泰州市体育公园体育馆大跨度圆形钢屋盖施工技术_周桂香.pdf

年 月 第 卷第 期收稿日期：基金项目：泰州市科技支撑计划（社会发展）项目（编号：）；江苏省发改委省级工程研究中心建设项目（编号：）；泰州职业技术学院科研基金项目（编号：）作者简介：周桂香（），女，副教授，研究方向为项目管理与新技术应用。通讯作者：蒋凤昌（），男，博士，教授，研究方向为工程建设项目管理。泰州市体育公园体育馆大跨度圆形钢屋盖施工技术泰州市体育公园体育馆大跨度圆形钢屋盖施工技术周桂香，郁 俊，丁建成，奚晟翔，蒋凤昌，唐金来（泰州职业技术学院，江苏 泰州 ；锦宸集团有限公司，江苏 泰州 ；江苏永泰建造工程有限公司，江苏 泰州 ）摘要：为解决泰州市体育公园体育馆大跨度钢桁架圆形屋盖的施工难点问题，达到提质增效的目的，课题组综合应用有限元分析、模拟分析和试验测量等方法，开发了大跨度钢桁架圆形屋盖“边部分段吊装中部整体提升”施工技术。结果表明：因地制宜、分区施法且组织同步施工的工艺流程获得良好的施工效果，节省了施工总工期；应用有限元分析控制“虚拟建造”全过程中的应力和变形，保证了施工安全性；模拟分析工厂预拼装、分段吊装、整体提升等施工工艺，据此优化施工方案，提升了施工质量和进度；钢屋盖设置 个健康监测点，精确控制施工全过程的结构受力和变形，保证了工程施工质量和安全，为争创国家“鲁班奖”工程奠定良好的基础。关键词：体育馆；钢屋盖；有限元分析；整体提升；健康监测中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，；，；，）：，；，；，：；DOI:10.16663/ki.lskj.2022.24.037周桂香，等：泰州市体育公园体育馆大跨度圆形钢屋盖施工技术绿色创新研究：工程与技术 引言在体育馆、展览馆等大跨度建筑中，由于考虑建筑空间的功能性和经济性要求，屋盖钢结构的设计应考虑结构合理、外形美观、利于安装管道及设备、用钢量较少等特征，大跨度空间钢桁架结构体系是良好的选择。但是，该类结构体系在施工过程中存在较多难点，诸如现场拼装焊接工作量大、拼装精度要求高、现场吊装操作受混凝土看台等结构限制、高空焊接质量难控制等系列问题。这些问题将影响大跨度钢桁架屋盖的施工质量、进度和安全。针对各种造型的大跨度钢屋盖，结合提质增效需求，业内专家学者和技术人员已开发应用了多种施工技术。成都东安湖体育公园体育馆，、苏州高新区文体中心体育馆、甘肃省体育馆等工程项目应用累积滑移施工技术，陕西奥体中心体育馆、六安市体育中心体育馆、晋江市第二体育中心体育馆 等工程应用整体顶升施工技术顺利完成钢屋盖的安装。南昌体育中心游泳馆、盐城体育中心游泳馆、曲靖体育场 等工程钢屋盖 都进行了施工过程的仿真模拟分析，以便安装前进行施工方案优化。天津体育中心自行车馆、西宁体育馆、遵义市奥林匹克体育中心体育馆 等钢屋盖工程进行施工过程健康监测以保证施工安全进行。本文以泰州市体育公园体育馆建设项目为例，集成应用有限元分析、模拟分析和试验测量等方法，开发钢屋盖结构的分段吊装、同步提升、仿真模拟和施工全过程健康监测等技术，形成了大跨度圆形双向钢桁架结构“边部分段吊装中部整体提升”成套施工技术，解决了施工过程中的难点问题，可为类似工程提供参考。工程背景泰州市体育公园“一场三馆”（图）为 年江苏省第二十届省运会的主场馆，其中体育馆为篮球、排球、网球、乒乓球、羽毛球等竞技项目的重要建筑空间，其建筑面积为 ，可容纳 名观众。体育馆屋盖平面近似为直径 的圆形。屋盖钢结构（图）主要包括双向布置的屋盖桁架和沿圆弧布置的屋盖环桁架、支撑平面桁架和支撑环向桁架，最大跨度，屋盖最高点为 。屋盖采用平面管桁架结构，每榀桁架间距，桁架杆件截面类型均为圆管，截面规格为 ，材质为 。节点均采用相贯焊接节点，支座采用成品支座。该项目为争创国家“鲁班奖”优质工程奖项目，且需满足省运会的启用时间节点，质量要求高、工期紧，总计划中要求体育馆钢屋盖在 内完成安装。图泰州市体育公园“一场三馆”效果图体育馆圆形屋盖钢结构由于体育馆的体育看台和功能用房混凝土结构呈“外圆内方”古钱币形状布置，限制了吊装机械布置，增加了钢屋盖施工难度，因此课题组针对大跨度体育馆不同区域的特征，因地制宜，开发了 大跨度钢桁架圆形屋盖“边部分段吊装中部整体提升”施工工法，实行分区同步施工，提升施工质量和安全，并合理节省总工期，使得体育馆圆形钢屋盖施工高质量完成，限于论文篇幅，以下重点介绍其施工方案总思路、施工工艺流程和施工操作要点。施工方案总思路圆形钢屋盖的荷载主要通过支撑平面桁架传递至混凝土结构。针对混凝土结构的看台、功能用房等布置特征和吊装设备回转半径受限的情况，对圆形钢屋盖结构采用分区分段组合安装的工艺，即“边部分段吊装中部整体提升”的安装工艺。基于 模拟进行深化设计，将整个桁架结构分解成为若干个“桁架段”，在工厂拼装成部件，然后运输到施工现场对各类“桁架段”进行组合安装。如图所示，施工顺序为先施工外围吊装区，再施工中间提升区。吊装区从图中箭头处开始往两边同时进行施工，依次吊装支撑平面桁架、支撑环向桁架和屋盖环桁架，形成稳定单元，然后向两边依次吊装完成下一个单元。在吊装周边屋盖桁架的同时，在体育馆中部地面上同时焊接拼装双向钢桁架，将若“桁架段”拼接成整体单元，然后实现同步提升安装，最后在空中“补杆”焊接，形成完整的钢桁架屋盖。年 月绿 色 科 技（）第 期图钢屋盖结构分区分段组合安装 模型 施工工艺流程 总工艺流程依据体育馆大跨度圆形钢屋盖的特点，编制钢结构安装总工艺流程如图所示。施工准备“虚拟建造”模拟分析钢构件加工制作“桁架段”工厂预拼装钢屋盖边部分段吊装钢屋盖中部整体提升拆除支撑架。图施工总工艺流程 关键工序的详细工艺流程（）钢屋盖边部分段吊装流程：测量放线搭设支撑胎架吊装外围支撑平面桁架吊装支撑环向桁架吊装屋盖环桁架形成稳定的屋盖桁架单元段依次向两边吊装下一个屋盖桁架单元段吊装屋盖桁架完成吊装区的钢桁架屋盖。（）钢屋盖中部整体提升流程：测量放线搭设提升支架拼装提升单元安装液压提升设备调试液压提升系统试提（逐级加载、）姿态调整正式提升“微调、点动”至设计位置提升就位。施工操作要点“虚拟建造”模拟分析根据体育馆屋盖钢桁架结构工程项目的特征，分析研究，进行钢桁架屋盖的安装部署，同时考虑“三馆”项目的总体部署，编制专项施工方案。在编制施工方案过程中，应用 、等有限元分析软件进行施工仿真验算，充分考虑了施工荷载和温度作用等影响因素。一方面验算施工过程中的体育馆大跨度钢桁架屋盖体系的应力和变形是否与设计值吻合；另一方面作为结构受力和变形值与健康监测对验证。从而，通过钢屋盖“虚拟建造”全过程分析确保了施工全过程的结构安全。钢屋盖“虚拟建造”仿真分析的荷载取值方法为：结构自重由程序依据建筑信息模型（）自动计算，并对其进行 倍的放大以考虑施工荷载附加作用；荷载组合取分项系数取 ，考虑施工过程中的施工荷载。分析的组合工况包括两种：恒载 活载 温度荷载（）；恒载 活载 温度荷载（）。结构仿真分析主要考虑结构满足组合工况下的应力和组合工况下的变形要求。“桁架段”工厂预拼装综合考虑工厂加工和现场吊装各类影响因素，基于 模拟分析，对钢屋盖结构进行“桁架段”分解，以达到利于加工和利于安装的目的。钢屋盖的种桁架共分解为 个“桁架段”，具体分段情况为：立面支撑桁架共计 个，编号 ，重量的范围是 ；屋盖环桁架共计 个，编号 ，重量的范围是 ；支撑环桁架共计 个，编号 ，重量的范围是 ；屋盖桁架共 计 个，编 号 ，重 量 的 范 围 是 。对于上述“桁架段”在工厂进行预拼装是保证其到施工现场顺利安装的前提条件。在工厂对桁架进行分段预拼装，以屋盖环桁架段（图）的预拼装为例，其主要工艺流程包括：胎架设置桁架弦杆定位桁架直腹杆定位桁架斜腹杆定位以及检测。（）胎架设置：胎架必须按划线草图划出底线，在地面上划出预拼构件的节点线、中心线、分段位置线、企口线，并用小铁板焊牢，敲上洋冲，无明显晃动。（）桁架弦杆定位：将桁架弦杆吊上胎架进行定位，定 位 时 对 准 地 样 线，用 气 体 保 护 焊 点 焊固定。（）桁架直腹杆定位：将桁架直腹杆吊上胎架进行定位，定位时对准地样线，用 气体保护焊点焊固定。（）桁架斜腹杆定位以及检测：将桁架斜腹杆吊上胎架进行定位，定位时对准地样线，用 气体保护焊点焊固定。预拼装后采取“全站仪精确测量地样 复 核 技 术”相 结 合 方 法 进 行 检 测，记 录 测 量周桂香，等：泰州市体育公园体育馆大跨度圆形钢屋盖施工技术绿色创新研究：工程与技术数据。图屋盖环桁架平面布置 模型 钢屋盖边部分段吊装 吊装设备的选择和现场布置依据屋盖钢桁架的分段情况、分布情况和施工方案，构建 三维场布（图），确定吊装机械采用台 履带吊和台 履带吊，设置台履带吊在体育馆外围地下一层地面进行吊装，部分采用 汽车吊在地下室顶板上进行吊装。图体育馆施工机械 三维场布 最不利吊装工况分析（）履带吊吊装最不利工况分析。外立面平面桁架最重的分段为 （），重达 （考虑乘以 系数）。考虑用 履带吊进行吊装，主臂臂长为，作业半径，此时，吊机额定吊装重量为 ，完全满足吊装要求。（）履带吊吊装最不利工况分析。屋盖平面桁架最重分段为 ，重达 （考虑乘以 系数）。考虑用 履带吊进行吊装，主臂臂长为，副臂臂长，作业半径，此时，吊机额定吊装重量为 ，完全满足吊装要求。吊装工艺 模拟及实施对屋盖边部钢桁架吊装工艺进行 模拟（图），主要流程包括：搭设支架，准备吊装吊装立面支撑桁架吊装环桁架，形成稳定单元依次向两边吊装下一个单元完成近一半外围立面桁架吊装屋盖桁架同时吊装屋盖桁架和外围环桁架完成吊装区的桁架安装。依据 模拟分析的结果，深入分析“桁架段”的现场运输路径、临时堆放、与混凝土结构碰撞风险等情况，然后对施工方案进行完善和优化，最后基于三维技术交底、安排现场实施。图吊装工艺 模拟 钢屋盖中部整体提升 搭设提升支架（）提升范围的确定：依据体育看台混凝土结构的布局情况，选择中部比赛场地的平坦区域作为屋盖钢桁架提升区。同时兼顾考虑边部 和 履带式吊机最大回转半径范围的起吊能力，尽量增大提升区的钢桁架单元尺寸，最终确定钢结构的提升范围在轴线 轴线 之间（图）。图钢屋盖桁架单元的整体提升范围（）提升支架布置：依据结构对称、荷载对称的特点，同时考虑提升过程屋盖钢桁架的受力状态尽量与结构成型后受力状态相近的原则，在施工现场布置了钢结构提升单元的八组支架（图）。年 月绿 色 科 技（）第 期图提升支架平面布置（）提升吊点设置：钢结构整体提升共设置组吊点，每组吊点配置台 型液压提升器，共计台液压提升器。提升吊点平面布置与提升支架对应。每个吊点设置根钢绞线，其中钢绞线安全系数均大于，以满足提升安全要求；钢绞线长度 ，单台提升器钢绞线最大重量为；单根钢绞线破断力不小于 。桁架单元的整体提升验算采用通用有限元分析软件 对被提升桁架单元结构及支承结构进行仿真计算与分析。结构最大跨度为 ，自身高度，提升高度约为，钢结构桁架和附属结构（檩条、马道）提升总重量为 。验算内容主要包括被提升结构及支承结构（提升平台临时措施）的应力、变形和整体稳定性，必须满足规范要求。试提和姿态调整当提升单元在地面拼装完成、提升支架搭设到位、液压提升器及吊具安装好后（图），将进行试提和姿态调整工作，主要技术要点控制包括设置同步吊点、分级加载、离地检查和姿态检测调整，最终满足设计姿态要求。图 提升准备完成 正式提升、微调和提升就位（）整体同步提升：正式提升屋盖钢桁架提升单元的提升速度控制为 ，在整体提升过程中，保持该姿态直至提升到设计标高附近约 时，降低提升速度，控制为 。（）提升过程的微调：在提升过程中，通过采用同步微动或单台微动的方式控制液压提升器，从而实现空中姿态调整和后装杆件安装高度微调，微动调整的精度可达毫米级别，符合规范的精度要求。（）提升就位：控制提升单元标高接近设计标高约 时，可以暂停提升；采用各吊点微调的方式精确提升至设计位置；暂停液压提升系统并使得提升单元保持空中姿态不变，随后安装后装杆件，构建稳定受力体系；同步卸荷至钢绞线完全松弛，完成整体提升安装。施工健康监测为确保体育馆钢屋盖的结构安全，项目部在施工全过程进行了健康监测。体育馆共计设置 个测点，施工阶段监测内容主要包含个方面：使用振弦式应变传感器内置温度传感器）对施工关键构件的应力和温度进行监测，共 个测点，其中钢屋盖 个测点、根钢柱个测点；使用全站仪对结构关键部位进行变形观测，共 个测点，其中钢屋盖 个、钢立柱个。监测结果表明：体育馆最大应力为 （号节点），各监测点应力小于各构件应力设计值，施工过程各构件受力发展平稳。体育馆完成次监测周期测量，方向变形最大累计值为（测点）、方向变形最大累计值为（测点），方向变形最大累计值为（测点）。测量、三向变形数据均符合现场实际工况（数据仅代表监测周期之间的结构变形情况）。所有数据偏差值皆未超过有限元仿真分析控制值的，满足设计要求，结构安全可靠。结论与讨论体育馆大跨度钢桁架屋盖结构系统，采用“边部分段吊装中部整体提升”的组合施工技术，获得良好的综合效益，其特征可归纳如下。（）因地制宜，依据下部混凝土结构“外圆内方”古钱币形状的布置特征，在钢屋盖中部（比赛场地部位）采用整体提升施工方法，在钢屋盖边部（体育看台部位）采用分段吊装施工方法，既解决了起重机在建筑外围吊装中部构件时吊臂长度不足的问题，又可分区段组织同步施工，使得钢屋盖 内完成安装，节省施工总工期，获得良好的综合经济效益。（）对钢屋盖“虚拟建造”全过程有限元分析，精确验算施工过程中大跨度钢桁架结构的应力和变形，确保与设计控制值吻合，并且动态对照健康监测数据，保证施工安全性。周桂香，等：泰州市体育公园体育馆大跨度圆形钢屋盖施工技术绿色创新研究：工程与技术（）基于 技术，对边部桁架进行“桁架段”工厂预拼装和分段吊装、中部桁架整体同步提升等施工工艺模拟分析，从而优化施工方案，并精准进行技术交底和安排实施，提升施工质量和进度。（）开发应用中部钢屋盖整体同步提升的施工工艺，包括搭投提升架、有限元分析验算、同步提升等关键工序。确保钢屋盖中部吊装的质量、安全和施工进度。（）施工全过程健康监测，设置 个测点，精确控制结构受力和变形，实测数据偏差值皆未超过有限元仿真分析控制值的，保证了工程施工质量和安全，为争创国家“鲁班奖”工程奠定了良好的基础。参考文献：于国光 浅谈体育馆大跨度屋面钢结构施工技术 工程建设标准化，（）：陈川函大跨度管桁架结构施工技术应用 以湄洲湾职业技术学院迁建项目体育馆工程为例福建建材，（）：周观根，谢董恩，游桂模，等 杭州奥体中心亚运三馆体育游泳馆施工关键技术 钢结构（中英文），（）：王光武，郑雪松，袁贵福，等 大型体育馆屋盖钢结构累积滑移散拼施工技术 施工技术，（）：李天福，张军，王永泉，等东安湖体育馆钢屋盖累积滑移施工监测技术 施工技术（中英文），（）：蔡柳鹤，贾尚瑞，窦德胜，等苏州高新区文体中心体育馆滑移施工关键技术钢结构，（）：，关永莹，刘生强，任智，等 甘肃省体育馆钢屋盖滑移施工及模拟分析 年全国土木工程施工技术交流会论文集（上册）北京：施工技术编辑部会议论文集，：张毅毅 大跨度网壳结构分区顶升施工技术施工技术，（）：苏杭，王静峰，曹晗，等大跨度非对称空间异形曲面钢桁架结构施工新技术与智慧云监测研究 结构工程师，（）：叶代英，谢锦滨，张生文，等双曲空间网格结构整体提升施工技术研究与应用 年工业建筑学术交流会论文集（上册），北京：工业建筑杂志社会议论文集，：，李文娟，张丹丽，谢强大跨度空间钢结构施工拆撑过程仿真模拟分析 工业建筑，（）：，陈良，徐宏亮 盐城体育中心游泳馆钢屋盖施工及仿真模拟分析特种结构，（）：何荣，陈以一，王剑非，等曲靖体育场钢屋盖支撑卸载过程及模拟分析施工技术，（）：董开发，万霆，李天福，等 某大跨钢桁架屋盖施工过程模拟分析 江苏建筑，（）：支家强，陈志华，金海，等天津体育中心自行车馆施工监测技术施工技术，（）：王秀丽，李瑛，杨文伟西宁体育馆钢屋盖施工应变监测与分析 甘肃科学学报，（）：陈博，冉旭勇，曹植，等 空间曲面大跨度桁架施工技术施工技术，（）：杨艳超，郑世超，郑吉成，等津湾广场号楼下挂双悬挂层重型转换桁架安装与定位技术 施工技术，（）：黄凯，张文博，刘文，等 高空大跨度钢结构液压提升施工技术天津建设科技，（）：刘新乐，姬建华，王静波 大型伞状悬臂式钢桁架屋盖分段施工关键技术 建筑施工，（）：涂序伙大型钢结构桁架液压同步整体提升技术应用及设计机械研究与应用，（）：田志昌，赵升，王贵阳大跨空间钢结构用体育场健康监测系统的整体设计 建筑技术开发，（）：檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶（上接第 页）刘建群，高俊博，刘小红冬凌草的化学成分研究中国药房，（）：张丽，周三，王威，等尾叶香茶菜三萜类化学成分研究青岛大学学报（工程技术版），（）：，（）：许琼明，陈国庆，范金胤，等苎麻根化学成分研究中国中药杂志，（）：武海波，赵奕宁，李冬梅，等血满草化学成分研究天然产物研究与开发，（）：，（）（），（）：，（）：，：，（）：夏立子，周敏，肖艳华，等青荚叶的化学成分（英文）中国天然药物，（）：