体育场径向环形大悬挑钢结构综合施工技术研究

1  工程概况

马鞍山市体育中心体育场位于花山区，北临湖南东路，西至霍里山大道，南接安工大新校区，东临规划中的秀山路，项目占地750亩。其中体育场工程占地面积5.84万平米，东西长约250m，南北长约300m，总建筑面积62044.59m²,建筑高度为47.5m，有3.67万个座位席，属于甲级大型体育建筑。整个体育场呈不规则椭圆形，中间设有一个国际标准足球场和跑道，四周环形看台为由内向外、由低到高的叠级造型，最外圈20个楼梯结构和32根劲性柱作为上部钢结构的支撑点。

2  工程特点

本工程上部钢结构罩棚为径向倒三角桁架与双层曲面网壳混合空间网格钢结构屋盖体系，工程主要材料为钢管，材质为Q345B,同时采用了大量锥管、弯管以及树形铸钢件。钢结构罩棚由悬挑主桁架和内外环桁架、腰桁架及支撑体系组成，主悬挑桁架最大悬挑长度37m，根部高度4m；主伸臂桁架支承于下部混凝土劲性柱上，墙面主桁架底部与混凝土结构的侧面相连。体育场北侧为无劲性柱结构，罩棚由4个树形柱支撑。南侧结构没有支撑，水平跨度63米，受力形式采用了桥梁的设计概念。

俯视图

正立面图

侧立面图

相贯面屋盖桁架结构分为：倒三角形管桁架结构和双层网壳结构；共有32榀倒三角形桁架和平面桁架柱，桁架与桁架之间由内、外环向次桁架进行连接；整个钢结构罩棚由4根树形柱、2根二叉柱、2根三叉柱和30根四叉柱进行支撑，空间钢结构桁架中工包括11种不同类型的铸钢件节点110个。

剖面图

树形柱

3  树形柱安装及焊接技术

(1)收集、整理类似树形柱类、三维异型铸钢节点施工资料，进行模拟预拼装和试焊接及吊装试验，控制树形柱加工焊接精度和焊接变形，选择合理的组装和焊接顺序，通过局部加热消除焊接应力。

(2)采用工厂进行树形柱分段焊接，分别现场采用450t履带吊进行吊装对接焊接，为确保对接焊位置满焊到位，采用树形柱对接处的四块封板后封的办法，待焊工由封板位置间隙进入四管中心处施焊，最后再封闭四块封板。

(3)根据现场实际情况及吊车吊装重量，对树杈及其树冠三维异型铸钢件在地面拼装完成后一起吊装，确保安装精度及变形控制。

树形柱剖面图

安装第一段与第二段柱对接

安装第二段圆管柱与底部树圆管柱之间的4块封板

安装第三段圆管柱

安装第三段圆管柱与第二段圆管柱之间的4块封板

安装上部四叉柱

4  径向大悬挑钢结构的分段、组合及吊装技术

(1)屋面结构形式为径向倒三角桁架+双层网壳混合结构体系，屋盖外型为空间三维曲面。主桁架成“7”字状，构件最大跨度达37米，立面高度21米。根据仿真模型选择最优切割段，将主桁架构件合理分为2段，更利于吊装及拼接，主桁架吊装单元全部在地面胎架焊接完成，减少空中对接安装难度，并有效保障焊接质量。

(2)通过对屋面钢结构吊装进行归类，按照不同位置及安装顺序对整个屋面桁架进行合理划分成若干单元，先在地面胎架焊接完成后再进行空中对接焊。

(3)墙面桁架受吊装重心摆动影响，无法直接采用钢丝绳进行起吊，为减少吊装摆动幅度及吊装过程安全，经现场优化采用焊制“钢扁担”进行转换吊装。

屋面桁架分段布置图

吊装示意图

5  钢构件吊装设备的选型及吊装

(1)根据吊装单元的划分，计算出各吊装单元的重量，吊装作业距离，进行吊装设备的选取，根据主桁架、墙桁架吊装选取450t履带吊，次桁架、环桁架及散件采用180t、130t履带吊。

(2)根据吊装顺序及屋面整体稳定性，合理安排吊装设备数量。

6  临时支撑的布置方式

本工程钢结构形式为双层曲面混合结构，以构件截面尺寸及连接传力体系为依据，划分主结构桁架29榀，其中东西各8榀主桁架(ZHJ)，共16榀，北侧10榀径向桁架，南侧3榀径向桁架(JHJ)。结合主桁架V型支座，在主桁架端部及南侧大跨度、北侧树形柱屋盖区域合理布置临时支撑。临时支撑共设84组。支撑架截面尺寸1200mm×1200mm，平均高度40m,主肢截面 L125×12，缀件截面L75×6，支撑反力设计值630KN。

主桁架临时支撑设置形式

7  径向环形大悬挑钢结构合拢技术

合拢设计计算：通过温度应力的有限元模拟，对合拢温度、合拢线数量、合拢线位置三个问题进行详细分析，比较不同方案下结构的温度效应分布特征，为最终合拢施工方案的确定提供理论依据。

钢结构屋盖是大跨度空间桁架，其平面投影近似为一个椭圆环，整个圆环周长太大，结合现场实际安装顺序设置两道合拢缝。合拢缝处的杆件先用施工措施临时固定，待主结构其它部位全部安装、焊接完成后，施焊该处杆件完成合拢。

根据工程的施工进度，钢屋盖焊接合拢集中在10月中下旬，这个季节当地白天气温大约20～25度，夜晚气温在15～20度，主要的合拢工作应在早晨和下午进行，防止太阳辐射引起构件尺寸的变化。从而减少由于温度效应引起的收缩变形。

8  径向钢结构卸载技术

(1)收集、整理类似钢结构卸载施工资料。

(2)临时支撑主要布置在桁架分段处，结构的受力状况不同于正常使用情况下，因此在临时支撑拆除的施工过程中构件有可能出现不利状况，为了保证结构的安全及结构，需要对施工过程进行严格的验算，为施工提供技术支持和保证。通过受力验算，依照对称、受力传递的原则确定合理的临时支撑卸载顺序，以完成拆除。

(3)卸载过程中对各节点的变形和应力进行监控，若发现各支承点的反力差异较明显，按照卸载计算分析，卸载共设84个卸载点，将所有的卸载点划为四个区域，分成六级卸载。一级和二级卸载位移量多为10mm,三级和四级卸载位移量多为15mm,五级卸载位移量多为20mm，六级卸载剩余位移量至最终卸载完成。

卸载分区(小圆点为临时支撑)

根据仿真模拟分析，其整体每级卸载工艺流程均按如下顺序进行循环卸载：

第一步：同时卸载1区和2区全部支撑点。

第二步：完成1区和2区一个级数的卸载后，接到卸载通知后每位卸载工从所负责的靠分界线方向支撑点开始同时卸载3区支点。

第三步：完成3区卸载后，接到卸载通知后每位卸载工从所负责的靠分界线方向支撑点开始同时卸载4区支撑点。

后续的各级卸载均按此顺序进行。

9  技术总结

本工程钢结构用量约8500吨，空间桁架结构采用了大量的铸钢件，屋面整体为双曲型，空间结构较为复杂，东西为对撑结构，悬挑37m；南侧结构没有支撑，水平跨度63米；北侧罩棚由4个树形柱支撑。根据钢结构罩棚形式，将钢结构分成四个区域，按照顺时针方向，由西南角主桁架开始依次进行吊装；采用450t履带吊将主桁架由地面拼装架吊装至屋面罩棚相应位置，通过主桁架V型支座和悬挑端设置的临时支撑进行临时支撑吊装单元，并利用全站仪进行精准定位后点焊牢固，采用CO₂气体保护焊将V型支撑底部与支座预埋进行焊接，确保主桁架固定牢靠无位移产生；通过合理设置2条合拢缝、多管相交采用铸钢节点、树形柱预留封板对接焊接等措施确保了钢结构焊接质量与结构安全稳定；通过计算机软件辅助计算，采取六级卸载，最终顺利的完成了钢结构的临时支撑的卸载，完成了钢结构施工的任务，形成了一整套径向环形大悬挑钢结构综合施工技术成果，为后续类似体育场馆施工提供了宝贵的经验。(科技建工上海分公司供稿)