上海新静安体育中心钢构架施工关键技术

郑祥杰

上海市机械施工集团有限公司 上海 200072

1 概述

1.1 施工过程跟踪分析的必要性

大跨度钢结构的施工过程是一个结构体系及其力学性态随着施工进程非线性变化的复杂过程，是一个结构由小到大、从简单到复杂且体系和边界不断变化的发展过程[1]。结构体系在每一阶段的施工进程中，都可能有结构边界条件的变化、结构体系的变化、结构施工环境温度的变化以及预应力结构中预应力的动态变化等。这一过程中，也可能出现几何非线性、边界条件非线性、材料非线性等现象。结构体系在每一个施工阶段中的力学性态（如内力和位移）必然会对下一施工阶段，甚至所有后续施工阶段结构的力学性态产生不可忽略的影响[2-4]。

1.2 施工监测的必要性

不同的施工技术会对大跨度钢结构产生不同的力学问题，因此，施工模拟分析是结构设计的重要环节。然而，结构数值分析模型通常是以设计图和规范标准为依据，较为理想化，不同的材料、几何条件、边界条件等因素，使得数值分析结果与结构实际状况存在差异。为了把握现场结构的实际受力状况，有必要针对大型复杂钢结构进行施工监测工作。

施工监测是指通过监测技术手段对施工过程的主要结构参数进行实时跟踪，掌握其时程变化曲线，以便掌握控制施工质量、影响施工安全的关键因素在施工过程中的发展变化状态，并对下一步施工方案进行预判和调整，以保证整个施工过程的顺利完成。

2 工程概况

新静安体育中心的钢构架平面形状呈半圆形，如图1所示。钢构架的横向跨度约183.9 m，径向跨度约112.7 m，建筑标高42.8 m。

图1 新静安体育中心效果图

构架结构支承系统包括以下内容。

1）外圈落地15根混凝土框架柱呈圆形分布，间距约27 m，在9.6 m高位置设有钢环梁用来支撑44根间距9 m的钢柱，与屋盖构件刚接连接。柱顶标高28.117～36.085 m不等，在柱顶设置1道刚性系杆。

2）第2圈柱同样呈圆形分布，设有7根混凝土柱，柱间距约24 m，为了与下部体育馆分开，中间2根柱间距约146 m。在大悬挑端设置一个V形分叉钢柱，在另一端设置1根斜钢柱。屋盖构件在柱顶铰接连接。

3）内圈柱为一道直线分布，共设有10根混凝土柱，柱间距为12.8～19.6 m不等，柱顶标高31.221～34.408 m。屋盖构件在柱顶铰接连接。

在第二圈柱顶设置倒三角圆管桁架，桁架上弦网格宽1.3 m，长约2 m，桁架高约2.5 m；在内圈柱顶同样设置倒三角圆管桁架，桁架上弦网格宽1 m，桁架高约2.5 m，上、下层网格定位与径向桁架弦杆对应，结合下部柱位进行局部调整。

径向桁架呈发散射线式分布，与外圈柱顶刚接并一一对应，最大跨度93.7 m。采用平面桁架，桁架在屋脊以内高约2.5 m。为保证径向桁架面外的稳定，等间距设置了6道环向次桁架，其中最内圈一道为封边桁架。为节省用钢量，在径向桁架受压为主的上弦层额外设置了多道水平支撑。外围径向桁架高度稍小，约2 m，为保证其面外的稳定，结合建筑外观效果采用斜交方式设置了43道系桁架。由于系桁架不作为主要受力体系，出于经济性考虑，采用空腹桁架形式。只在大悬挑处（悬挑长度32.9 m）将其做成实腹式桁架并作为主受力构件。体育中心构架结构体系构成如图2所示。

图2 钢构架结构三维

3 安装技术路线探讨

3.1 传力路径分析

从结构描述可知，该钢构架为一空间桁架体系，竖向荷载最终通过桁架传至三圈框架柱上。空间桁架的传力路径对于施工技术路线的制定尤为关键。

如果屋脊弧形桁架是径向桁架之间的连系桁架，则整个钢构架的传力路径应为：竖向荷载→环向次桁架和屋脊弧形桁架→径向桁架→内圈柱顶桁架、下方支承的框架柱。当结构完成若干榀径向桁架、桁架间的连系桁架及屋脊弧形桁架时，结构的竖向变形量值应与结构全部成形后的差不多。

通过比较结构全部成形和结构部分成形后的变形情况，发现两者之间存在较大差异。结构全部成形后的最大竖向变形值为306 mm，而结构部分成形后的最大竖向变形值为445 mm，比全部成形时的最大变形值大50%。结构全部成形后的结构变形小，是因为屋脊弧形桁架并非径向桁架之间的连系桁架，而是径向桁架的支承桁架，因此整个钢构架的传力路径并不单一，对于结构两侧区域，钢构架的传力路径为：竖向荷载→环向次桁架/屋脊弧形桁架→径向桁架→内圈柱顶桁架、下方支承的框架柱。对于结构中间区域，钢构架的传力路径为：竖向荷载→环向次桁架→径向桁架→屋脊弧形桁架、内圈柱顶桁架、下方支承的框架柱。

3.2 径向桁架安装分区规划

基于上述传力路径，径向桁架支承于框架柱、内圈柱顶桁架以及屋脊弧形桁架，应先完成这些构件的安装工作，然后安装径向桁架、环向次桁架和斜交系桁架等构件。受起重能力和现场拼装条件的限制，桁架只能分段吊装，故必须设置临时支撑。当结构成形后还需经历1次支撑卸载过程，由于钢构架传力路径复杂，整体同步卸载应当优先考虑。本工程的支撑点数量大，一起同步卸载显然会给工程带来极大的成本及风险。

本工程拟对径向桁架规划3个吊装分区，3个分区独立吊装，分区之间的环向桁架后补。当所有分区的构件安装完成后，再对各分区进行独立的卸载工作，而各分区内部采用所有支承点同步卸载的方法，降低卸载管理成本及风险。

分区的规划应满足以下2个原则：各分区在卸载后应是稳定的结构体系；各分区之间的竖向差异变形较小，确保后期环向次桁架在安装就位时不会产生过大的装配应力。

3.3 施工技术路线

最终，钢构架的施工总体技术路线（图3）如下：完成外圈钢框架（包括屋脊弧形桁架、斜柱、外侧径向桁架与连系桁架）以及支承边桁架的安装工作→完成Ⅰ区、Ⅱ区以及Ⅲ区内侧径向桁架的安装工作→完成Ⅰ区、Ⅱ区以及Ⅲ区内侧径向桁架的卸载工作→补缺分区间的连系杆件→完成屋脊弧形桁架的卸载工作→完成剩余结构的安装工作。

图3 施工总体流程

构架结构在完成Ⅰ区、Ⅱ区以及Ⅲ区径向桁架的安装工作后，开展整个构架结构的卸载工作。卸载工作的具体流程如下：

1）进行径向桁架的卸载，跳帮卸载Ⅰ区、Ⅱ区以及Ⅲ区的支承点。

2）对径向桁架剩余支承点进行同步卸载工作。Ⅰ区共有8个支承点，Ⅱ区共有6个支承点，Ⅲ区共有6个支承点，以10 mm作为同步卸载的单级控制卸载量进行多级同步卸载，直至支承点与径向桁架脱开。

3）补缺各分区之间的连系杆件。

4）进行屋脊弧形桁架的卸载，再卸载结构柱之间的支承点。

5）对弧形桁架剩余支承点进行同步卸载工作，共10个支承点，以10 mm作为同步卸载的单级控制卸载量进行多级同步卸载，直至10个支承点与弧形桁架脱开。

4 施工过程跟踪分析

4.1 施工阶段模型

根据施工流程，包括结构安装流程和卸载流程，建立各施工阶段模型。这里共建立38个施工阶段，其中施工阶段ST-1—3为第一阶段钢结构安装阶段，施工阶段ST-4—23为径向桁架分区卸载阶段，施工阶段ST-24为Ⅰ区、Ⅱ区以及Ⅲ区之间的构件补缺阶段，施工阶段ST-25—37为屋脊弧形桁架卸载阶段，施工阶段ST-38为第二阶段钢结构安装阶段。

计算模型中，构架结构杆件采用梁单元模拟。桁架下方的临时支撑采用千斤顶单元模拟，所谓千斤顶单元，实质是一种自定义单元，属于桁架单元，但材性特殊，该单元没有容重，具有较大的弹性模量E，这里取E=1.0×108N/mm2，线膨胀系数1.0×10-3K-1，千斤顶单元长度统一取为1 000 mm。当单元出现10 K的温差时，对应的伸长量为10 mm。

4.2 各支承点的反力变化规律及理论卸载级数

图4给出了径向桁架多级同步卸载支承点在构架结构施工过程中的反力情况。计算结果表明，所有支承点的反力均呈现先增加后减小的变化趋势，其中，在跳帮卸载时，反力值达到峰值，随着同步卸载的进行，支承点的反力均逐步减小直至消失。经计算，Ⅰ区各支承点最多需要经历12级同步卸载，最少需要经历10级同步卸载；Ⅱ/Ⅲ区各支承点最多需要经历12级同步卸载，最少只需要经历2级同步卸载。

图4 径向桁架多级同步卸载支承点反力分布情况

图5给出了弧形桁架多级同步卸载支承点在构架结构施工过程中的反力情况。计算结果表明，当径向桁架卸载完成后，支承点的反力达到峰值，随着同步卸载的进行，支承点的反力均逐步减小直至消失。以10 mm作为每一级同步卸载的卸载量，经计算，各支承点最多需要经历16级同步卸载，最少只需要经历1级同步卸载。

图5 弧形桁架多级同步卸载支承点反力分布

4.3 卸载不同步性对杆件内力的影响

图6给出了径向桁架直腹杆、斜腹杆以及弧形桁架直腹杆、斜腹杆等关键杆件在施工全过程中的内力变化情况。部分杆件的内力在经历施工阶段ST-15—18和施工阶段ST-27—30时出现振荡现象。这是因为在这些阶段中，各支承点之间存在卸载不同步的情况，卸载不同的量值为10 mm，部分支承点因相邻支承点卸载过快而出现反力增大的情况，致使这些支承点对应的桁架腹杆内力增加；当这些支承点卸载后其反力又有所减小，对应桁架腹杆的内力也会降低。

图6 桁架腹杆在各施工阶段下的内力分布

4.4 构件变形

构架结构在成形后的位移分布如图7所示。经计算，构架结构在成形后的最大竖向位移值出现在径向桁架跨中，最大值为306.8 mm；构架结构在成形后的最大水平位移出现在屋脊弧形桁架悬臂段端部，最大值为55.0 mm。

图7 构架结构成形后的位移分布

对于径向桁架跳帮卸载支承点，在完成跳帮卸载后，支承点最大竖向位移为8.47 mm，在结构成形后，支承点最大竖向位移为310.32 mm；对于径向桁架同步卸载支承点，在完成同步卸载后，支承点最大竖向位移为108.39 mm，在结构成形后，支承点最大竖向位移为310.26 mm；对于弧形桁架在结构柱之间的支承点，在完成卸载后，支承点最大竖向位移为7.93 mm，在结构成形后，支承点最大竖向位移为6.47 mm；对于弧形桁架同步卸载支承点，在完成卸载后，支承点最大竖向位移为152.82 mm，在结构成形后，支承点最大竖向位移为152.82 mm。

Ⅰ区、Ⅱ区和Ⅲ区之间需要补缺构件，当3个分区卸载完成后，分区拼缝两侧节点的竖向变形差异值基本在5 mm以内，满足后补施工要求。同时也证明了安装分区的划分合理性。

5 施工监测

5.1 测点布置

针对卸载施工开展现场应力及变形监测工作。其中应力监测测点主要布置在各分区径向桁架杆件上、屋脊弧形桁架杆件上以及临时支撑杆件上（图8）；位移监测测点布置在径向桁架跨中位置、屋脊弧形桁架跨中位置（图9）。

图8 应力监测测点布置

图9 位移监测测点布置

5.2 应力监测结果

图10给出了Ⅰ区径向桁架应力测点的应力变化情况。测点Ⅰ-2和测点Ⅰ-3对应支承处的桁架直腹杆。从图10中可以看出，当跳帮卸载后，该处杆件应力达到峰值，随着卸载工作的实施，杆件应力逐步减小，其间的振荡体现了单级卸载过程中的不同步性，该变化趋势与有限元分析结果一致。

图10 Ⅰ区杆件应力实测值

在整个施工过程中，最大拉应力出现在Ⅳ-3测点，其值为169.79 MPa，最大压应力出现在Ⅳ-1-DOWN测点，其值为－189.85 MPa；在整个施工过程中，所有应力测点应力值均在安全范围内。

5.3 竖向变形监测结果

竖向变形的监测结果（表1）表明，Ⅰ区径向桁架的跨中挠度是最大的，屋脊弧形桁架的跨中挠度是最小的，这与理论计算结果一致。但竖向变形的监测结果均小于理论计算结果，其中屋脊弧形桁架和Ⅲ区径向桁架的跨中挠度偏差值较小，在5%左右，而Ⅰ区和Ⅱ区径向桁架的跨中挠度偏差值较大，在15%左右。

表1 结构成形挠度

6 结语

1）新静安体育中心钢构架的传力路径复杂，竖向荷载并非由径向桁架直接传至框架柱，在中间区域，部分竖向荷载先由径向桁架传至屋脊弧形桁架，再由屋脊弧形桁架传至框架柱。因此在结构安装时，应先安装屋脊弧形桁架，再安装径向桁架；在结构卸载时，应先卸载径向桁架，再卸载屋脊弧形桁架

2）通过划分安装分区，实现分区多级同步卸载，降低卸载的施工成本及管理风险。划分安装分区时，应遵循“分区内的结构体系应保证自身的稳定性，分区间的差异变形不应过大”的原则。

3）施工监测数据能反映出卸载不同步对杆件内力产生的不利影响，为结构卸载施工的安全提供了保障；监测结果与理论分析结果基本一致，证明卸载流程合理可靠。