体育场大悬挑钢桁架屋盖吊装施工技术

杨佳林

1. 上海建工集团股份有限公司 上海 200080；2. 上海超高层建筑智能建造技术研究中心 上海 200080

1 工程概况

某体育中心体育场钢屋盖由18榀大悬挑空间管桁架构成主要受力体系。18榀主桁架分成3个区块，每块6榀主桁架；区块之间屋盖结构完全断开，留有宽300 mm温度缝。主桁架之间有横向管桁架支撑。区块Ⅰ、Ⅲ设有3道支撑，场内、外各1道平面桁架支撑，支座处1道空间立体支撑；区块Ⅱ设有4道支撑，场内、外各1道平面支撑，支座及场内各1道空间立体支撑（图1）。

图1 体育场屋盖钢结构三维示意

大悬挑主桁架由2个钢半球支座、2个“W”形支撑和平行四边形断面的空间管桁架组成，最大断面为6.6 m×4.0 m，区块边缘的主桁架一侧设有屋面悬挑支架（图2）。①～⑥轴为区块Ⅰ，主桁架长度由39.594 m呈扇形过渡至63.767 m，单榀桁架结构质量由20.75 t增加至55.74 t。⑦～ 轴线为区块Ⅱ，主桁架长度由66.04 m呈扇形过渡至69.086 m，单榀桁架结构质量由59.91 t增加至63.96 t。

～ 轴线为区块Ⅲ，主桁架长度由65.912 m呈扇形过渡至48.712 m，单榀桁架结构质量由63.22 t减少至26.48 t。每个区块的桁架上弦最高点与下弦最低点高差10 m，上弦最高点至柱子支座处高差达15 m。大悬挑钢桁架最长为69.086 m，质量为63.96 t，最大悬挑长度为46.295 m。大悬挑主桁架结构杆件截面规格为φ114 mm×4 mm～φ351 mm×20 mm。半球支座有2种类型，前支座为受压球铰支座，后支座为受拉支座（图3）。横向支撑根据位置不同分别采用平面和空间管桁架设计（图4），横向支撑单榀最重为LTC1，质量为6.2 t。整个钢屋盖总质量约1 150 t。

2 工程特点及难点

大悬挑主桁架最大长度为70 m，质量约64 t。若整体吊装，吊机作业半径约40 m，对起重机械要求高。钢屋盖吊装时，下部的混凝土看台已经施工完毕。此外，本工程场外＋5.70 m标高的大面积混凝土结构平台已经施工完毕。若考虑在场外吊装，起重机停机位置位于平台外侧，作业半径达到近60 m。而平台的承载能力不能满足大型起重机开行及停机作业要求。同时，吊装方案的选择应充分考虑经济性等因素。

图2 单榀主桁架示意

图3 大悬挑钢桁架半球支座

图4 横向支撑

从结构设计来看，单榀大悬挑主桁架是不稳定的，只有相邻2榀桁架及之间的横向支撑（抑或更多桁架）完成后，方可成为稳定体系。因此，施工阶段的结构稳定是需要解决的重点之一[1-2]。主桁架悬挑长度超长，最大悬挑长度为46.295 m。安装过程中临时支撑的设计也是一个关键点。

3 总体技术路线及吊装流程

在钢结构吊装总体技术路线确定之前，我们先对钢屋盖结构的组成进行了分析。从设计图纸看，单榀平行四边形立体管桁架通过8根杆件支撑于2个半圆形球节点支座，8根杆件组成空间“W”形，每4根杆件交于同一个半球节点支座。半球支座根据其构造，只能单独安装，不能与“W”形支撑整体安装。“W”形支撑若与主桁架组成一体后吊装，则构件体形复杂、尺寸相对更大。地面拼装时若立拼，则拼装高度超高，安全性及操作便利性均不好；若平拼，则起扳回直困难。此外，18榀桁架的半球形支座空间定位各不相同，整体吊装的相对技术难度较大。

在对结构的组成进行充分认识后，综合考虑经济性和安全性等因素，选择了如下的总体吊装技术路线：“W”形支撑采用散件安装，由临时支撑固定；主桁架采用1台300 t履带吊在场内，分前后2段安装，后段又采用分片安装（其中HJ1a、HJ1b、HJ3e、HJ3f主桁架，除去“W” 形支撑后，可以整体吊装）。横向支撑采用整体吊装，零星构件补缺安装。

4 钢结构安装工艺

4.1 钢结构地面拼装

由于桁架断面尺寸大，超出常规运输规格，故散件运输至体育场内，在现场进行扩大组装。由于桁架超高（最高处为7 m），采用立拼时，胎架过高，高空作业太多，不经济也不安全，因此采用卧拼方案（图5）。在体育场内外各设钢结构构件堆场及拼装场地。体育场外的堆场及拼装场地设在＋5.70 m混凝土平台上，满足支撑SC2地面拼装及场外临时支撑的组装要求。体育场内的堆场及拼装场地设在300 t履带吊开行道路外侧，场地要求平整、夯实，面层铺设厚150 mm碎石，压实抄平。场外采用25 t汽车吊上＋5.70 m标高平台辅助拼装，场内拼装起重机械安排50 t履带吊。

4.2 半球形钢支座及“W”形支撑安装

首先在埋件表面画出纵横正交定位轴线，复测埋件轴线及标高，然后安装支座底板。根据设计说明，安装时若发现钢构件与预埋件之间的距离小于10 mm，可采用焊缝调节。若大于10 mm，则增加过渡板，板厚≥20 mm，数量不多于2块。过渡板与预埋件之间采用角焊缝一周，焊脚高同板厚。底板安装完后，对于受压支座，固定地脚螺栓；对于受拉支座，张拉预应力钢绞线。最后，采用25 t汽车吊辅助安装支座加劲肋及球瓣。受压半球支座为可转动的铰支座，为避免在上部钢结构安装时发生转动，安装完后用钢板临时固定。

所有的“W”形支撑均采取散装。由于支撑呈双向倾斜姿态，故需设置临时支撑。支撑采用型钢与脚手钢管组合形式。“W”形支撑采用25 t汽车吊停机于场外＋5.70 m混凝土平台上吊装。每榀桁架的“W”形支撑安装完后，用槽钢将其连成临时稳定的结构。

4.3 大悬挑主桁架安装

不同长度的主桁架根据其自身质量、300 t履带吊起重性能，有不同的安装方法。HJ1a、HJ1b、HJ3e、HJ3f主桁架的质量分别为18.67、17.57、26.34、23.27 t，吊装半径均小于38 m，可以采用300 t履带吊单机整榀安装。

其余14榀主桁架采用前后分段、后段分片的方法，采用300 t履带吊单机吊装。

4.3.1 后段分片吊装

先采用300 t履带吊安装单榀桁架的右片（从场内看）。单片桁架下部的3个球搁置到已经完成的“W”形支撑上，即表明桁架安装到位。同时上弦拉设3道缆风绳，缆风绳固定在混凝土结构上。然后再安装单榀桁架的左片。安装到位后，采用3道屋架支撑与右片桁架连成整体（图6）。2片桁架的垂直度校正采用缆风绳及屋架支撑进行，先用缆风绳校正一片，校正好后通过屋架支撑校正另一片。2片桁架之间的间距通过屋架支撑调节。桁架校正好后，安装2片之间的腹杆。

图5 主桁架卧拼胎架示意

图6 桁架后段分片安装侧向稳定措施

4.3.2 前段整体吊装

桁架前段采用300 t履带吊整体安装。安装前先设置格构式支撑。前段桁架起吊到位后，与后段桁架通过临时耳板连接；前段桁架拉设2道缆风绳，作桁架校正用，缆风绳拉结于桁架上弦。桁架校正好后，焊接弦杆对接焊缝，补缺腹杆。全部完成后，缆风绳仍保持不松。待相邻2榀桁架之间的横向支撑安装完后，可以拆除前1榀桁架的缆风绳。

4.4 横向支撑安装

横向支撑有4种形式，其中位于桁架两端头的SC1（场内）、SC2（场外）支撑，为平面管桁架；位于支座处以及跨中的LTC支撑，为立体管桁架。原则上，支撑在地面组拼后再高空安装。

LTC1～LTC15支撑位于主桁架支座处。为保证主桁架的稳定，每相邻2榀主桁架（后段）安装完后，就应及时安装该支撑。考虑到LTC支撑起吊时比较零散，在地面拼装时采用临时型钢加固，使其形成稳定结构体系。

4.5 临时支撑的安装、卸载与拆除

大悬挑主桁架采用格构式临时支撑辅助安装。每榀桁架下设2组格构式支撑，分别支承桁架的2根下弦杆。2组支撑之间用型钢连系，形成单向稳定的体系；另一个方向通过前后的缆风绳稳定。缆风绳固定在混凝土结构上。临时支撑落脚点为混凝土看台横向大梁上，由于看台台阶的存在，支撑底部里边2个脚直接坐在看台台阶上的埋件上，外边2个脚用钢梁找平（图7）。

图7 主桁架临时支撑示意

根据钢屋盖结构平面布置，整个屋盖设置了2道温度缝，将屋盖分为3个结构上独立的区块。因此，临时支撑在每个区块的钢屋盖结构安装完后即可进行支撑卸载，并予以拆除，周转至后续主桁架处。

临时支撑的卸载过程同时也是钢屋盖结构的承载过程。在整个卸载过程中，必须保证临时支撑结构及钢屋盖结构的应力和变形在限定要求内[3-4]。利用有限元结构分析软件对钢屋盖进行整体建模和加载，得到钢屋盖自重作用下主桁架在临时支撑点处的变形值，以此确定支撑卸载位移量。卸载过程分步骤平缓进行，每步的位移下降量根据总变形值再细分。在临时支撑卸载前，应先除去受压支座的临时固定钢板。卸载工具采用16 t螺旋千斤顶，每个支撑处设置2个。卸载作业点设置在临时支撑顶部。

5 结语

通过对该体育场钢屋盖结构的深入理解和分析，因地制宜地制定了钢结构吊装方案。针对大悬挑钢桁架，通过合理分段，采用临时支撑辅助，解决了其相关的吊装技术问题。经过现场实践，证明所选择的施工方案是行之有效的，可为类似工程提供借鉴。