国际赛车场钢结构安装施工技术样本.doc

上海F1国际赛车场钢结构安装施工技术
　1 工程基础情况

1.1 工程概况

　上海F1国际赛车场在上海市嘉定区安亭镇，是一座含有世界一流水准公共建筑。整个赛车场包含赛道、主、副看台、新闻中心、空中餐厅等多种配套设施。

图1 上海F1国际赛车场主看台和新闻中心、空中餐厅
　看台部分及新闻中心、空中餐厅是整个工程主体结构，造型新奇别致。主、副看台屋盖均为悬臂钢结构，其中主看台为独立大钢柱和大悬臂工字形钢梁、连接梁组成，空间结构总重量为5800t。新闻中心和空中餐厅上部结构为大跨度钢桁架空间体系，不管在跨度覆盖空间和使用功效上全部含有极大优越性和竞争性，空间桁架结构含有受力合理，抗震性能好特点。新闻中心、空中餐厅总重量为5700t。

1.2 结构特点

　主看台设计采取通常体育场大跨度、大空间特点，和以往工程不一样是整个屋盖设计成两头悬臂式样，中间采取独立劲性钢柱为支承点。整个屋盖系统荷载全靠独立劲性钢柱负担及平衡，对结构整体挠度及安装要求很高。

　在主看台两端各有一座辅助建筑：新闻中心和空中餐厅。这两个建筑为对称结构，结构上部呈梭形状，为钢框架体系，梭形两端分别座落在主看台及砼塔楼顶上。梭形结构由两榀巨型钢桁架及钢桁架之间联络梁组成。结构全部荷载经过两榀钢桁架传给砼筒体和主看台结构。为了使力传输明确，在钢桁架两端各设置了一道转换桁架，利用转换桁架直接将荷载传给砼立柱。因为荷载明确从而有利于巨型桁架设计，能够降低整个建筑含钢量指标。

图2 主看台悬臂结构和新闻中心、空中餐厅桁架结构
2 施工难点

2.1 预埋劲性钢柱安装

　主看台(12.72～28.00米)劲性结构共有43根立柱。立柱高为15.22米，最大单重约25吨。钢柱之间分别用水平撑连接和斜撑连接。

　比赛控制塔、行政管理塔劲性柱标高16.88～28.96米，分为上中下3节(6米、5.23米、0.7米及0.12米埋件)，最重一节重约15吨，长6米，在6层、7层及8层处有劲性钢梁和其连接。新闻中心和地面连接塔、空中餐厅和地面连接塔劲性柱标高由12.60～30.00米，分为上中下3节(9米、7.88米、0.5米及0.12米埋件)。

　劲性钢柱安装难度关键表现在以下多个方面：

a) 精度要求高

　长达400米钢结构安装，仅以常规轴线偏差值来进行现场控制是不够。因为结构施工是分段进行，其累积误差可能造成钢结构安装无法进行。所以怎样确保土建结构及安装埋件高精度成为劲性结构施工难点。

b) 交错施工多

　和劲性结构同时施工有土建钢筋、混凝土，安装管线等，各专业施工队伍在同一施工区域内交叉进行施工，使整个施工现场一直处于复杂多变施工环境，加大了施工难度。

c) 主副看台为清水混凝土结构

　因为主副看台为清水混凝土结构，而劲性结构为钢和混凝土结构，怎样处理土建结构和劲性结构节点处理，使结构达成清水混凝土标准是一大难点。

2.2 主看台悬臂钢梁安装过程中稳定控制

　主看台悬臂钢梁包含前后悬臂梁，梁根部和独立劲性钢柱固定，所以劲性钢柱在悬臂梁弯矩作用下产生挠度，影响安装精度。为了避免劲性钢柱产生挠度，必需在施工过程中控制悬臂梁弯矩值，也就是控制悬臂梁在平面内稳定。假如在悬臂梁悬挑端设置一临时支撑，那么悬臂梁稳定能够控制，不过选择什么作为临时支撑呢？如此高支撑稳定性、强度能满足荷载要求吗？支撑必需从地面开始立起，和地面怎样固定？是否影响其它单位施工？全部问题全部需经过计算、协调才能决定。

2.3 新闻中心、空中餐厅巨型钢桁架安装

　巨型钢桁架安装是工程中难度最大一道工序，其安装难度表现在以下多个方面：

a) 钢桁架自重大、跨度大、截面高，所以在选择施工机械方面有困难，假如整体安装，需选择一台超大起重量机械设备，才能安装550吨重钢桁架，此方案显然行不通。

b) 假如采取分段安装，那么依据施工条件分析，有一段钢桁架跨越主看台，长度快要50米，重达263吨，需要两台300吨履带吊双机抬吊才能满足安装要求，而且在安装过程中吊机还要负载行走一段距离，对吊机性能、施工条件等工况要求极高，每个步骤必需严格控制。

c) 采取分段安装话，焊接工作量将增大，而且全部对接焊缝必需在高空完成，质量不轻易控制。

d) 分段安装必需采取临时支架作为节点临时搁置点，所以支架选择也是个问题，支架一定要满足刚度及稳定性要求。另外，支架及钢桁架稳定性怎样确保？这是安装钢桁架最大难点。

2.4 临时支架卸载问题

　本工程钢结构施工过程中，全部利用临时支架作为结构临时固定，所以施工结束后，必需进行拆除，使结构恢复自由状态。支架拆除过程也就是所谓卸载，是一个力转移过程，经过对临时支架逐步拆除，荷载也逐步由临时支架向其它结构转移，直至临时支架全部拆除，荷载也转移完成，整个卸载过程完成。

　在整个卸载过程中，荷载转移是一个不确定原因，控制不好，可能会造成支架受力不均，支架强度、稳定性全部受到影响，轻易发生意外。

3 关键技术

3.1 为了确保预埋劲性钢柱顺利安装，我们考虑从以下几方面进行控制：

a) 测量控制

　利用全站仪对劲性钢结构及埋件进行定位控制是此次关键采取测量控制方法。因为全站仪是坐标定位，所以在定位及复核控制时可有效地避免建筑物长而引发累积误差。

b) 钢筋处理

　劲性柱预埋件原有箍筋形式是穿过钢结构柱体，既影响钢结构性能，又不便于施工，会延长施工工期，是一个不合理形式。经过和设计协商及讨论，对箍筋形式进行改善，改善后箍筋形式不影响钢结构，且部署方法亦增加了混凝土施工空间，使得混凝土施工质量得到一定程度确保。

c) 混凝土处理

　混凝土坍落度控制对劲性结构混凝土质量十分关键。因为劲性结构截面较大（1500×800），这就造成混凝土浇捣面较小（最小处厚度仅150），故混凝土坍落度由通常柱100±20增大到140±30。

　混凝土施工机械依据混凝土浇捣面及高度关键采取50、75振动棒，在劲性结构外侧因为钢筋较为密集故选择50振动棒，而劲性结构内侧因为混凝土浇捣高度约为16米，故特定了16米长75振动棒。
材料控制及机械合适选择使混凝土结构密实，外观色面一致，达成清水混凝土表观要求。

d) 高强度砂浆灌浆

　预埋件安装就位正确后，在预埋件下浇灌含天然骨料高性能无收缩灌浆料。灌浆时砼表面必需坚固、无灰尘、油、油脂、水泥浮浆、修补物等杂质。使用小凿子使施工面粗糙。在浇灌前必需使浇灌面被水浸透最少4小时。浇灌前须去除游离态水。模板高度应高于灌浆高度，含有足够强度、防水和密闭。必需确保浇灌口处模板和基础之间距离为100mm，相对另一边（灌浆料冒出处）距离为50mm。在其它边缘也要保持50mm。在灌浆处，使模板向外倾斜45度角，并使其有足够高度来确保灌浆时落差。

e) 钢结构支座埋件处理

　新闻中心、空中餐厅下双向抗震弹性支座是两个空中钢结构关键承重构件，所以支座安装及支座下劲性结构、混凝土结构处理十分关键。

　首先是将埋件位置转化为工程坐标，再利用全站仪进行定位。定位标准分别以空中餐厅、新闻中心各为一组，必需确保以组为单位进行放样，这么能够降低2次放样之间偶然误差。当支座定位完成后，再由全站仪进行总复核，这么就能全方面确保支座及其埋件安装定位正确性。

　混凝土浇捣方案也关系到整个埋件安装。埋件处混凝土浇捣先施工至下部劲性结构支座埋件支承处，再安装埋件。在浇捣埋件下混凝土时，为确保埋件下结构密实，采取了8cm高强度沙浆。分段浇捣确保了柱混凝土质量，更确保了埋件下结构质量。

3.2 悬臂结构安装

　对于体育场所中悬臂结构，我们有很多施工实例可借鉴，最类似要数上海八万人体育场钢屋盖施工了。所以，我们自然想到用临时支撑作为施工中悬臂端临时搁置点，以处理钢梁平面内稳定性问题。经过对荷载进行计算，决定采取φ609钢管作为临时支撑，钢管根部和事先埋设在看台砼结构上埋件相连，上部经过连接板和悬臂主梁连接。此种方法只处理悬臂主梁前半段安装，因为悬臂主梁后半段（即场外一段）离开地面比较高，假如也采取φ609钢管作为临时支撑，那么钢管用量较多，成本较高，而且从安全角度考虑，其稳定性也难以确保。经过受力分析，我们决定在钢柱顶上立一根临时钢管，然后在钢管上设计一节点板，用钢索和悬臂梁后半段连接，再用另外一根钢索和悬臂梁前半段连接，以此处理悬臂梁后半段稳定问题。

图3 主看台悬臂钢结构安装
3.3 巨型钢桁架安装

　巨型钢桁架两端经过转换桁架和主看台及砼塔楼连接，两榀钢桁架之间经过联络梁连接，组成一个空间框架体系。巨型钢桁架为箱型截面，跨度达135.73米，单榀重量在550吨左右，跨中顶标高40.633米，底标高28.326米，赛道从跨下横穿而过。

　对于这么钢桁架，我们首先想到地面组装、空中整体安装方法，既能确保施工质量，又能满足进度要求，不过该方案立即被否定，原因是要将550吨重钢桁架一次安装到位，没有超大起重量吊机是不行，依据现有机械设备考虑，决定放弃该方案。于是，我们又提出采取提升工艺，不过经过仔细分析，这种工艺不太适合本工程，因为钢桁架一端是塔楼，作为提升支架是没问题，而另一端是主看台，侧向全部是空，没法作为提升支架用，假如要加固话，工作量肯定很大，从经济上分析是不合算。唯一可行措施只能采取分段安装。

　即使分段安装方案是可行，不过真正实施是有一定难度。所以，在施工过程中我们尽可能从以下几方面下工夫：

a) 我们要求工厂进行钢桁架预拼装，方便确保现场施工质量。
b) 严格控制钢桁架连接点位移及标高，包含和砼连接处位移及标高，这是直接影响安装质量原因。
c) 临时支架使用前对承受荷载路基一定要进行处理，使路基地耐力及平整度达成使用要求。
d) 为了确保钢桁架对接口位置正确，临时支架高度必需进行实际验算，而且支架表面平整度要好。
e) 为了处理临时支架稳定问题，我们拟采取型钢及浪风钢丝绳进行加固。靠近砼结构临时支架经过型钢和结构内埋件连接固定，其它独立支架可用浪风钢丝绳临时固定，而且相邻两个支架之间还可用型钢进行拉接。

分段安装方案最少有以下多个优点：

a) 经过对钢桁架进行分段，降低吊装起重量，在施工机械选择上有更大余地。
b) 能够确保连续施工，满足工厂制作、拼装周转时间。
为确保施工方案能够有效实施，在施工前须经过部分验算分析：
a) 对钢桁架分段后确实切重量一定要核实。
b) 对节点处支架受力情况要掌握清楚。
c) 300t履带吊工况性能经过验算要如实反应。

图4 空中餐厅巨型桁架吊装

3.4 临时支撑卸载

　为了确保卸载过程安全，首先，我们将整个结构，包含临时支架在内，建立一个模型，经过计算软件分析得出卸载前每个临时支架受力情况。其次，依据计算确定支架拆除次序及卸载量，因为考虑支架承受能力，拆除过程分几次完成。最终，经过计算我们还能够知道在卸载过程中荷载是怎样转换，又是怎样回归至零。

　卸载时荷载对整个结构冲击力比较大，所以卸载前一定要确保整个结构已连成一个整体，预防结构局部受力不均，造成破坏。

4 工程实施和效益

　上海F1国际赛车场钢结构工程含有施工难度大、施工工期紧、设计要求高、技术含金量高等特点。针对大跨度、大吨位、超长悬臂钢结构和巨型空中桁架结构工程特点和施工难点，经过研究开发和技术方案优化，在主看台钢结构安装中采取“单机起吊、空中接力、双机抬吊” 施工工艺，在新闻中心、空中餐厅钢结构安装中采取“分段双机抬吊安装，支架承重；空中对接，整体卸载”施工工艺，处理了施工场地限制、施工机械能力限制等问题，攻克了特殊施工工艺部分关键难点，达成了业主和设计要求，经过大家一致努力，顺利完成该工程，取得了很好经济效益和社会效益。

4.1 经济效益

　在主看台悬臂主梁安装中，因为施工方案优化，在确保安全前提下改善临时支撑方法，降低施工成本数十万元。

　在新闻中心、空中餐厅巨型钢桁架安装中，利用企业废旧塔吊设备，作为临时支撑，替换原设计采取钢管或型钢作为临时支撑，既经济又安全，节省成本四十多万元。

　另外，原方案新闻中心、空中餐厅钢桁架在隧道顶板上进行拼装，所以需对顶板进行加固，加固材料采取型钢。以后经过验算优化，利用脚手管加固就能满足荷载要求，比原方案节省了三分之一成本，为企业发明了效益。

4.2 社会效益

　主看台悬臂主梁安装时，270t履带吊行走道路和外围排架脚手相碰，钢结构安装时会影响赛车场其它工序施工。我们立即改变方案，采取“单机起吊、双机空中接力、抬吊到位”方案，经过增大吊机半径避开排架脚手。此方案为其它承包商赢得了施工时间，经估算，假如拆除排架脚手并重新搭设好需7天时间，费用在16万元左右。