体育场钢结构施工技术及研究

马兴

摘 要：很多体育场在建设过程中，均是以露天标准开展建设工作，如果在建设过程中遇到恶劣天气，如炎热雨雪天气等，容易对体育场正常使用产生影响。本文根据以往工作经验，对体育场结构形式和钢材选用情况进行总结，并从临时支撑塔架设计、柱脚施工技术、桁架柱安装技术三方面，论述了体育场钢结构施工技术内容。

关键词：体育场;钢结构;桁架柱

一、结构形式

为了方便研究，本文以国外某体育场建设情况为例，该建筑顶面呈现出马鞍结构，其中，内部长轴为223.19m，短轴为164.18m，钢结构最高点标高达到76.6m。站在主体结构角度来说，东西地上8层，南北地上6层，内部主要为碗状混凝土框架剪力墙机构，外部钢结构可以分为V柱结构、压环结构和次结构，屋面为索膜结构，4层与5层之间设有钢桁架转换结构，5层及以上外圈为轻钢混凝土组合楼板，外围的48榀V型钢柱组成的钢结构分别支撑在24个异型混凝土柱上，总重量6271吨，其中单个V柱构件宽13.5-14.5米，高37.5-51.5米，V柱为主要的竖向传力系统，为立体桁架（压环）以及幕墙侧壁结构提供支承，并将竖向力传递到混凝土柱墩上，进而传递到地面。V柱顶部的压环结构总重6200吨，是承载幕墙、连接屋面索网和V钢柱的构件，每两柱顶间的一片压环为一个拼装和吊装单元，单个环线管桁架结构长度约40米，由四根主弦杆构成箱形立体桁架，上下片主管口中心距离分别为17.6米和15.3米。

二、钢材选用

该体育场钢结构属于是全焊接结构内容，实际设计用钢量大约为18000t，主要包括的材料种类有Cs20Mn5V铸钢以及Q345C等高强度钢。其中，很多钢材料和工艺都是在国外体育场项目中首次应用，主要应用于48榀V柱和和24榀压环桁架之中，钢板最大厚度也达到了50mm。

三、特点难点

（一）工程组织管理难度较大

该工程建设规模较大，实际组织管理体系也十分复杂，从项目所在地政府部门到业主，再到总包和分包，涉及到的层次较多，增加了项目管理难度。与此同时，在具体钢结构安装和土建等方面，涉及到很多交叉施工现象，施工现场的空间有限，让构件运输以及大型吊车进场受到了极大限制。该体育场馆在建设过程中，建筑造型极为特殊，主次结构之间也存在很多空间交汇问题。次结构复杂多变，进而提升了结构节点的复杂性。在具体安装工作执行过程中，工作人员还会遇到多个管口同时对接的情况。对于箱型断面，需要确保多个管口的对准精度，这也提升了整个操作的难度。与此同时，对于大跨度的空间结构，构建长度会受到温度变化的影响，导致施工人员很难把握好安装精度。

（二） 合拢难度高

该体育场馆在建设过程中屋盖钢结构属于是特大型的大跨度钢结构，钢结构顶部宽度达309米。该项目所在地属于热带沙漠气候，昼夜温差大，主体钢结构形成过程中出现了较大温差，进而产生了极大程度的温度应力。因此，可以根据项目所在地多哈的最低溫度和最高温度情况，设计合拢温度，这也是屋盖结构最终所形成的温度，降低温度变形几率以及温度应力。在此过程中，还需要设置合理的主桁架和立面次结构，并在其中加入合拢线，其中压环结构之间、压环和V柱之间，合拢口数量较多，由于施工技术和温度变化等原因，需要严格控制各合拢点的精度，严重情况下会造成无法合拢的情况出现。此种情况之下，为了确保合拢线之中对接口操作时，也能做到同时合拢，需要组织大量的人力物力进行实验和测算。

（三） 卸载难度大

总的来说，该体育馆钢结构受力体系为环形侧向钢结构受力体系，通过索来平衡受力，能够展示出极强的空间非几何线性作用。相关工作人员可以根据实际施工方案，以及结构安装情况，在整个钢结构施工设置多个支撑塔架，为主桁架安装起一个临时支撑的作用，当主结构安装工作结束后，再进行卸载和拆除操作。此外，在实际支撑塔架卸载过程中，整个结构体系会出现明显转换性操作，结构本身和支撑塔架受力会出现明显变化，整个卸载顺序以及卸载工艺等内容都会对其产生影响，相关工作人员需要进行细致性分析。由于该体育场馆设计操作极为复杂，卸载控制难度也会相应提升。

四、施工技术

（一） 支撑塔架设计

为了确保体育场屋盖钢结构的有效施工，相关工作人员需要根据实际钢结构特点，设置有效的分段形式。不同区域的临时支撑塔架高度不同，平面尺寸为13x5米，从低区43米至高区53米共计24榀按照环向布置在混凝土裙房楼板上。为了强化整体支撑塔架钢结构稳定性，避免支撑塔架出现沉降问题，相关工作人员需要在临时支撑塔架底部设置斜支撑体系，同时为了保证力传的直接性，避免裙房混凝土楼板直接承载，支撑塔架底部设置转换框架，将载荷全部传递到混凝土柱，增加了结构的安全性。为了方便现场加工和安装工作的执行，提升经济效益，具体支撑塔架和柱顶连系桁架设计均需要采用标准节方式。支撑塔架柱肢应采用D528×12和D609×12的螺旋焊管。更重要的是，对于水平腹杆可以采用十字形布置形式，或是交叉体系。为了进一步提升支撑塔架柱身抗扭刚度，每节标准段两端和中间区域需要设置角钢交叉横隔，确保整个塔架抗扭刚度满足标准要求。

（二） 柱脚施工技术

该体育场所有V柱柱脚是通过球形支座和混凝土柱中的预埋件连接到一起，连接方式为高强度螺栓连接。V柱柱脚落在混凝土结构柱牛腿顶面，绝对标高19.93，相对地面标高15.13米。预埋件安装精度为+-10mm，单个重量4.5吨，分为上下两部分，上部为预埋件顶板，通过螺栓和支座顶板链接，下部为抗拔抗剪件，预埋至混凝土结构柱的牛腿部分，因此对于变形控制和参与应力控制难度也较高。与此同时，在柱脚部分和土建单位交叉施工过程中，一般在柱脚安装操作时，土建施工并没有结束，进而导致施工现场的施工条件有限。再加上柱脚附近存在很多插筋，提高了整个施工操作的难度。此种情况之下，相关工作人员需要确保安装质量和精度的同时，避免整个屋盖安全受到影响。

（三） 桁架柱安装技术

压环体型巨大，最大的长约46米，高达13米，重425吨，且结构复杂，由四根主弦杆构成箱形立体桁架，上下弦面内为“米”字型网格，整体几何形状与屋面马鞍面保持一致，是承载幕墙、连接屋面索网和V钢柱的构件，压环共24榀，是项目“力”与“美”的核心。压环吊装是该项目钢结构施工中的里程碑事件，不仅标志着钢结构施工中的技术问题基本扫清，也为后续索膜施工奠定了基础。

在整个屋盖支撑上，压环和V柱起着重要作用，而受力较大，实际施工质量要求和较高。在安装过程中，除了确保V柱垂直度之外，上节柱和下节柱需要保持对口偏差特点，并以牛腿坐标为基础，为后续主桁架和立面次结构安装创造有利条件。但由于对接管口较多，刚度大，拼装操作时很难保证管口精度，从而增加安装难度。因此在实际柱脚和桁架对接操作过程中，工作人员需要对钢板厚度进行合理把握，提升对口调节力度，这也是降低后续构件拼装难度的基本所在。

五、结语

综上所述，该体育场馆钢结构设计过程中，主要采取的施工方案为散装总体施工，虽然施工操作之中具备很多临时措施，但相关方案在经过比较滞后，工作人员需要确保所选方案为最佳方案。现阶段，该施工方案已经获得了成功，经济效益和社会影响力明显，还能满足实际施工要求，在一定程度上能实现工期的节约。

参考文献：

[1]张志平，郭亮亮，袁英战.援柬埔寨某体育场悬挑斜柱及双曲环梁结构施工技术[J].施工技术，2019，48（14）：116-120.

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