青岛某体育馆项目总建筑面积为7.5万m², 总座椅数为1.5万个。建筑效果如图1所示。

体育馆钢罩棚为椭圆形, 沿南北向中轴线对称, 南高北低, 南北长194m, 东西长156m, 钢罩棚投影面积为2.4万m², 南侧最高点标高为37.500m, 北侧最高点标高为33.900m。采用外围钢桁架内部劲性钢拉梁悬挂结构体系, 最大跨度为132m, 最小跨度为109m。主桁架40榀, 钢架32榀, 向圆心呈辐射状, 环向分布若干道环桁架和钢环梁。主桁架为片状管桁架, 由上弦杆、斜腹杆、下弦杆组成, 钢架为H型钢。部分主桁架和钢架柱脚位于2层楼面上, 标高分别为8.440m和8.320m, 其他柱脚位于首层, 通过短柱与承台连接, 标高为-0.100m。主桁架上支座处标高为28.600~31.300m不等, 通过盆式支座与劲性柱连接, 共计40个支点。

本工程技术难点集中在空间异形桁架吊装以及结构整体精度的控制, 故主要分析和阐述桁架吊装技术, 空间结构整体稳定性技术要点、难点及解决方案。通过模型可初步形象地了解整个体育馆桁架的结构形式, 如图2所示。

随着国内公共设施的兴起, 钢结构主体趋于大跨度结构且造型美观, 致使主要承重构件趋于异形、超异形。该馆由各类空间异形构件拼装而成。如图3所示。

1) 对整体施工流程及吊装需进行整体把控, 施工顺序复杂。

2) 钢罩棚结构的最大跨度为132m, 最高点标高约为37.500m, 采用片状管桁架结构, 造型为7字形, 且质量较大, 不易进行起钩吊装。

3) 7字形空间异形桁架就位后, 安装位置易发生偏移, 对接焊缝易发生形变, 桁架就位并保证安装精度存在较大难度。

外立面钢构件为空间异形结构, 施工顺序与卸载方法对结构内应力与变形影响较大, 需结合有限元分析软件对整体安装进行施工模拟分析, 选取最优施工流程与卸载方法, 减少施工过程构件变形, 保证卸载内应力有效释放。

1) 计算分析 (1) 运用有限元计算软件对构件位移进行计算 (见图4) , 单元位移均<10mm, 悬挑杆件处位移最大为3.4mm<L/200 (L=4.4m) 。 (2) 杆件截面验算:吊装过程中, 对各吊装单元杆件截面进行验算, 通过对最不利杆件的截面验算, 各吊装单元的杆件截面抗压、抗弯、抗剪、抗扭及稳定性均满足要求。

2) 吊耳设置逆施工工艺中空间异形外立面钢结构需整体吊装。构件超宽、超高、超重, 起吊后不易用倒链调节。吊耳布设需保证异形构件起吊后结构位形与原设计结构位形相同, 确保一次吊装就位。采用有限元模型与CAD模型相结合的方法, 找取构件重心, 布设吊耳位置。如图5所示。

3) 双吊机配合起吊采用主吊机和辅助吊机配合起吊的方式将空间异形柱扶至吊装状态, 以防单机起吊时自重荷载对弧形柱产生扭转变形效应。辅助吊机起重性能需至少满足一半构件质量。根据异形构件的外轮廓形式可设置多个吊点, 以防异形构件起吊过程中产生过大翻转。构件扶至吊装状态后, 辅助吊机松钩, 由主吊机单独吊装就位。

1) 焊接保证措施 起吊完成后, 下部支座先完成就位, 并进行焊接。 (1) 拆除临时固定; (2) 上支座板旋转45°向上拔出 (见图6) ; (3) 下支座板焊接在预埋件上; (4) 装配上支座板, 装配方法为把上支座板放在齿牙间的缝隙里, 然后旋转45°使上支座板齿牙和下支座板对齐, 万不可有偏移; (5) 装配上支座板后要使上支座板和下支座板同轴线, 即支座上板要居中, 并且保持上支座板水平; (6) 焊接临时固定, 把临时固定焊接在上支座板和预埋件上。

上部相贯口处, 用马板进行临时固定, 需加设至少3块马板, 构件焊接处板开设过焊孔 (地面开设) , 马板焊接长度各个方向应≥100mm, 并且马板需在构件焊接完成后进行切割。

2) 缆风绳保证措施 构件就位后拉设缆风绳进行位置固定。再进行桁架上口位置就位, 将上口位置通过临时连接板进行临时固定。采用缆风绳将吊装单元与地面固定, 缆风绳另一端固定于桁架1/3L处, 增加其稳定性。拉设时不得使构件出现偏差。在环桁架全部安装完成后方可进行拆除。

3) 临时支撑保证措施 机房顶面位置上钢结构与混凝土结构净空在360~650mm的临时支撑采用点式临时支撑, 由H300×300×10×15短立柱、钢板支撑体系组成。短立柱高度根据不同临时支撑支撑位置的主桁架下弦底面标高H₁与机房顶临时支撑埋件顶标高H₂之间的差值来确定。下部通过预埋件连接, 预埋件尺寸为400mm×400mm。钢板支撑体系由底板及两侧限位板组成, 板间净空370mm, 安装过程中用楔铁调节水平位形并固定。若侧向支撑与环桁架碰撞, 可先将其余环桁架安装完毕后, 将其拆除, 再安装此位置环桁架。

体育场馆类工程跨度较大, 除主桁架外水平方向均由环桁架连接而成, 从而保证结构的整体稳定性, 本工程中, 内环桁架作为主要的水平承力构件, 对结构的整体稳定性起决定性作用。

1) 内环桁架为三角桁架结构, 沿环向分段后, 整体质量近30t, 且为内外场分界处, 吊装半径大。

2) 内环桁架吊装质量较大, 下部无法布置临时支撑, 且吊装工况复杂, 焊接工作量大。

1) 对内环桁架进行合理分段将内环桁架分为3段进行安装 (见图7) , 首先安装与钢桁架端部相连接的截面为D1 000×50的主管, 后安装片式桁架架结结构构, , 再再进进行行二二者者间间嵌嵌补补杆杆件件的的安安装装。。

2) 压环梁在内场利用300t汽车式起重机进行吊装, 吊装就位后, 与主桁架的对接接头直接进行焊接, 解决了胎架支撑的难题, 同时保证结构自身安全。同时采用跳段式安装方式, 将两侧压环梁与屋面桁架焊接完成后, 对中间段进行吊装, 同时与两侧压环梁进行焊接, 合理的吊装顺序减少了牛腿布置数量、焊接量、内场汽车式起重机站位点, 提高吊装效率。

1) 安装前, 应对构件的外形尺寸、位置、连接件位置及角度、焊缝等进行全面检查, 在符合设计文件和有关标准的要求后, 才能进行安装。

2) 钢罩棚杆件定位采用空间坐标控制, 由杆件拼接焊接引起的收缩变形或其他引起杆件的压缩变形, 应在制作时加以考虑并调整杆件的实际长度。

3) 构件安装顺序应认真设计, 尽快形成一个刚体以便保持稳定, 也利于消除安装误差。

4) 须利用已安装好的结构吊装其他构件和设备时, 应进行必要的验算。

5) 钢结构安装前, 应根据定位轴线和标高基准点复核和验收土建施工单位设置的制作预埋件或预埋螺栓的平面位置和标高。

钢结构吊装技术的深入研究及细化直接关系到结构的安全、工程成本、工期等。特别是对类似于青岛某体育馆项目的钢结构工程能否很好地保证工期及质量, 起到了非常重要的作用。本文详细阐述了青岛某体育馆项目吊装过程中遇到的难点和解决措施, 展现了合理的吊装技术对结构质量及工期缩短优势, 可供同类建筑钢结构工程的设计、施工参考与借鉴。