卸载时采取工人同步卸载，从中间向两侧进行以保证结构安全。卸载前根据每个胎架顶部的理论下挠值，以10 mm为一格，在顶部调节段上画出刻度线，每次用火焰切割刀割除10 mm（即一格），待全部胎架都卸载完10 mm后，再割除下一个10 mm。以此类推，若胎架割除的调节段长度已超过理论下挠值而钢屋盖还未与胎架脱离，需立即停止卸载，进一步复核后才可进行施工。

3.4.2 卸载过程位移监测

钢屋盖卸载前，事先在应力及位移较大处选取12个位移监测点，实时动态监测位移变化，卸载完成后待钢屋盖自身荷载全部加载完成，再监测控制点的下挠值，并与计算模拟得出的数值进行对比。测量结果显示，实际下挠值与模拟下挠值吻合度很高，卸载方案科学可行。

4 结语

针对大跨度钢屋盖的施工，常见的安装方法包括整体提升法、分块安装法、原位散装法，施工方法的选取还需结合现场实际施工工况。根据实际施工条件，本工程采用“分块安装＋高空原位安装”的方法。本文结合工程实例，通过分析大跨度双层双向曲面桁架施工技术，介绍了施工方法的选择、地面拼装的工艺、支撑结构的布置以及钢屋盖卸载技术，取得了一定的施工经验，可为大跨度钢屋盖的施工提供参考。