卢班戈体育场是安哥拉卢班戈市的标志性建筑, 是为2010年非洲杯筹建的, 并兼顾了普通田径比赛的使用功能, 卢班戈体育场设计观众容量为20 000人, 均分布于东西两侧看台, 看台上方为钢结构罩棚, 与主体结构连接, 每榀网架用钢管进行支撑, 并以受拉钢筋混凝土环梁作为配重, 外观简洁、大方、美观。

卢班戈体育场建筑面积约25 807m², 地上4层, 看台高为22.66m (含设备夹层) , 钢结构罩棚的最高点为31.561m, 前端高为37.752m。钢罩棚分为完全对称的2部分, 分别覆盖东西2个看台, 屋盖为钢结构桁架支撑体系。东西两侧各由20榀倒三角钢管桁架WJ1及4榀悬挑桁架WJ2组成, 桁架节点形式为管管相贯焊接连接。桁架之间由CC1与CC2支撑体系整体连接在一起, 南北两端部悬挑。每榀桁架向体育场内悬挑约30m。采用钢双柱端部支撑, 前柱立于看台主框架柱上, 同时桁架端部设置拉杆体系与看台悬挑部分连接, 总用钢量1 600t。体育场整体布置和钢结构罩棚管桁架如图1所示。

目前在大体量、大跨度钢结构吊装施工作业中, 均采取地面整体或局部拼装、大型起重设备吊装就位的方式。按照该工程设计图, 整榀桁架质量为24t, 吊装高度为37.752m, 整体吊装需要300t起重机, 如果按照2个标准节进行吊装, 再在空中拼装, 每榀的吊装质量为12t, 按照工况分析需要150t履带式起重机吊装。就国外工程而言, 由于受当地港口的货物吊装能力和从港口到达施工现场陆路运输条件的影响, 有些大型、超大型设备无法到达施工现场, 故如何利用50t汽车式起重机等中小型设备实现主体桁架的吊装就位是此类工程在国外施工的难点之一。

利用前端钢柱, 把原来的刚性支撑先转换成铰接支撑, 并通过节点转换轴使桁架在整体吊装过程中实现就地垂直旋转, 然后利用力矩平衡原理, 用50t汽车式起重机在桁架前端吊起整榀桁架, 利用胎架实现高空就位后, 加外部钢套, 将此钢柱转换成刚性支撑, 从而解决了50t汽车式起重机吊装大构件的问题, 如图2所示。

50t汽车式起重机在桁架拼装后采用前端吊装的方法, 其关键是在45°坡的初始起重量最大, 此时能否在50t汽车式起重机的起重范围内吊装成功, 是需要综合考虑的问题。随着桁架前端逐渐抬起, 销轴后端的桁架质量加大, 桁架前端的质量逐渐减小, 所以只要初始起重量在50t汽车式起重机的起重范围内, 用50t汽车式起重机在桁架前端吊起桁架是可行的, 即起重机的起重力矩只要大于桁架前端的自重力矩减去桁架后端的自重力矩, 起重机就可以在前端吊起桁架。但随着桁架本体的逐步升高, 其重心逐步后移, 起重机的工况也随之发生变化, 需考虑45°, 60°, 75°和90°4种不同的吊装工况并进行验算, 如图3所示。

1) 第1种工况下的力矩验算桁架下俯45° (相对于支撑柱前夹角为45°, 高度为12.911m) 的力矩计算, 根据力矩平衡原理, 该情况下前端的最大起重量为7.77t。

2) 第2种工况下的力矩验算相对于支撑柱前夹角为60°, 高度为17.534m, 前端的最大起重量为7.163t。

3) 第3种工况下的力矩验算相对于支撑柱前夹角为75°, 高度为26.612m, 前端的最大起重量为6.686t。

4) 第4种工况下的力矩验算最终设计位置, 相对于支撑柱前夹角为90°, 高度为35.426m, 前端的最大起重量为6.335t。

按照50t汽车式起重机的技术参数可以得出, 当起重机作业幅度为7m时, 最大起重量为8.2t。此时起重机的最大起重量大于桁架所需的最大吊装起重量, 说明桁架下俯45°时, 起重机在前端可以吊起桁架。

根据计算结果, 桁架在整个起吊过程中, 前端所需的起重量逐渐减小。由7.77t减至6.335t, 说明只要桁架在45°时前端能被吊起, 吊起桁架前端到37.752m是可行的。

从以上的力矩分析来看, 用50t汽车式起重机把20.6t的主桁架安装到设计指定位置是可行的。

施工工艺流程:测量放线→胎架组装→桁架组装→吊装准备→前立柱及转换节点吊装→主桁架吊装→转换节点外钢套焊接→探伤检测→测量卸载→解钩, 吊装结束。

1) 销轴的连接需经专业公司和设计院深化设计, 并经过销轴节点承载力验算。

2) 要严格按照设计图纸加工销轴, 并保证销轴节点的加工精度, 这是实现吊装成功的前提条件。

3) 底部钢柱吊装完毕后, 要及时将外包混凝土施工完毕, 并经过强度检测达到设计强度的100%才可进行上部前柱短管和桁架主体的焊接, 以保证柱的整体强度和刚度, 避免加载后引起柱本身变形。

4) 吊装前必须保证销轴本身以及销轴耳板之间光滑, 以减少吊装过程中的摩擦阻力。

5) 下短柱吊装完毕后, 必须保证其本身垂直度在规范规定范围内。

由于受到50t汽车式起重机的限制, 桁架必须以前柱的销轴为支撑点, 在体育场看台上的45°斜坡上进行拼装, 这样就给整个拼装带来了极大困难, 也成为桁架安装前的第1个难点和重点。为了解决现场施工中的第一大难题, 桁架在45°坡上拼装设计制作了专用胎架 (见图5) 。

1) 拼装胎架设置应避开桁架节点位置, 满足焊工的施焊空间。

2) 为了便于桁架起吊, 胎架定位块的位置须避免与桁架起吊时碰撞。

3) 拼装胎架必须保证有足够的刚度和稳定性, 拼装中每一个拼装段必须形成稳定体系结构, 两端应设置人字撑地杆进行加固。

4) 在组装平台上划出钢管端面定位线、中心线及分段长度位置线, 作为桁架拼装验收的依据。

5) 为防止胎架沉降不均匀, 须在胎架旁设置1个沉降观测点, 作为平台沉降的检查依据。

6) 组装胎架时, 必须要精确定位尤其是高程要满足45°夹角的要求, 不能小于45°。

45°坡上拼装桁架的最大问题是桁架在胎架上具有向下的分力, 从而导致桁架拼装时杆件下滑和桁架整体的向下分力对前柱销轴产生水平拉力。为解决这个问题, 在看台前后柱的环向轴线上预埋锚固地环, 用以对拼装桁架进行反向水平牵拉和后下弦杆的向下固定牵拉。另外严格控制桁架的拼装顺序, 以保证桁架落在胎架上的各支撑点受力合理、安全稳定。这些措施在施工过程中证明合理、可靠。

要想保证现场50t汽车式起重机的作业幅度是7m, 则起重机的前支腿就必须进入到防爆沟里, 而原来的防爆沟设计是没有考虑吊装荷载的, 为了实现吊装方案, 就必须对防爆沟的强度、弯矩等进行验算, 如果强度和弯矩达不到吊装要求, 就必须对防爆沟进行加强。

由于桁架是倒三角形, 因而单榀桁架起吊稳定性极差。为了保证单榀桁架起吊的稳定性, 除了用起重机保证前端的水平稳定性外, 在桁架的后端设有交叉稳定牵拉倒链。当桁架起吊时后端的交叉倒链跟随拉紧, 以保证桁架在整个起吊过程中始终处于水平稳定状态。

由于桁架在吊装试验时反映出初始起重量超出了50t汽车式起重机的最大起重量, 因而这对于40榀桁架吊装不具有可靠性。为了解决这一问题, 在桁架起吊前, 在桁架的后端距前柱支撑点3m处加2.2t配重, 并在后下弦杆距前柱4m处加2根牵拉倒链, 用于减小桁架在起吊时的初始起重量。为了测试后端加配重的效果, 在桁架后端所有牵拉倒链不受力的状况下, 首先让50t起重机慢慢将桁架吊起100mm时停止, 这时起重机的起重表显示此时的起重量是6.2t, 比起重机此时最大起重量7.8t减少了1.6t。说明在桁架后端加有2.2t配重是有效的, 可以保证桁架安全起吊, 同时也保证了50t汽车式起重机的安全稳定工作。在随后40榀桁架的起吊过程中也得到证明。

1) 主桁架吊装就位后, 要进行临时支撑固定, 待销轴节点外钢套焊接完毕、检验合格后方可撤出起重机吊钩。

2) 屋盖钢结构所有构件全部安装到位、所有节点完成连接、检验合格后方可卸载。

3) 比较钢结构拼装完毕、临时支撑架拆除前后的结构受力与位移情况, 发现结构竖向挠度大的区域集中在主拱最高点位置, 而内侧桁架分段点临时支架处的竖向挠度较小。因此采取先卸载内侧桁架、再从看台罩棚钢结构中部开始向两边间隔分级、多次卸载的方式依次拆除千斤顶支撑, 同时考虑千斤顶行程限制。

4) 在卸载过程中要严密监测整个结构的挠度变化情况, 如在卸载步骤中遇到与验算结果差异较大的情况应及时查找原因, 调整卸载方案, 确保卸载过程的安全性。

5) 卸载需分级分批进行, 第1批卸载可控制在1cm之内, 第2批卸载可控制在2cm之内, 第3批卸载可控制在3cm之内, 均是由高向低、两边对称间隔进行;以此类推, 直至支架与罩棚钢结构完全脱离, 即可拆除支架。根据计算, 支架拆除后, 支撑点处的竖向挠度值一般都在53mm以内, 因此通过第2, 3次卸载, 大多数支架可完全卸载。这样的卸载方法比较稳妥, 可避免一次卸载过多损坏结构杆件。

通过对已有施工方法的研究, 提出了刚接转换成销轴连接、再转换成刚接的安装方式, 采用中小型吊装设备实现了大吨位钢桁架吊装, 解决了国外工程施工中遇到的大型吊装设备匮乏的困境, 成功实现了大体量、大吨位钢桁架的吊装就位问题, 积累了工程经验。