忠县电竞场馆及配套设施项目, 穹顶呈空间圆弧形, 如图1所示, 直径95.8m, 主要由管桁架和水平支撑组成。主、次桁架共28榀, 环带桁架7榀。其中, 4榀主桁架, 高6m, 单榀长95.8m, 重约100t;24榀次桁架分2种形式:一种从第2道环带桁架辐射出, 一种从第3道环带桁架辐射出。2种次桁架高均为6m, 单榀最长38.28m, 重约20t。环带桁架7榀, 最大直径达75m, 安装难度极高。

超长主、次桁架与环带桁架穹顶钢结构安装采用整体拼装、分段安装的工艺, 将整个穹顶结构转化成简单框架结构进行安装。主桁架超长, 地面分

段拼装、分段安装;主、次桁架作为穹顶骨架, 形成穹顶的伞骨结构, 环带桁架环向连接, 分段安装完成后与主、次桁架形成稳定结构;采用Tekla深化设计软件、配合CAD画图软件, 建立结构及胎架三维模型, 根据拼装方式, 提取三维坐标, 控制胎架精度以及拼装精度。主、次桁架与主体结构柱刚性连接, 临时支撑胎架是整个穹顶桁架安装成功的基础, 穹顶安装完成后拆除支撑, 解除应力, 穹顶形成稳定结构。采用合理的安装顺序, 保证施工质量, 同时保证施工效率。

通过Tekla软件建立模型, 进行深化设计, 对穹顶超长主、次桁架与环带桁架分段深化并进行施工模拟分析;分析优化后, 出具深化图纸加工制作构件, 保证加工厂桁架构件加工的精度;提取三维空间坐标, 根据三维坐标设置胎架及构件安装的定位板, 构件安装精度得到有效保障。

穹顶安装高度距地面41.65m, 整体质量非常大, 安装难度较大, 通过分段吊装、设置临时支撑胎架解决了跨度大的难题。胎架使用塔式起重机标准节在现场地面拼装完成后, 通过定位板精确定位安装完成。胎架间通过连接杆加固, 使胎架整体受力, 保证胎架稳定牢固。

中心位置钢柱节点将主桁架连接为一个整体受力构件, 中心钢柱共有24个连接节点, 呈360°均匀分布, 连接主桁架的上、下弦节点, 钢柱高6m, 分为2段在加工厂精确加工制作。中心钢柱节点的安装精度是整个穹顶成功的基础, 也是穹顶安装的第1个构件, 安装时布置4个控制点位, 使用4台全站仪进行全方位监测, 空间坐标放样测量解决了安装测量精度控制的要求。

主、次桁架与主体钢柱刚性连接, 通过中心位置钢柱节点将桁架连接为整榀桁架, 为主受力构件;主桁架单榀质量大, 采用Tekla分段深化出图, 散件运输至现场进行地面分段拼装, 拼装成单段桁架后进行吊装, 以此解决了单榀质量大、整榀安装难的困扰, 并且在进度和质量方面得到了保证。吊装时采用三维空间坐标控制安装精度, 且每段桁架设置4个测量控制点位, 实现精确对接安装。

水平桁架为穹顶圆弧最外侧封边弧形桁架, 水平安装, 将穹顶伞骨造型连接成一个整体, 与环带桁架相互呼应, 使穹顶造型更具美感。水平桁架安装采用地面拼装、分段吊装。

放射状桁架为第1道环带桁架向第2道环带桁架对角连接形成的向日葵边角造型的穹顶中心桁架结构, 此桁架对加工制作精度要求较高, 地面拼装时采用全站仪精确控制加工尺寸和点位, 模型与现场实时对比, 避免了因加工尺寸误差大而引起的返工、误工现象。

通过对整个穹顶钢结构主体的合理拆分、明确主次安装顺序, 采用三维空间坐标精确定位, 实现了超大、超长圆形桁架穹顶的精确安装, 并取得了较好的经济效益。

整体施工工艺流程为:深化设计, 出深化图纸→构件加工制作→分段桁架地面拼装→临时支撑胎架安装→三维坐标设置定位板→中心位置钢柱安装→主桁架分段对称安装→第1道环带桁架安装→第2道环带桁架安装→第3道环带桁架安装→第6道环带桁架安装→第7道环带桁架安装→水平桁架分段安装→次桁架整体对称安装→第4道环带桁架安装→第5道环带桁架安装→胎架荷载卸除→胎架拆除。

通过Tekla软件建立模型, 对穹顶超长主、次桁架与环带桁架分段深化并进行施工模拟分析;分析优化后, 出具深化图纸加工制作构件, 保证加工厂桁架构件加工精度, 提取三维空间坐标, 根据三维坐标设置胎架及构件安装的定位板, 构件安装精度得到有效保障。

根据超长桁架分段、分节安装的施工思路, 将圆弧形穹顶结构 (见图2a) 拆分为超长主桁架、超长次桁架、环带桁架。其中超长主桁架分为4榀 (见图2b) , 单榀长95.8m, 净跨度86m, 单榀重约100t, 先对称分段, 再按起重范围内质量进行分段, 分段长度最长10.052m;超长次桁架分为24榀 (见图2c) , 长27.556m, 重约16.5t, 全部在地面拼装成整榀后再吊装;环带桁架分为7榀, 环带桁架将主、次桁架全部连接为一个整体, 最大分段长11.992m, 重8t, 如图2d所示。

1) 桁架拼装的场地应选择在楼面或硬化后的地坪上, 根据事先设计好的胎架尺寸、位置进行胎架搭设。

2) 为减小拼装误差累积对精度带来的影响, 分段桁架拼装应按如下顺序进行:竖向弦杆安装→横向弦杆安装→斜腹杆安装。

3) 应遵循从主弦杆到次弦杆的顺序进行焊接施工。

穹顶钢桁架全部采用分段吊装, 使用25组胎架作为临时支撑系统。其中, 穹顶中心位置节点较大, 需设置3组胎架。胎架最大支撑高度35.464m, 内圈2组胎架间采用φ218×10圆管在顶部以及中间部位径向和环向分别设置1道水平支撑, 水平支撑与胎架焊接连接确保整体稳定性。为进一步提高胎架稳定性, 需将最外围8组胎架在中部位置与L3层看台梁采用φ218×10的圆管呈八字形附着连接。具体布置及节点如图3~6所示。

步骤如下: (1) L1层钢梁施工完毕后, 通过测量放线, 确定胎架以及转换钢梁的定位; (2) 将胎架底部支座固定埋件焊接在钢梁上, 其中, TJ21~TJ25直接焊接在路基箱上; (3) 待L1层混凝土浇筑并达到设计强度后开始安装胎架底部支座 (直接焊接在固定埋件上) ; (4) 依次安装标准节、水平连系杆件以及顶部支座, 首节标准节安装时在胎架中部进行斜向支撑。

在安装每个胎架前, 事先在地面上将安全爬梯和防坠器或镀锌钢丝绳固定在顶部, 绑好的钢跳板作为安装时的操作平台。爬梯设置在胎架内侧, 提供人员上、下的安全防护, 爬梯采用标准化制作。

在胎架安装阶段, 吊装前需在措施顶部先进行钢跳板的绑扎, 作为上节标准节或其他措施安装的操作平台, 然后方可进行吊装, 待上节安装完成后, 再进行拆除循环使用, 在安装胎架过程中, 拉设缆风绳进行临时固定。

固定措施如下: (1) 吊装中心钢柱时, 必须将钢柱与下部胎架连接牢固, 并采用缆风绳固定; (2) 主桁架首段钢柱安装时, 必须将桁架与钢柱固定牢固以后再松钩; (3) 主桁架两侧每个节点位置拉设缆风绳; (4) 主桁架安装时, 在胎架支撑位置采用[10进行斜撑, 同时将桁架下弦杆与胎架焊接固定。

穹顶结构采用胎架进行支撑, 先安装中心节点以及4榀主桁架, 然后依次安装第1, 2, 3, 6, 7道环带桁架, 待形成一个稳定体系后, 再安装24榀次桁架, 最后安装剩余的第4, 5道环带桁架以及水平支撑, 具体穹顶桁架安装思路及步骤如下。

1) 布设胎架中心位置布设3组胎架, 在4榀主桁架的分段位置各设置1组胎架。并在TJ1~TJ20胎架对应位置钢梁底部进行反顶支撑, TJ21~TJ25连接在路基箱上。

2) 吊装穹顶中心位置钢柱。

3) 分段对称安装1榀主桁架 (按照第1, 2, 3段的顺序) , 第1段安装时必须与钢柱固定稳定后才能松钩。

4) 依次对称安装剩余主桁架 (见图8) 。

5) 分别对称安装第1, 2, 3道环带桁架及水平撑, 同时搭设内圈水平通道。

6) 分别对称安装第6, 7道环带桁架及水平桁架。

7) 对称安装24榀次桁架。

8) 对称安装第4, 5道环带桁架及水平支撑。

9) 待穹顶杆件焊接完成, 先同时卸载TJ21~TJ25后进行监测, 再同时卸载TJ12, TJ14, TJ16, TJ17及TJ19号胎架。

10) 同时卸载TJ13, TJ15, TJ18, TJ20号胎架。

11) 最后分级卸载TJ1~TJ11号胎架。

穹顶整体安装完成以后, 开始从外向内分3个阶段进行卸载。根据胎架支撑点的受力不同, 采用不同大小的千斤顶进行卸载, 千斤顶最大为100t (见图9) 。

胎架顶部工装高350mm, 两点支撑, 工装全部采用Q345B, 30mm厚的钢材加工。

卸载流程为: (1) 卸载前准备工作包括安全措施搭设、千斤顶检查等; (2) 根据施工模拟结果以及现场实际安装测量数据, 确定各胎架点位的卸载量, 各阶段胎架卸载值如表1所示; (3) 根据确定的各点卸载量, 将千斤顶作用在各点位上, 待稳定后, 同步缓慢地将下弦杆与原支撑点位割开, 割缝≤10mm (不能伤害下弦杆) ; (4) 待千斤顶稳定后, 各点位开始同步缓慢卸载, 每卸载10mm暂停一段时间, 观察结构及胎架的稳定性, 如发现异常, 即停止卸载; (5) 完全卸载后, 将下弦杆原支撑位置打磨平整, 补涂油漆, 并陆续拆除胎架; (6) 持续对穹顶结构进行测量观测。

穹顶结构复杂、跨度大、胎架多, 通过对施工过程中穹顶、胎架以及L1层楼板和筏板的沉降和平动的监测, 可及时获取各施工阶段不同结构部位的变形情况, 将监测所获得的数据与事先经过施工模拟分析所得的变形数据进行对比, 及时分析调整施工和安装变形误差, 保证安装精度。结构监测采用在主受力部位粘贴反射片, 支撑圆管及楼板监测主要通过目测及千分尺。

分段桁架为弧形结构, 为保证桁架的空间形态, 采用2点吊装, 吊点都设置为可调节绳索, 可对单片桁架进行调节, 吊点设置在刚接节点位置。

1) 分段桁架、中心柱、环带分段桁架、水平桁架吊装, 要考虑构件质量、安装高度及起重机起重性能, 选用1台ZSC-1600B-70m, 1台ZSC1400-70m、2台ST80-75-70m塔式起重机进行环绕吊装。

2) 桁架吊索采用6×37+1钢丝绳, 采用2个吊点, 安全系数取6, 吊装时钢丝绳与水平夹角为45°, 穹顶桁架分段构件质量≤30t, 采用2个吊点, 计算质量取33t, 其破断拉力总和为2 000k N (200t>185.868t) , 满足要求。

各阶段吊装模拟流程:安装外围2段主桁架→安装第2段主桁架→安装第3段主桁架→安装剩余主桁架外围段→安装剩余主桁架第2段→安装剩余主桁架第3段→安装第1, 2, 3环带桁架及水平撑→安装第6, 7道环带桁架 (任意2个主桁架之间段) →对称安装第6, 7道环带桁架剩余段→对称安装24榀次桁架→安装第4, 5道环带桁架及剩余水平桁架→先整体分级卸载胎架TJ21~TJ25, 再整体分级卸载胎架TJ12, TJ14, TJ16, TJ17, TJ19→整体分级卸载胎架TJ13, TJ15, TJ18, TJ20→整体分级卸载胎架TJ4, TJ6, TJ10, TJ8, TJ5, TJ7, TJ9, TJ11, TJ1, TJ2, TJ3。

各阶段吊装模拟分析如表2所示。

对安装施工过程进行应力模拟分析, 并根据分析结果进行安装施工调整优化, 确保安装的安全可靠性。

针对超长桁架穹顶的结构特点, 综合考虑各种因素后, 在超长主、次桁架与环带桁架穹顶钢结构的安装过程中, 形成了一套系统、完整的施工技术, 即超长主、次桁架与环带桁架穹顶钢结构施工技术, 在复杂中找出规律, 由困难变为简单。该技术使整个穹顶桁架安装工期缩短10d, 节省安装费用60.14万元, 在应用时不但缩短了施工工期, 还取得了明显的经济效益, 既能满足功能需要, 又降低了成本, 减少了时间、材料、人力的浪费。