体育场钢劲性混凝土、钢结构和索膜罩棚结构相结合的施工技术

何建波 陈少华

上海绿地建筑工程有限公司 上海 200232

1 工程概况

1.1 建筑概况

海口市五源河体育场主体结构由混凝土看台结构和屋盖罩棚结构组成，两者共同受力并形成整体。混凝土看台结构通过变形缝划分为东、西看台2个独立的结构单元；屋盖罩棚对应看台结构变形缝划分为独立的结构单元，并分别支承在看台结构上，体育场南北长约250 m，东西长约268 m（图1）。

图1 工程效果图

1.2 看台内部钢结构

本工程东、西看台主体结构分别为钢筋混凝土框架结构、钢筋混凝土框-剪与消能黏滞阻尼器结合的结构形式。看台部分构件采用型钢混凝土梁、柱及钢柱的形式。型钢混凝土柱主要为十字劲性柱，少部分为H形劲性柱及箱形劲性柱；型钢混凝土梁为H型钢梁。西看台外排斜柱采用箱形钢柱，内排斜柱采用十字形钢柱。

1.3 西看台屋盖罩棚结构

西看台屋盖罩棚结构由上下压环梁结构体系和索桁架结构两部分组成。最外侧的上下压环梁体系主要由圆管与斜撑组成，下压环梁截面是φ1.2 m的圆管，板厚为30、40 mm，上压环梁截面是φ1.5 m的圆管，板厚为30、35、40、45 mm，圆管之间采用法兰连接，下压环梁与滑移支座通过短柱连接；内侧索结构由20榀索桁架组成，最大悬挑尺寸65.6 m，最低点标高为16.315 m，最高点标高60.923 m。内环索直径为115 mm，上径向索直径为90～100 mm，下径向索直径为90～95 mm，悬挂索直径为24～32 mm。

1.4 东看台罩棚承重结构

东看台罩棚承重结构主要采用倾斜的“7”字形变截面倾斜柱和悬挑钢梁组成。倾斜柱采用□450 mm×200 mm×20 mm×20 mm，悬挑梁采用□（450～150） mm×200 mm×20 mm×20 mm，柱脚与看台埋件通过焊接方式连接。

2 施工难点分析

本工程中结构构造复杂，型钢柱、梁规格类别多，节点构造复杂，深化设计工作量大、难度大，如何保证深化设计的及时、准确也是一大难点。

1）钢结构安装过程中，结构不但受风荷载的影响，而且也会因日照和温度等天气变化而变化，使结构的空间位置始终处于动态变化状态，劲性斜柱最大垂直高度达34 m，斜度达到26°，空间定位复杂、测量放线难度大，对测量控制的方法和测量精度提出了高要求，现场安装测量控制也是本工程一大难点。

2）由于结构构造复杂、构件截面尺寸大，制作、运输、安装难度大，尤其是①、㉒轴线内环索支座部位单支构件逾52 t；罩棚上下的压环梁制作、安装，及灯塔结构制作、安装（安装高达60.923 m），也是工程中的难点。

3）本工程中钢构件现场焊接工作量大，大部位构件板厚均在35 mm以上，南北两端环索支座部位最厚板厚达150 mm，在焊接过程中容易产生根部裂纹、表面裂纹、层状撕裂、焊接效率低、焊接应力大、焊缝组织粗大、冲击韧性较低等焊接问题，如何保证焊接质量也是本工程的一大难点。

4）本工程中西看台的罩棚采用索膜结构，径向最大悬挑尺寸为65.6 m，内环索跨度达227 m，施工过程复杂。如何拟订施工方案，保证施工完成后达到设计要求同样是本工程一大难点。

3 施工阶段过程控制要点

3.1 施工总体工艺流程

本工程钢结构总体施工顺序为：看台基础内锚栓预埋→东西看台±0.00 m以下结构施工→土建地下室施工→东西看台±0.00 m以上结构施工→土建地上结构施工→东西屋面罩棚结构施工→灯塔结构施工→索结构施工→膜结构施工→完成钢结构主体工程→其他零星部位施工。

3.2 钢结构测量放线要点

1）移交资料的复测。复测场区平面控制网、高程控制网及同钢结构关联的土建结构相互关系。

2）平面控制网的建立。构建钢结构专用平面控制网、控制点应不受施工影响，且使用方便和通视。

3）控制网布设原则。遵循“先整体，后局部”的二次布网原则。

4）平面控制点选择。平面控制点应两两通视、土质坚硬稳固，便于点位长期保存、采用混凝土标桩埋设。

5）高程控制网的建立。高程控制网的水准点直接布设在平面控制网的网点上，并按照路线进行各水准点间的闭合观测。

6）构件安装的测量校正。测量校正包括钢柱地脚螺栓、钢柱、钢梁、网架及桁架等。

7）构件安装的变形监测。主要为结构变形及沉降观测，在劲性结构安装完成后设置变形监控点，并在构件施工过程、每一施工段完成，最后主结构施工完成时，通过设置的变形监测点的变形值分别进行记录并汇总。

3.3 钢结构加工制作控制要点

1）焊接H型钢加工制作。制作主要难点是H型钢组装时的装配精度控制、焊接变形控制和H型钢的整体收缩应力的控制。利用H型钢生产线来确保H型钢的标准统一，采用自动组立机来控制装配精度，选用先进的焊接工艺来控制焊接变形，采取机械校正来保证其外形尺寸的正确性。

2）箱形构件加工制作。选用德国进口的ESAB数控切割机，坡口加工采用半自动切割机两边同时加工，保证钢板两边受热均等，不产生旁弯和变形；采用BOX专用组立机，确保箱形构件隔板的定位精度及形位公差；使用美国林肯双弧双丝焊机，控制BOX焊接（埋弧焊）的质量；利用轨道式摇臂钻，保证钻电渣焊孔的精度；选取日本进口电渣焊机，确保电渣焊的焊接质量；选择割枪、端面铣、美国八抛头抛丸机、德国高压无气喷涂机，以确保切帽口、校正、铣端面、抛丸涂装等的质量。

3）十字柱加工制造。现场制作简易胎架（图2），保证下料和装配的准确度。

图2 十字柱组对简易胎架

3.4 钢结构焊接质量控制要点

本工程钢结构安装阶段的焊接主要有焊接圆管、H型钢、箱形构件、钢圆管等构件的焊接，尤其是厚板的焊接等，现场采取合理有效的焊接技术、焊接工艺以控制焊接质量。

1）焊接人员的确定。选定经专项培训、取得中级及以上职称并有一年以上焊接经验的焊接技术责任人员；挑选经专项培训、有焊接实践经验并具有质检上岗资质证的焊接质检人员。

2）焊接工艺方法及焊接设备。主要焊接方法有手工电弧焊、CO2气体保护焊等；使用的主要焊接设备有：直流手工电弧焊机、交流手工电弧焊焊机、CO2气体保护焊机、焊接材料烘焙设备及焊条保温筒等。

3）引弧板、引出板和衬垫板的设置。其钢材强度小于被焊钢材强度，且具有与其相近的焊接性；在接头端部应设置焊缝引弧板、引出板，并在其延长线上引弧和终止；钢衬垫应与接头母材金属贴合良好，焊缝连续；且有足够的厚度以防止烧穿，并保证钢衬垫与焊缝金属熔合良好。

4）厚板焊接工艺的选定。选用合理的接头坡口形式、低氢焊接材料；采用多层窄焊道焊接来确保韧性；分层焊接的每道焊缝收头错开50 mm，控制层间温度高于预热温度，必要时进行中间消氢热处理；焊后处理采用后热和消氢处理。

3.5 钢结构安装控制要点

1）预埋锚栓安装。混凝土垫层浇捣完成后，绑扎钢筋、埋设锚栓，对预埋锚栓进行平面定位，安装定位板并调至设计标高，固定预埋锚栓，使其在混凝土浇捣时不产生位移，预埋锚栓安装完毕后，土建进行支模，然后浇筑混凝土。

2）南北剪力墙处劲性钢结构安装。根据吊装机械分段，采用2层一节，较重钢柱按照1层一节进行分段。劲性钢梁采用塔吊吊装。南北侧剪力墙内压环梁支座质量为52 t，采用600 t履带吊四点安装。

3）西看台上压环梁临时支撑布置。临时支撑均按照压环梁结构的正投影位置布置，且设置在压环梁节点附近，每个节点处设置1组临时支撑，临时支撑垂直设置在压环梁结构下方的混凝土结构看台上。临时支撑主要设置在混凝土梁或混凝土梁与混凝土柱交接位置（图3）。但是ZC-2支撑设立位置正好处于4层和5层看台内边沿的悬挑结构处，此处悬挑结构板薄，不便加固，此悬挑的混凝土结构施工时已预留支撑安装位置的悬挑楼板暂不施工，待钢结构施工完成，拆除临时支撑时，再对该处进行补缺。

图3 临时支撑设置立面示意

4）西看台屋面罩棚钢结构安装。安装前，对西看台压环梁吊装工况进行分析，选取支座最低位置，此时构件长约18 m，质量约34.6 t。南北两侧同时吊装并安装压环梁，中间段最后施工。

5）东看台屋面罩棚钢结构安装。东看台上部的罩棚结构截面为L形、箱形变截面结构，钢柱下部与混凝土柱顶部预埋件焊接连接。罩棚钢结构悬挑长约4.5 m，结构吊装采用分片地面拼装后整片一次性吊装就位。根据吊装工况分析，罩棚结构拼装后，共计54片吊装单元，每片质量约1.6 t，罩棚安装后顶部最高标高21 m，吊装使用100 t履带吊。履带吊采用主臂工况，臂长54 m，吊装半径33 m时，起吊高度达44 m，额定吊装质量满足吊装要求。

3.6 索膜罩棚结构安装控制要点

3.6.1  索结构安装

1）环索的铺放。先铺设环索操作平台，搭设高度为2～3 m。然后利用3台吊车将最内侧环索吊放到操作平台并依次铺放其他位置环索。

2）吊装索夹。利用吊车吊装索夹，将下层环索与索夹相连，利用倒链和横担将拉索提升至索槽，然后拧紧盖板螺母。再按照铺放下索的方法铺放上索，将标记点对齐并拧紧盖板螺母。

3.6.2  索网张拉

1）张拉的先序工作。主要有拉索连接板后焊并验收、索网低空组装、所有拉索及其连接检查、索网与周边钢构连接检查、周边钢构及其支撑的稳定可靠性检查等，结构构件和附属构件（如支架、缆风绳等）不得阻碍索网的张拉提升路径的检查，以及张拉提升设备校验检查等。

2）张拉提升的施工。张拉过程中应确保整体位形与理论分析基本相符，几何稳定，拉索不出现扭转。对模拟张拉过程进行施工全过程力学分析并预控；张拉过程中工装索张拉长度与理论值的偏差小于25 mm、张拉过程中张拉力与理论值的偏差小于20%。

3）提升张拉过程。通过分级加载试提升，观察和监测提升索网、外围结构以及张拉提升设备系统和工装的动态过程，复核模拟工况计算和设计条件，保证张拉提升过程的安全。

4）正式张拉提升。对整个索网一步步张拉提升，直至径向索与外围环梁连接就位等过程随时进行检查，即千斤顶受载均匀，张拉提升承重和液压动力等监视系统处于正常状态。

5）张拉提升就位。当索头与外围环梁连接就位时，在空中停留一段时间，利用自锁装置长期可靠锁定，液压千斤顶卸载、拆除，完成张拉提升。

6）设备卸载、拆除。索网与环梁连接就位后，张拉提升设备卸载和拆除。在确认各部分无异常的情况下，可卸载至100%，使张拉工装索不再受力。

7）重复上述步骤，继续张拉下一批拉索，直至整个索网施工完毕。

4 结语

本工程为钢劲性混凝土、钢结构和索膜罩棚索膜结构相结合的复杂结构，通过采用针对性的施工工艺，克服了施工过程中的诸多难题，最终顺利完成了施工，也形成了一套钢筋混凝土、钢结构和索膜结构相结合的施工技术成果，为后续类似体育场施工提供了可借鉴的经验。