本工程位于呼和浩特市保和少镇, 总建筑面积7万m², 建成后作为内蒙古成立70周年庆主会场, 包括国际赛马跑道、少数民族体育竞技、民族文化旅游服务、配套商业餐饮等功能, 类似项目国内尚无先例。本文描述的项目主体由多功能主楼、看台楼和亮马圈组成, 如图1所示。

3个单体钢结构相互独立, 其中多功能主楼钢结构长280m, 宽43.4m, 最高点标高47.700m, 两侧罩棚采用框架结构体系, 中间罩棚和蒙古包穹顶为肋环型单层网壳, 由网壳系统1~4、树杈柱、入口柱等组成, 如图2所示。

亮马圈采用三角管桁架托单层网壳结构体系, 横向4榀主桁架的跨度为87.9m, 结构长度方向为148m, 如图3所示。

看台楼钢结构罩棚支承于混凝土柱上, 为框架结构体系。钢结构截面形式主要为矩形管, 部分矩形管为弯扭构件, 如图4所示。

多功能主楼以中心网壳结构为界, 利用2台150t履带式起重机和2台MC480塔式起重机 (70m臂长, 土建结构施工时设置) 穿插安装两侧的钢结构罩棚, 待两侧罩棚钢结构与中心网壳结构的交界面安装完成后, 采用2台50t履带式起重机安装中心网壳落地部分 (即网壳系统1) , 上部网壳系统2~4仍然采用2台MC480塔式起重机进行分片吊装。

亮马圈采用“地面拼装、分段/分块吊装”的施工方法, 利用150t履带式起重机由南向北先安装主、次桁架, 同时配备2台50t和2台25t的汽车式起重机进行网壳分片吊装和补装工作。由于施工工期紧张, 金属屋面需要在钢结构整体完成之前跟进, 因此, 施工用的临时支撑需要边安装边拆除。拆除原则为:拆除临时支撑的主结构必须焊接或栓接完毕, 必须保证主结构不会因临时支撑拆除而产生倒塌或内力变化过大。

由于亮马圈为封闭型结构, 履带式起重机需在内部进行吊装作业, 需在结构东北角设置预留通道, 如图5所示, 以便履带式起重机能顺利出场拆臂, 预留通道两侧的次桁架和门框桁架需待履带式起重机出场后, 在结构外围进行吊装, 然后采用50t汽车式起重机对结构进行封闭。

看台楼利用2台TC7030塔式起重机 (70m臂长) 、1台TC6015塔式起重机 (60m臂长) 和1台120t汽车式起重机从两侧向中间有序安装钢结构。

1) 多功能主楼两侧钢框架罩棚和中心网壳系统1~3, 分段点位置与土建结构之间的距离较小, 直接在分段点附近支设单圆管即可满足吊装需求。需要注意的是, 单圆管底部对应位置的土建结构上需设置预埋件, 单圆管与预埋件焊接固定, 单圆管顶部拉设缆风绳, 以保证侧向稳定。

2) 3个蒙古包与土建结构之间的距离比较大, 但是构件截面均比较小, 因此临时支撑的受力比较小, 临时支撑尺寸的主要控制指标是被支撑结构的变形和临时支撑本身的稳定。以中心网壳的蒙古包 (网壳系统4) 安装为例, 蒙古包下部为大空间, 地面至蒙古包钢结构屋面之间无任何土建结构遮挡, 一般均采用格构式支撑架直接落地进行吊装作业, 同时, 由于支撑架高度较大, 为了保证其侧向稳定, 支撑架之间采用水平桁架进行拉接, 如图6所示, 由于内部空间有限, 支撑体系质量相对较大, 钢结构屋面安装完成后, 汽车式起重机进入内部没有足够的空间进行支撑架的拆除工作。

本工程实际施工时, 充分利用了蒙古包周边的土建结构, 在蒙古包安装前, 首先在蒙古包根部的混凝土封边梁上设置钢梁, 再在钢梁上设置格构支撑体系, 如图7所示。钢梁在混凝土封边梁上的对应位置设置埋件, 钢梁与埋件焊接固定, 此时, 临时支撑与蒙古包之间的距离较小, 大大减小了临时支撑的截面面积, 支撑架的面外稳定已经不再成为控制因素, 预计用钢量比上述方法减少60%;同时, 临时支撑下部空间得到了释放, 可以为土建结构的二次作业提供场地, 也为临时支撑的拆除提供有利空间。

3) 亮马圈地上部分为全钢结构, 临时支撑直接落于室内地坪上 (对应位置无地下室结构) , 故根据支撑高度和竖向压力, 主、次桁架采用三肢格构式支撑架, 网壳部分采用单圆管形式支撑, 可灵活倒用。支撑布置如图8所示。

4) 看台楼屋面中部为两端悬挑的钢结构, 由于其悬挑长度较大, 安装过程中, 需要在悬挑端设置临时支撑, 以便于构件落位和控制结构的竖向变形。一般的临时支撑截面尺寸主要受支撑架的稳定控制, 其支撑高度越大, 支撑截面尺寸越大, 同时, 支撑架落于看台板上, 需要将看台板预设孔洞, 使支撑架落于土建结构梁、柱或地坪上;或者看台板的浇筑滞后于屋面钢结构安装, 此做法将严重影响土建工期。

而实际施工时, 将钢梁分为2段, 分段点位于土建结构柱内侧。首先安装土建结构范围内的钢结构分段, 悬挑端的临时支撑采用单圆管形式, 该单圆管一端与悬挑端铰接连接 (销轴) , 另一端与预先设置在顶层混凝土柱根部的预埋件焊接固定, 如图9所示。在悬挑端钢梁吊装前, 首先将单圆管与钢梁铰接连接, 然后与钢梁捆绑在一起吊装, 落位后, 分段点位置的钢梁进行螺栓临时连接, 同时, 将单圆管下端点与埋件焊接固定。通过分段点、钢梁与混凝土柱顶临时固定点、单圆管上下连接点共同保证悬挑端钢梁的稳定, 此做法不影响土建结构施工, 同时, 用钢量大大减小, 不到上述做法的10%。

由于屋盖钢结构跨度大、传力体系复杂, 因此结构本身对温度变化较敏感。为了保证工程在施工及使用过程中的安全, 需在规定的合龙温度条件下 (本工程为10~20℃) 进行合龙施工, 同时要避免阳光直射构件表面, 按呼和浩特市的气候条件, 合龙时间选择在凌晨, 8月平均气温在15~26℃, 选择低温天气在凌晨进行合龙施工可以满足设计要求。

在确定合龙缝时, 不但要考虑结构本身的受力和变形情况, 同时还应考虑钢结构的整体安装顺序和分段安装情况, 尽量减少合龙点的数量, 并确保施工过程安全。本工程通过施工模拟仿真分析, 各单体施工合龙缝设置在结构中部, 如图10所示。

合龙注意事项如下: (1) 为减少合龙口的焊接量和焊接残余应力, 确保合龙口的焊接质量, 在进行合龙段安装时, 要尽量控制合龙口的间隙大小, 该间隙大小要考虑温度变形和焊接收缩变形。 (2) 为确保合龙段施工过程中的安全, 合龙段安装就位后, 除合龙口不进行焊接连接外, 其他接口部位均需及时焊接, 以增强结构的整体稳定性, 合龙口连接构造如图11所示。 (3) 在整个安装过程中, 要定时检查合龙口的连接焊缝和变形情况。

本工程对屋面的建筑造型要求很高, 钢结构的安装精度直接影响屋面、幕墙的连接构造和美观, 因此, 钢结构在安装和卸载过程中, 对每个单体进行了变形监测, 限于篇幅, 以亮马圈为例。监测点布置如图12所示。实际施工卸载完成后的监测结果和施工模拟结果如表1所示。

从对比结果看, 水平变形差距比较小, 没有详细给出两者的具体差值, 竖向变形差距相对比较大, 但整体而言, 计算结果与实际情况符合程度比较好, 至于存在差距的主要原因, 归纳为: (1) 施工模拟分析中临时支撑架的竖向压缩刚度和侧向刚度与实际施工应用中的支撑架存在偏差, 导致施工模拟中的节点变形量与实际应用存在不可避免的差距; (2) 施工模拟分析中, 同一个区域内的支撑架同步卸载, 而实际现场卸载过程中, 因操作工人的反应敏捷度等个人因素不同, 导致各卸载点不能同步卸载, 从而也会影响各测点的变形量; (3) 现场实际安装过程中, 环境温度、风荷载等作用于结构构件上的外部荷载与软件中模拟的荷载取值不完全相同, 也会导致两者变形出现差异; (4) 实际安装过程中存在测量误差、安装误差等因素。

本工程由于造型独特, 各单体使用了大量的弯扭构件, 尤其是看台楼。看台楼屋面钢结构采用框架结构体系, 钢梁的截面形式为箱形, 为了迎合建筑造型需求, 看台楼两侧落地部分均采用了箱形弯扭构件。

弯扭构件的安装一般采取设置牛腿的方式进行定位。构件在加工制作时, 牛腿随主构件一起加工并出厂, 现场通过弯扭构件端口与牛腿端口对齐的方式进行定位。该方法不仅节点构造复杂, 加工制作效率低、精度不高, 还易导致现场安装时, 主结构变形引起弯扭构件与牛腿错边、定位偏差等一系列问题, 修复工作费时、费力、费财。

本工程通过设置固定耳板实现弯扭构件的精确定位和临时固定, 该方法简单、高效, 克服了传统方法设置牛腿的缺陷。详细做法如图13所示。

设置固定耳板的详细施工步骤如下: (1) 根据主结构的相对位置, 预先将“预装固定耳板”焊接在主构件上, 随同主结构运输至施工现场; (2) 完成弯扭构件两端主构件安装, 调整弯扭构件在空中的姿态, 使其立面与预装固定侧耳板内表面齐平, 然后将其放置于预装固定底耳板上; (3) 调整好弯扭构件设计位置后, 将后装固定耳板焊接在主构件上, 使弯扭构件两端限制固定于主构件上, 并完成焊接作业。

针对内蒙古赛马场项目的钢结构安装, 对其中的临时支撑选型、弯扭构件的高精度安装方法、卸载后的结构变形监测等内容作了详细介绍, 为今后类似工程的安装提供一定的参考。