厦门新体育中心体育馆双曲异形钢屋盖施工技术

文／陈娜茹、陈景镇、蓝明红、蒋晨、王源兴 中国建筑第四工程局有限公司/中建四局建设发展有限公司福建厦门 361000

1、工程概况

新体育中心工程II标段体育馆建筑主体结构为混凝土框架+钢屋盖结构（即主体结构为混凝土框架结构，屋盖为钢屋盖）。体育馆通过钢桁架连接体与配套综合训练馆相连。体育馆钢结构屋盖结构如图1所示。体育馆屋盖为带加劲肋桁架的空间双曲网壳结构，该部分主要分为内网壳和外网壳两部分。内网壳主要包括倒三角管桁架、平面桁架、双曲网壳三部分；外网壳主要为双曲网壳钢架，内外部分通过网壳环梁连接。纵向最大跨度为217m，横向最大跨度为170m。连接体为大跨度钢桁架结构。主要由主桁架、次桁架及桁架柱组成。

图1 体育馆屋盖钢结构效果图

2、工程难点分析

2.1 安装工况分析

本工程钢屋盖结构体系复杂，屋面为曲面异型结构，空间中不共面弧形杆件交汇；钢屋盖包含空间三角管桁架、平面桁架、双曲网壳等，结构体系复杂；钢屋盖跨度大，屋盖安装时合拢困难；钢屋盖施工过程受力体系转换复杂，钢屋盖安装工况分析困难。

2.2 安装精度控制

钢屋盖结构跨度长、自重大，构件自然支撑的状态下产生较大的变形。屋盖组成构件多、各构件在空间穿插，安装过程中易产生安装误差及变形累积，影响构件间的对接，安装进度不易控制。此外安装过程中环境温度产生的温度应力、焊接产生的残余应变等次生应力，导致构件的累积变形增大。

2.3 建筑场地气候环境

项目位于东南沿海地区，夏秋季节台风频发。钢屋盖的吊装处于台风季，钢构件安装受强风天气的影响大，增大构件吊装的难度，施工时必须考虑风荷载对钢屋盖安装的影响，采取有效的临时固定措施，确保强风条件下屋盖吊装的顺利进行。根据工程结构特点、场地平面情况，合理确定构件分段和吊装位置是钢屋盖安装的难点。

3、屋盖吊装方案

3.1 体育馆整体安装

比赛馆屋盖钢结构主要包括双曲内网壳、屋盖外钢架两部分。外圈钢架共77榀，倒三角桁架跨度约117m，宽8m，最大高度约12m。将内网壳及外钢架部分为5个区域，编号分别为BN-1～BN-5、BW-1～BW-5，比赛馆屋盖分区情况见图2。

图2 体育馆屋盖结构分区

安装方案采用环梁外部钢架原位拼装+场芯整体提升技术。外部环梁屋盖部分，采用两台800t和2台150t履带吊，从两侧同时进行7字钢架主杆件安装，左侧依次从BW-1区安装至BW-2区，右侧次从BW-3、区安装至BW-5区，完成7字钢架主杆件安装。每跨主杆件安装完毕后辅以塔吊及时进行嵌补杆件安装。安装外围钢架的同时，在比赛馆内进行场芯提升区部分的地面拼装，待外围钢架安装完成及提升区构件拼装就位，采用四吊点场芯同步提升技术，将场芯整体提升至设计标高位置。提升就位后，按顺时针方向依次完成BN-1区～BN-4区外钢架与场芯合拢段网壳结构的安装。至此完成体育馆的安装。

3.2 环梁安装方案

比赛馆环梁采用2台800t履带吊分别从东西两侧由南向北安装，环梁首次吊装长度大于支座间的距离，此后每段环梁延伸至支座端。环梁为等截面均值构件，为确保吊装过程的安全性，吊点位置的设置应使各截面受力均匀，保持各危险截面弯矩大致相等；在吊装过程中，应确保构件的稳定性，防止构件发生反转、滑动；采用多吊点起吊构件时，应最大程度控制吊索合力作用方向通过构件质心。

环梁分段形式共有曲线型和直线型两种，直线型构件采用两点吊装，曲线型构件采用三点吊装。钢丝绳与构件的水平夹角α控制在45～60°之间。环梁吊点位置如图3、图4所示。

图3 直线型环梁吊点设置

图4 曲型环梁吊点设置

直线环梁吊装时，吊点对称设置在构件两端。为确保构件受力均匀，防止起到过程中构件局部应力集中，吊装构件单位长度的自重为q，令构件提升点A处负弯矩MA的绝对值（见公式1）与跨中B处正弯矩MB（见公式2）相等，可得吊点距构件端部的距离a（见公式3)。

式中：M、M——吊点A、B弯矩；

q——吊装构件单位长度的自重；

a——吊点距构件端部的距离；

L——起吊构件长度。

曲线型环梁吊装时，采用三点吊装，中间吊点居中布置，两边对称布置，两端吊点距离端部的距离为a。1/4圆环梁吊装时分8段吊装。中心吊点距曲线型构件重心的距离为y（见公式4），吊点距离重心最大的距离为0.006R。其中，θ为曲线环梁绕圆心所转过的角度，R为曲线环梁的半径。不考虑环梁的形状的影响，采用环梁两端连线作为内力计算模型。吊点A、B产生的负弯矩分别为MA(见公式5)、MB(见公式6)。令构件提升点A处弯矩MA与构件中点B处弯矩MB相等可得到吊点距构件端部的距离a(见公式7)。

式中：y——中心吊点距曲线型构件重心的距离

R——曲线环梁曲线环梁的半径

3.3 外钢架安装方案

7字钢架最大重量37.3t，高度36m，宽度39m，采用350t履带吊在36m主臂和66m副臂的工况下，28m吊装半径内起重量为51.4t，吊装安全系数为1.38，满足屋盖吊装需求。根据现场场地条件以及混凝土结构情况，将外钢架分为整榀安装及柱、梁先后安装2种方式。针对7字钢架斜柱斜度较大情况，采取胎架支撑斜柱的方式进行安装。当钢架网壳下方无支撑胎架条件，先安装斜柱子时，斜柱顶端位移＜30mm，采用先装斜柱，后装横梁方式；对于无条件对斜柱进行胎架支撑，但有条件对横梁进行支撑的，采取胎架支撑横梁的措施，同时对先装的横梁进行顶端加固，减少滑动支座的移动。梁柱分开吊装斜柱位移较大时，采用整榀吊装方式，整榀吊装如图5所示。整榀吊装时，采用双重加强措施，一道为7字钢架柱梁之间采用型钢HN450×200×9×4进行刚性连接，防止梁柱节点应力集中，增强结构稳定性；一道为钢丝绳搭配葫芦的柔性加固措施，以钢丝绳的抗拉性能限制7字钢架梁柱间的相对位移，确保钢架安装的精度。7字钢架吊装就位后，梁端与圆管环梁进行连接，同时考虑到支座为滑动支座，在梁端节点处设置“丁”字型工字钢与劲性环梁进行刚性连接。

图5 整榀安装措施图

3.4 场芯整体提升技术

采用场芯整体提升技术即场芯结构在地面拼装成整体后，采用“超大型液压同步提升施工技术”将其整体提升到设计标高，再与环梁外部钢架进行对口处的杆件焊接。从场芯、外部钢架两个部位向空间网壳边缘BN区进行合拢实现体育馆钢屋盖的封闭。场芯整体提升较普通单向安装技术，降低现场高空的施工质量和施工难度，减小钢屋盖安装时的悬臂长度及变形累加，提高体育馆屋盖安装的精度。场芯提升点的设置应根据提升结构的刚度及结构使用阶段的受力情况，使提升过程结构的受力情况较为均匀。本工程根据场芯结构特点对称设置4个起吊点。

提升支架采用三角形的格构式支架，支架顶部设置上下小梁作为分配梁。提升吊点由上下吊点组成，下吊点连接提升吊环，提升吊环穿过提升点投影处的下弦杆连接屋盖，上吊点通过在提升梁跨中布置液压提升器，上下吊点通过钢绞线连接。提升梁作为反力梁为屋盖提升提供支点，提升过程中，提升梁将屋盖的重力传递至三角形格构式支架。提升下吊点如图6所示。

图6 下吊点构造图

在钢架结构的设计位置正下方投影地面对提升胎架、提升器、吊具等进行拼装，而后进行调试。提升过程中各提升点间的随机位移差，引起提升结构内部杆件的应力变化。不考虑结构自重及施工荷载的影响，则可知任意提升点产生位移差时提升结构的平衡方程为（公式8）：

式中：n的取值为1、2、3、4，Δi为节点i产生的位移，Kij为吊点j单位位移作用下在吊点i产生的附加约束力，Fi为吊点i位置作用的外力。由式8可知，起吊过程中各吊点位移差导致起吊结构杆件受压发生屈曲或产生附加应力，各点位移差间的关系相互影响，当位移差超过限值时，会使提升结构产生局部失稳或破坏。起吊过程中，应严格控制各吊点的提升位移，提升过程中，应放慢提升速度，连续测量吊点间的高差，缓慢提升到钢架结构设计位置，锁紧液压提升器，复测各吊点提升高度，确保达到设计要求。场芯提升就位后，安装钢架的候补合拢段、上下弦杆对口连接，检测其焊接质量，质检合格后，钢架结构荷载逐步转移至钢骨柱结构，拆除液压提升器、承重钢绞线等提升设备设施提升工作完成。

4、屋盖结构安装过程模拟分析

4.1 屋盖安装有限元分析

根据拟定的钢屋盖施工方案，应用有限元软件Midas Gen建立屋盖整体模型，对屋盖吊装过程进行全过程模拟，分析安装过程中结构的内力和位移。体育馆计算模型为整体模型。按照拟定施工步骤将结构构件、支座约束、荷载工况划分为组，按照施工步骤、工期进度进行施工阶段定义。模型采用仅受压单元模拟各施工工况钢屋盖的应力及变形。计算荷载考虑1.1倍结构自重作用。屋盖安装有限元分析结果如图7、图8所示。

图7 屋盖位移云图

图8 屋盖应力云图

屋盖主梁、桁架在永久和可变荷载标准值作用下产生的挠度不应超过跨度的1/400，由计算结果可知，体育馆钢屋盖安装过程中各构件的变形和内力均未超过规范限值。胎架卸落前，各构件最大竖向位移及杆件最大应力发生于内网壳结构与整体提升部位合拢完毕时，钢屋盖最大位移出现在南侧倒三角桁架跨中部位，位移值为45.2mm，支撑胎架全部卸落后，场芯最大竖向位移为110.6mm。钢屋盖杆件最大应力为场芯整体提升部位，杆件最大应力达148.8N/mm，支撑胎架全部卸落后，屋盖构件最大应力为156.2N/mm。屋盖安装时最大应力均小于规范中Q355B钢材的强度要求。

4.2 场芯整体提升有限元分析

采用Midas Gen针对体育馆场芯整体提升施工工艺进行有限元模拟，计算模型取自设计模型，荷载考虑1.1倍结构自重，并考虑两个垂直方向风荷载作用的影响。根据有限元计算结果所示，场芯提升过程中，结构出现最大位移位置在提升区中心区域，最大位移达40.1mm，结构最大应力为72.3MPa，最大应力满足规范规定的材料强度设计值。屋盖提升过程中，提升架最大应力为181.1MPa，满足提升架钢材的强度要求。通过对钢屋盖整体提升系统进行屈曲分析，提升系统整体临界荷载系数为130＞1，满足稳定性要求。综上所述，采用整体提升施工工艺，场芯提升区域结构强度及整体稳定性满足要求。场芯提升有限元模型及结果。

结语：

综上所述， 采用原位安装+整体提升技术钢屋盖安装技术，整个提升过程安全可靠；原位安装+整体提升技术从内、外进行钢屋盖同步安装，减小钢屋盖安装时的悬臂长度及变形累加，提高体育馆屋盖安装的精度；构件吊装时，直线型构件采用两点吊装，吊点距离构件端部0.207L，曲线型构件采用三点吊装，中间吊点居中布置，两边对称布置，两端吊点距离端部0.145L；采用钢屋盖整体提升技术，通过提升设备扩展组合，提升重量、跨度、面积不受限制，适宜于在狭小空间或室内进行大吨位构件提升。