福建省三明市清流县体育中心体育馆工程, 位于清流县龙津镇屏山路, 处于群众性体育活动的核心地区。工程建设规模为单层体育馆, 建筑占地面积5 565m², 地上总建筑面积8 869m², 建筑总高度21.30m。本工程平面设计为椭圆形建筑, 南北长63.396m, 东西宽82.400m, 可容纳观众6 000人。主体结构采用钢框架结构, 屋面设计采用管桁架结构, 体育馆结构如图1所示。抗震设防烈度为6度 (0.05g, 第1组) , 场地Ⅱ类, 基本风压为0.15k N/m²。

屋面结构布置如图2所示。屋面主桁架设计横向布置6榀, 设置有水平斜撑和系杆。次桁架纵向布置2榀, 环形CHJ-2~CHJ-6桁架环绕柱顶支座设置, CHJ-7~CHJ-11桁架环绕檐口设置。屋盖管桁架主要构件如图3和表1所示。

1) 横向ZHJ-1~ZHJ-3主桁架, 以○Q轴、○Y轴的轴线为基点分为3段拼装。

2) 纵向CHJ-1桁架, 以6榀主桁架的轴线为基点分为7段拼装。

3) 环向CHJ-2~CHJ-6和CHJ-7~CHJ-11次桁架, 以纵横向主次桁架轴线为基点各分为16段拼装。

本工程主、次桁架均采取分段拼装和吊装, 主桁架分段后的长度<30m。现场拼装时, 需用较大的拼装场地。拼装场地的布置直接影响到桁架的拼装速度, 而拼装速度的快慢又直接影响到安装速度和整个工程的进度, 所以拼装场地的布置至关重要。施工时, 为确保拼装场地的利用效率, 需综合考虑构件堆场、起重机行走路线、构件运输路线等, 做到合理布局;统筹安排尽量减少构件二次倒运及起重机行走距离与吊装难度。

本工程除环向次桁架外, 共有6榀横向主桁架和2榀纵向次桁架, 采用对称布置, 共有4种不同规格和尺寸的管桁架, 对于各个拼装单元设置专用的拼装胎架, 宜采用统一设计, 尽量互换使用。桁架在经过硬化处理的拼装场地进行拼装。桁架拼装以桁架单元为整体、一次拼装成型的形式进行组装。支撑胎架设置应留置有满足焊工的施焊空间, 避开节点位置。拼装胎架杆件规格按照设计强度和刚度要求进行选择, 并经过设计计算确定, 保证其稳定性。为方便桁架起吊, 胎架定位块的位置应严禁与桁架起吊时碰撞。

进行结构吊装前, 弹性支座应安装到位。由于弹性支座安装位置较高, 所以选择履带式起重机进行安装。根据结构安装顺序, 安装弹性支座从东侧开始, 按逆时针顺序安装。弹性支座在安装就位前, 应根据特定位置的支座尺寸, 将测量点放样在柱头预埋件板上, 当弹性支座吊装至预埋板后, 根据放样尺寸安装到位, 最后将支座与柱头预埋板焊接完成。支座设计参数为:N_压=1 500k N, 跨度方向位移为26mm, 纵向位移为18mm, 弹性剪切刚度约2k N/mm, 如图4所示。

管桁架分段吊装需设置临时支撑架平台, 以便桁架分段就位及连接, 按桁架分段的质量进行计算, 临时支撑架操作平台采用塔式起重机标准节搭设, 临时支架在管桁架分段吊装前必须制作完成并经验收合格方可使用。临时支撑架在整个屋面管桁架吊装过程中起着十分重要的作用, 大部分荷载都将由临时支架承担, 吊装结束后, 利用临时支撑架对结构进行卸载。如图5所示。

支撑架测量定位, 在混凝土基础面上弹出架体中心线和边线。采用自制标准节在混凝土基础上搭设临时支撑架, 底节吊装就位后, 用经纬仪校正, 并将底节4个角的主撑与预埋件点焊定位, 然后依次起吊安装到支撑架顶部。为了防止临时支撑侧向失稳, 采用14mm对拉钢丝绳在支撑架的角部上、下设2道, 并与地锚拉结, 钢丝绳拉结的角度为45°~60°, 对拉钢丝绳必须与标准节角部节点有效连接。具体做法如图6所示。

支撑架安装到顶后, 并连的2个支撑架顶部采用3根H250×250×9×14型钢系桁架, 系桁架与支撑架立撑、横撑间采取电焊固定, 再在顶部平台上满铺12mm厚花纹钢板。为了便于桁架就位和对接, 在临时支撑架顶部设置定位胎模, 在系桁架上采用H400×400×13×21型钢横桁架, 并点焊在系桁架上, 定位胎架的定位及高度。根据现场实测结果, 加长或减短胎架H型钢以调整胎架高度。

单件质量大于22t的桁架拼装段, 采用300t汽车式起重机双机抬吊作业;单件质量小于22t的桁架拼装段, 采用300t汽车式起重机单机吊装作业。桁架吊装机械选择拟采用300t汽车式起重机, 型号LTM1300/1, 伸缩式吊臂为60m。

体育馆平面呈椭圆形, 钢结构屋面面积约6 000m², 工程占地面积大, 构件数量较多, 施工吊装作业面大。体育馆周边征地红线30m范围内无任何建 (构) 筑物存在。根据业主提供资料及场地现状调查显示, 拟建场地内无地下水、气、电管道及光缆通过, 空中无架空线路。

利用20t重型振动压路机碾压场地土层, 密实度要求≥0.94, 吊装道路再铺300mm厚卵石层。汽车式起重机支脚范围内路基除按上述路面做法外, 支脚下在卵石层铺设30~50mm厚砂调平层, 再铺设1m×1m、20mm厚钢板, 使路基的承载力>200k Pa, 以满足吊装要求。

管桁架拟在椭圆形体育馆外围吊装, 为便于大型履带式起重机吊装作业, 主体结构变形缝以外的东、北边室外楼梯土建暂不施工, 施工道路距离主体结构3m以外修筑。汽车式起重机进出场通道及体育馆外围的环形施工道路宽度为12m。场地布置如图7所示。

以ZHJ-1, ZHJ-2, ZHJ-3主桁架分段后的I段长度和质量作为双机抬吊的验算依据。根据吊装工况条件选择2台300t汽车式起重机主臂抬吊, 主臂高度选定为46.1m, 工作幅度选定为36m, 查阅汽车式起重机工况额定起重量表, 单机起重量为16.2t, 双机抬吊起重量为32.4t, 安全系数>1.3。以ZHJ-1主桁架分段后的II段长度和质量作为单机吊装的验算依据。根据吊装工况条件选择1台300t汽车式起重机主臂起吊, 主臂高度选定为40.9m, 工作幅度选定为26m, 查阅汽车式起重机工况额定起重量表, 单机起重量为26.5t, 安全系数>1.25。

先吊装横向主桁架, 再吊装纵向次桁架, 最后吊装环向次桁架。

1) 先吊装横向ZHJ-1主桁架;再吊装ZHJ-2主桁架、ZHJ-3主桁架。

2) 横向主桁架ZHJ-1, ZHJ-2, ZHJ-3以○Q轴、○Y轴为基点分3段吊装, 先吊装跨中的I段, 后吊装两端的II段。

3) 纵向次桁架CHJ-1, 以6榀主桁架轴线为基点分7段吊装, 当相邻2榀主桁架吊装就位, 完成空中对接、支座临时固定后, 吊装该段次桁架, 以此类推至完成。

4) 纵横向桁架吊装完成后, 先吊装环向次桁架CHJ-2~CHJ-6, 后吊装CHJ-7~CHJ-11。

5) 吊装时, 采用300t汽车式起重机在体育馆外侧环向施工道路进行吊装作业, 桁架从中间向两端分段进行吊装, 主桁架I段采用300t汽车式起重机双机抬吊, 其余均采用300t汽车式起重机单机吊装。

起重机进场时须提供起重机的合格证、特殊操作工人的证件等相关检测证书。并做好起重机的进场检验工作, 确保起重机械各项性能良好。清除起重机转臂空间范围内障碍物, 并用警示彩带设定警戒区域, 非吊装施工人员严禁靠近。吊装前将起重机械试运转一次, 观察各部分及操作系统有无异常, 并检查所有起重机具钢丝绳、卡环、吊钩等是否安全, 符合要求后方可使用。安装施工人员根据桁架的实际尺寸, 对吊装施工中垂直空间内影响和阻碍吊装的物体拆除清理干净。根据现场实际情况和施工机械的现状, 编制合理的吊装施工方案。检查各桁架节点、杆件、连接件或焊接材料的原材料质量保证书和试验报告, 复验小拼单元质量合格证书;并确保数量、质量准确无误。对支座及预埋件的位置和标高、桁架的定位轴线和标高进行复核检查, 确保在有支撑条件的点位上, 各点的预埋件及支撑符合平面轴线、高度坐标、平整度等方面的设计要求;测量工作开始前, 先核对钢尺。土建单位、构件制造厂和安装单位三方必须使用经同一标准核对过的钢尺, 并规定钢尺拉力。复核桁架施工图与实物。重新检验临时支撑架和作业平台, 并满足安装面积及使用荷载的要求, 且安全可靠。放出桁架安装位置线及辅助线, 精确到0.5mm, 用色泽鲜艳、牢固的颜色标在永久性的钢筋混凝土结构上。吊装施工时使用的钢丝绳、索具、撬棒、卡环、包角、道木等应准备齐全, 并达到施工使用要求。

管桁架分段拼装→检验→平板车运至吊装地面就位→管桁架分段吊装→支撑架空中平台胎架临时固定→支座连接 (临时) →管桁架分段空中焊接→焊接检验→支撑、系杆安装→校正检验→支座固定。

本工程管桁架吊装使用19.5mm (麻绳芯) 钢丝绳捆缚好桁架, 并在转角处采用包角垫或橡胶块垫好, 以防损伤或折断钢丝绳。起重机采用吊钩将钢丝绳钩好并锁上保险销 (防止钢丝绳从吊钩里脱出) 。4个吊点选择各30t的U形卸扣卡环作为吊具, 吊索采用双支吊索起吊。由吊装总指挥统一指挥起重设备开始起吊, 收紧钢丝绳, 待桁架吊离0.5~1m时, 停一下保证桁架的稳定, 然后再缓缓提升至安装高度, 平移至支座或临时胎架处, 慢慢调整轴线, 使桁架下弦钢管对准支座或胎架。起重机缓慢松下距离支座0.1m时停止, 对准轴线, 使桁架平稳地在支座或胎架上落槽。为防止在起吊过程中桁架摆动或碰撞, 桁架两端部左右两侧各设1根方向绳, 吊装过程中应由专人拉紧方向绳, 控制桁架方向。

主桁架I段采用300t汽车式起重机双机抬吊。2台汽车式起重机在 (10) 轴、 (27) 轴南北两侧就位, I段桁架采用平板车从拼装场地运至体育馆的东、西侧汽车式起重机主臂工作幅度内就位。其余均采用单机吊装, 汽车式起重机在体育馆外围施工道路就位。ZHJ-1~ZHJ-3主桁架的中间I段起吊后, 两端就位于临时支撑平台的胎架上, 做临时固定。管桁架的两端Ⅱ段起吊后, 其一端就位于支座上, 另一端就位于临时支撑平台的胎架上, 并采用1台50t汽车式起重机就位于室内, 以稳定桁架, 暂不得脱钩。

按照以上步骤, 吊装完I段桁架后, 移机到南北两侧吊装该桁架的II段桁架。第1榀桁架吊装完成后, 300t汽车式起重机移位至下一榀桁架吊装的适当位置, 按上述程序进行第2榀管桁架吊装。为保持桁架的稳定性, 相邻2榀主桁架吊装完成后, 随即进行2榀主桁架之间○Q轴和○Y轴的纵向次桁架CHJ-1安装, 最后吊装环向次桁架CHJ-2~CHJ-11, 以此类推至完成。

管桁架吊装采用全站仪管口坐标法进行吊装定位测量, 在支撑平台胎架上, 每个吊装段落位时均需要反复调整管口位置。高空定位时, 稳定起重机不松钩, 待各个管口的位置调整好后, 桁架一侧先用临时连接耳板连接固定, 另一侧在支撑平台使用千斤顶支撑调节到位后, 立即派焊工对临时耳板连接处管口进行焊接, 当焊接完成后稳定起重机方可松钩。对桁架主管及相互之间的腹杆在装配平台上利用组装胎架进行装配, 装配工艺为在胎架上先组装上弦及下弦的主管, 确定其空间位置, 然后装配支管并定位、焊接。

屋面系杆及屋面水平支撑设置在管桁架上弦主管上。系杆XG1及屋面水平支撑SC1均采用168×8无缝圆管。单元管桁架就位固定完毕后, 采用吊装系杆、水平支撑等, 将临时固定好的桁架与桁架对接和施焊。支撑连接完成时对桁架进行垂直度校正和最后固定, 垂直度用经纬仪或全站仪检查。待桁架经校正合格后, 即可最终拧紧各部位螺栓做最后固定。

卸载是从施工安装阶段到设计完成阶段的转化过程, 拆除过程要避免结构局部构件和节点的破坏, 这个过程要保证结构安全、稳定以及支架的安全。根据结构特点, 屋盖安装完毕后先拆除中部支架, 然后拆除较近的支架。支撑架整体拆除顺序是从中间 (跨中) 向四周拆除。

卸载实际就是荷载缓慢的转移过程, 因为施工阶段的受力状态与结构最终受力状态有区别, 施工中必须通过施工验算并采取切实可行的技术措施, 才能确保满足各种工况要求。因此在荷载转移过程中, 必须遵循“变形协调、卸载均衡”的原则。避免有可能造成临时支撑超载失稳, 或者桁架结构局部甚至整体受损。

根据上述“变形协调, 卸载均衡”的原则, 将可调节点支撑装置千斤顶 (支架上) 多次循环微量下降来实现“荷载平衡转移”。

1) 卸载过程中, 支架支撑点卸载先后次序不同, 其轴力必然造成偏差, 同一卸载步骤中的各支撑点是不同步的, 所以应根据施工验算结果在关键支架支撑点部位, 放置检测装置, 检测支架支点轴力变化, 确保临时支架和桁架的安全。

2) 卸载过程中严格控制循环卸载时的每一级高程控制精度, 设置测量控制点, 对卸载全过程进行监测, 并与计算结果对照, 实时获得偏差信息。

清流县体育馆屋面管桁架体积大、工程量大, 施工工期紧张, 且受施工现场散拼安装条件的限制, 采用了杆件工厂集中加工, 现场采用胎架拼装、整体吊装的方案, 有效解决了散拼安装无法保证工期的切实问题, 同时确保了施工安全和工程安装质量, 取得了良好的社会效益和经济效益。