体育场悬挑大型钢结构网架吊装施工技术

中国建筑第七工程局有限公司 上海 201812

1 工程概况

安庆市体育中心体育场屋面由28 榀网架和50 榀空间曲面桁架组成。其25 个采光罩边缘为变高曲线平面桁架，采光罩由网架结构连接桁架组成，网架与左右两边桁架组成一个区域的罩篷，屋面下由雨篷撑杆支撑。结构形式为网架+桁架组合而成的桁架结构（图1）。网架为钢管，网架节点为焊接空心球；屋面桁架和网架与撑杆采用轴销连接，撑杆与柱支座用关节轴承连接；采光罩结构为焊接工字钢钢拱，温度缝边采光罩内设有支撑系统。结构环向长485 m，径向长约60 m，钢结构屋面安装高度为32.63～54.35 m不等，悬挑长30 m。单榀罩篷最大质量约为157.58 t，最大截面高5 m，长约59 m，总用钢量5 300 t。

图1 体育场屋面网架钢结构

2 工程特点及施工控制重点

1）悬挑网架钢结构特点为：采光罩边缘为变高曲线平面桁架；网架部分为正方四角锥与三角锥混合体；悬挑部位超过30 m；单榀罩篷质量超大、截面超高、长度超长。采光罩安装于相邻两榀网架之间，连接处采用焊接方式[1-2]；单榀网架质量达60 t。

2）施工控制重点及难点为：工期紧，钢结构安装时间不能超过3 个月，为总工期中关键考核时间节点；在节约成本的同时，保障安全、保证质量是本工程钢结构施工的一个重点与难点。

3 施工方法

3.1 施工工艺流程

方案确定及验证→吊装路线基础处理→预埋件复核、拼装单元检测验收→（中跨网壳吊装和就位→尾跨网壳吊装和焊接→前跨网壳吊装和焊接）→重复括号项→吊装和焊接采光罩→网架检测和验收

3.2 操作要点

3.2.1 方案确定及验证

在钢结构桁架正式吊装施工前，工程技术人员首先需完成专项技术方案的编制，为了确实保障工程施工质量和安全，首先在体育场某区轴线进行钢结构主桁架第X榀中段实体吊装的试作业，以验证整个方案的可行性，为确保工期、工程施工质量和施工安全性，事先需对该方案进行专家论证，经专家论证和试作业成功后，方可正式施工。

3.2.2 行走路线路基处理

网架结构拼装平台应平整，且有足够的承载力，对平台场地不平整、承载力达不到要求的进行处理：土方分层换填进行场地平整时，用250 kN压路机碾压密实，并浇筑厚100 mm的C20混凝土。为了满足吊装需要，保障吊车行走安全和正常起吊，需要在体育场内、外环各换填一条钢结构吊装行走路线道路，用作钢结构吊装体育场主桁架单元组件和檩条的吊装道路。

根据方案确定的机械设备及机械设备行走路线的道路宽度和承载力要求，吊车行走路线道路宽度不小于10 m，道路承载力不小于90 kPa。由于场地为回填土，地基承载力不能满足吊车行走路线路基承载力要求。因此，在体育场内外围吊车行走路线10 m范围内换填毛石（放坡3∶1），根据方案要求向下开挖1 m，开挖完成后及时回填毛石，在毛石回填过程中，每厚500 mm毛石面上满铺不小于厚100 mm碎石，然后用200 kN压路机压实，即整个路面分2 次压实（压实系数为0.94）。

3.2.3 埋件复核和拼装单元检测验收

支座埋件标高及轴线复测是安装就位准确性的一个重要环节，在吊装前仔细复核埋件标高和轴线，若偏差过大，需与设计联系确定处理方案并按处理方案实施。由于场地受限，每榀网壳分为前跨（悬挑部位单元组件）、中跨和尾跨3 段，每段为一个拼装单元。尾跨和中间跨在体育场外围拼装、分块吊装，前跨在体育场场内拼装、吊装。中间段通过4 根撑杆单点安装在混凝土柱上，尾部采用撑杆与体育场外围混凝土柱连接，呈V形并与前段罩篷形成稳定空间体系。

网架单元组件在组装前，先进行材料检测验收，包括除锈、刷漆，均合格后，按照设计图进行加工组装。网架拼装单元完成后，由专业检测机构，对焊接点进行专项检测，确保每个焊接点的焊接质量，再按照三检制原则对网架拼装单元进行验收，经自检合格后报请监理单位、建设单位、设计单位共同验收，验收合格后方可进行吊装。所有钢结构单元组件安装前，混凝土结构和钢结构安装支点强度必须100%满足设计要求。

每榀钢结构网架的中跨和前跨，在分别完成单元构件组装后，按照每榀网架轴线布置位置的设计要求，在每榀网架中跨的前后杆件上，刻画出轴线位置，在每榀网架前跨的前后杆件上，刻画出轴线位置。

每榀钢结构网架的中跨、尾跨和前跨，在单元构件组装完成过程中，按照构件设计情况，计算出每个单元网架构件的4 个吊点。在单元构件组装完成后，分别标出每个单元构件的吊点位置。

3.2.4 中跨网壳吊装和就位

吊装顺序遵循先主结构后次结构的原则[3-5]，先网架吊装和焊接，最后采光罩的吊装和焊接。整个吊装顺序为先高跨、后低跨。每榀网架，先中跨，后尾跨，最后前跨（图2）。

中跨网壳单元组件是最先进行吊装和就位的一个单元，是每榀网架安装工序中的关键项之一，其步骤如下：

1）中跨吊装采用4 000 kN汽车吊，其位置位于主体外围。中跨吊装前，精确测量并释放轴线位置和支座标高，按照设计要求，将中跨支座与支点预埋钢板进行焊接。

图2 单榀网架分跨示意

2）主体结构网壳结构形状呈不规则状态，采用四点吊装法进行吊装，两侧钢丝绳连接处布置手拉葫芦并在设置手拉葫芦的地方另加一根安全绳，便于调整构件的空间姿态。针对网壳中间段部分进行中心分析，起吊时挂有4 根钢丝绳，其中沿体育场外的吊点分别采用2 台200 kN的手拉葫芦通过钢丝绳连接，用来调整网壳整体空间姿态，使其达到理想设计位置，靠近前跨的吊点直接挂钢丝绳。钢丝绳和手拉葫芦选用，要依据网架单元组件质量确定，保障吊装安全。

3）通过测量和校正，调整好网架单元空间位置后，焊接支座。为保障中间跨侧向稳定，在中间跨上弦四周拉设缆风钢丝绳，中跨吊装就位后，将中跨4 个角点缆风钢丝绳与结构进行拉结，检测中跨网架单元组件轴线，采用手拉葫芦对缆风绳进行调整，达到单元组件上轴线与地面控制轴线之间重合，待支座焊接完成经检测符合要求，将网架空间单元连接点与支座进行螺栓连接，检查符合要求后，在网架单元组件的前后分别用型钢进行焊接支撑，保障钢网架单元组件的稳定性，检查符合要求后摘除吊钩。

3.2.5 尾跨网壳吊装和焊接

其基本步骤和中跨吊装方式基本一致，尾跨网壳提升到预定位置后，用免棱镜全站仪对其进行三维坐标校正测量，调整其空间位置后，用吊车将支柱就位与支座进行螺栓连接，再将支柱与尾跨进行焊接，上述工作完成后，尾跨与已安装就位的中跨网架单元进行焊接。所有吊装、焊接和机械连接工序完成后，采用紧密水准仪测量中跨网架单元组件前段2 个主杆焊接球顶标高或底部标高，在松除尾跨钢结构单元组件吊钩过程中，由专人观察中跨单元组件下部与支点结点处的变化情况，确保安装过程和工程结构的安全。尾跨钢结构吊装点全部松除后，测量中跨前段2 个主杆焊接球顶标高或底部标高，观测变化情况。

3.2.6 前跨网壳吊装和焊接

每榀钢结构网架的前跨吊装，是该榀网架三跨吊装作业中的关键。按照设计要求，至少需要2 榀钢结构网架的中跨和尾跨安装完成，再按设计图要求，安装2 榀钢结构之间的桁架，使钢结构网架间形成可靠稳定结构后，再在前跨安装的就近点部位，使用吊车吊装前跨网架单元组件，起吊设备一般使用大型履带吊车。

1）前跨网架单元组件首次起吊时不宜高于地面50 cm，以便于人工地面操作。在首次起吊结束后，由专业操作人员和技术员，按照设计图要求，对前跨起吊就位前的空间位置和姿态进行调整，在前跨4 个方向的端部各预设置1 根缆风绳，另在前跨两侧主杆件上弦，自前向后各牢固设置1 根钢丝安全绳。在调整姿态过程中，工程专业技术人员要现场监督和指导，要充分考虑中跨前段标高变化情况，并结合钢结构网架前跨和中跨单元组件连接后产生的扰度变化。扰度变化量，需专业技术人员在前跨吊装前，按照钢结构特点和原设计图进行计算。前跨单元组件起吊就位前，在前跨前端横向杆件及轴线位置控制标志处，设置1 根测量绳，以便控制起吊后的高度。

2）完成前跨钢结构组件空间位置和姿态调整无误后起吊。前跨钢结构组件初步完成起吊就位，通过测量及对缆风绳的调整，达到调整前跨空间位置和姿态符合设计要求的目的。

3）另配1 台吊车，将前跨和中跨连接部位杆件进行高空焊接拼装。前后跨经焊接拼装完成后，需对焊缝进行外观和探伤检测，经检测符合要求，且焊缝已自冷却，用仪器检测前跨最端一点（系测量绳部位）的高程，起吊前跨的吊车需缓缓松绳，不得松绳过快。吊车卸载完毕后，检测测量绳高程变化情况，以判定单榀网架完成后产生的扰度变量，为后续安装工作的顺利进行提供技术支撑。

3.2.7 吊装和焊接采光罩

网架形成整体空间结构后，现场若干塔机及吊车配合高空散装采光罩构件，先安装采光罩环向的拱形主构件，再连接径向的次构件，形成局部的稳定结构，依此顺序逐一安装完采光罩。

3.2.8 网架检测和验收

网架加工制作前，需对所有材料做进场验收并取样送检，保障材料合格和复合设计要求。网架安装前，对混凝土结构、支座质量进行检查、检测；钢结构网架焊接是检测重点，施工前，除做焊缝和焊接工艺检测，尚应对焊接构件进行编号，并明确责任人和登记施焊人员[6]。

单榀网架加工完成后，依据设计图逐次检查验收。每榀网架、桁架安装过程中，其轴线位置和标高，以及屋面标高和檐口标高，要求符合设计和规范规定。

建筑物施工过程中，要按设计要求和规范规定做好沉降观测，及时预警，为后期钢结构吊装安装和建筑物安全提供科学数据。每榀钢结构网架安装过程中要做好标高变量检测、挠度变量检测，并预先设置网架应力变量检测装置。屋面桁架、型钢、屋面板等所有工序完成前后，均应进行应力检测。钢结构工程所有工序完成后，在建筑物使用过程中，应按季节、天气等环境变化情况，分别进行应力监测，确保结构安全使用。

4 结语

悬挑焊接球节点单元式钢网架高空吊装施工方法与高空散装法比较，具有以下优缺点[7,8]：

1）大量的拼装工作在地面进行，施工操作方便，质量便于检查和检测试验。

2）每榀网架、桁架拼装，可在混凝土结构完成前进行，既可在场外加工组装，也可在场内地面拼装，整个过程，不占用工程施工工期。另每榀钢结构单元组装采用小型机械吊装，使用大型吊车较少，且可同时组装，功效高，加快了钢结构单元组装进度。

3）不需要搭设大量的支撑脚手架，安全设施投入减少。

4）集中吊装对其他工序施工影响较小。

5）每榀钢结构单元按照设计要求和规范规定进行地面拼装，空间尺寸容易控制。

6）高空作业相对大量减少，降低了安全风险。

7）对拼装完成且检查验收合格的每个钢结构单元组件，选用满足吊装吨位要求的大型机械，起吊前进行试吊，并按照设计使用功能和空间要求，起吊前，在低空进行钢结构单元就位前空间位置及姿态的调整和控制，耗时较长。

8）依据每榀钢结构单元组件的荷载、起吊高度、拼装顺序，需事先确定吊装路线，对大吨位吊车行走道路路基要求高，高空就位固定及拼装要求高。上述整个过程耗时较长。其中吊车道路路基处理可提前进行。