[摘要]針對南昌國際體育中心體育場鋼結構工程的大懸挑、大跨度、單向斜撐等結構特點和施工難度，詳細介紹了高空分塊安裝法、結構合龍、整體卸載等關鍵技術及難點，并通過對施工全過程有限元仿真分析證明，該技術高效、合理，保證了工程質量和施工安全，并為此類體育場館的施工提供了一定的參考。

　　1、工程概況

　　南昌國際體育中心體育場占地面積67 248㎡ ，總建筑面積82 742㎡，體育場最多可容納觀眾約6萬人，為1座圓形建筑( 見圖1)。

圖1 南昌國際體育中心體育場

　　體育場鋼結構屋蓋罩棚平面投影為環形，外環呈圓形，內環呈橢圓形，南北方向呈“馬鞍形”，結構為雙軸對稱。外環直徑為287. 8m，內環長向( 南北向，y軸)212m，短向( 東西向，x 軸) 141.7m。體育場鋼結構采用96 榀徑向主桁架、5 榀環桁架、部分收邊桁架、“V”形支撐和單向斜撐、192 只鑄鋼件節點等組成空間管桁架結構( 見圖2a) ，徑向主桁架最大寬度為7. 0m( 見圖2b) ，最小寬度為2. 0m，徑向桁架最大懸挑47m，桁架最高點標高為51. 85m。桁架桿件為圓鋼管，材質主要為Q345B，整個體育場鋼結構用鋼量約為8 000t。

　　2、工程特點及難點

　　南昌國際體育中心體育場罩棚鋼桁架頂棚線條流暢，宛如旋轉的水流星，要體現這一建筑效果，保證鋼結構外形曲線平滑是本工程的關鍵技術之一。主體育場結構高度高，最高點標高為51. 85m，最低點標高34.50m，其上部結構由96 個V 形柱支撐，東西向徑向桁架最大懸挑達47m，南北向徑向桁架懸挑長度達27m，同時罩棚又是一個封閉式結構，全周長約800m，且頂棚桁架上下弦間斜撐單向布置。這種大懸挑、大跨度、單向斜撐組成的空間管桁架結構，給結構施工技術提出了較高要求。

圖2 體育場結構

　　結合該工程的特點，通過對各種施工方案對比分析，選用高空分塊吊裝法進行施工。結構施工難點主要包括:

　　①罩棚鋼桁架結構懸挑跨度大，豎向變形大，為保證結構外型尺寸線條流暢，需對結構預起拱設計；

　　②本工程地面拼裝量大，地面的拼裝量約占整個工程的75% ，因此，地面拼裝精度保證是工程的重點；

　　③結構高度高，吊裝分塊重量大，吊裝時穩定性難以控制，對臨時支撐的要求高；

　　④分塊構件安裝就位前的變形難以控制，測量定位困難，容易影響安裝精度；

　　⑤該結構連續長度大且又為全封閉，要充分考慮環形結構安裝誤差的累積，同時鋼結構罩棚與下部混凝土柱采用支座固定，如果結構整體施工不設置伸縮縫，施工過程中溫差變化會對安裝精度和結構使用階段的安全性不利，因此罩棚合龍縫及合龍溫度控制至關重要；

　　⑥懸挑結構的整體卸載，大懸挑結構自重作用下結構的變形大，卸載不當會造成結構和支撐架的破壞，為了使罩棚結構逐漸進入設計受力狀態，卸載過程支撐架荷載增加，需要分步、分級卸載，因此卸載過程的施工仿真分析和卸載順序控制是本工程的施工控制關鍵。

　　3、高空分塊吊裝分析

　　3. 1 高空分塊吊裝法的優缺點

　　優點: ①鋼構件地面拼裝，減少了高空作業量以及高空操作腳手架用量，提高了施工質量、工作效率及施工安全性，有利于文明施工，并便于發現問題和處理問題;

　　　　 ②擴大了鋼結構主體施工面，提高了機械的使用效率，加快施工進度。

　　缺點: ①分割吊裝分塊時，必須保證分塊應是幾何不變體系，起吊后剛度、受力情況及變形變化較??；

　　　　 ②吊裝分塊重量大，對起重機的要求較高；

　　　　 ③施工過程中，要進行多次坐標轉換，地面拼裝增加了測量難度，提高了對場地的要求，同時需要增加臨時安裝胎架，預先計算各類變形量，并采取反變形措施；

　　　　 ④增加吊裝難度，由于吊裝分塊桿件多，重心難以把握，對掉點位置、數量、綁扎方式以及吊繩尺寸等必須通過計算才能實施。

　　3. 2 桁架地面拼裝( 見圖3)

圖3 桁架地面拼裝

　　本工程的拼裝焊接量大，是后續鋼結構安裝得以順利進行的重要前提和保障，如何保證鋼構件地面拼裝精度至關重要。因此針對本工程鋼結構的特點，桁架的拼裝須做好以下控制:

　　①拼裝場地的設置須滿足要求，要能滿足構件堆放、起重機和貨車的通行。拼裝場地布置合理與否，將直接關系到施工進度的快慢和安全文明施工管理水平的高低。

　　②拼裝胎架的設置主要滿足強度、穩定性、方便現場拼裝及通用性等幾個原則。根據構件體型特征設置不同的拼裝胎架，經分析本工程主要拼裝胎架共有5 種形式:場外組合單元拼裝胎架、場外臨時擱置胎架、場外平面桁架拼裝胎架、場內組合單元拼裝胎架及場內臨時擱置胎架。拼裝胎架設置后要根據施工圖核對胎模具的位置、弧度、角度等情況，復測后進行構件拼裝。

　　③桁架現場拼裝流程按照先下弦、上弦、腹桿，最后兩榀平面桁架間次桁架及系桿的順序安裝，為減小吊裝過程中桁架的變形及保護母材，在桁架端部以抱箍的形式設置臨時加強桿。并采用全站儀對桁架各個節點的坐標進行精確定位。桁架在胎架上拼裝完成后，解除桁架上的所有約束，使桁架處于自由狀態，并在此狀態下測量桁架的各項尺寸，進行分段驗收。

　　3. 3 桁架分塊吊裝工況

　　該體育場鋼結構頂棚由96 榀徑向主桁架組成，為了保證吊裝分塊在吊裝過程中的整體穩定性以及變形情況，并考慮分段點距離節點位置500 ～ 800mm，采用以每兩榀主桁架為一組裝整體，每一組裝整體根據吊裝重量以及構件多少分為3 塊( 見圖4a)、2 塊( 見圖4b) 吊裝單元，逐步實現各單元高空擴散安裝。

圖4 桁架分塊示意

　　體育場鋼結構工程中最復雜的第1 段外環吊裝單位空間尺寸寬8m，高28m，重量達22t，吊繩按最不利工況設置4 個吊點。采用有限元軟件Midas /Gen 分析計算，結果表明，吊裝單位在起吊過程中最大應力76. 4N /mm² ，遠小于容許應力310N /mm² ，說明分塊單元在吊裝過程中處于彈性變形階段，滿足應力要求，結構安全。此吊裝方法給安裝帶來一定困難，尤其是圖4a 中的外環第2 分塊單元在高空定位時既要與外環第1 分塊單元對接，又要和其下的V 形柱連接，可能產生錯口現象，因此必須采取一定的措施調整分塊單元自由端的位置偏差，保證桿件高空定位的精確度，方便定位焊接，使桿件安裝質量滿足相關質量驗收規范要求。為達到最好的安裝效果，所有分塊單元吊裝過程中采用倒鏈輔助控制，所有外環第1 分塊單元在初步安裝后增設纜風繩，從而減少變形，提高安裝精度。

　　根據上述分段，場外桁架主要吊裝設備為200t 履帶式起重機，場內桁架主要吊裝設備為300t 履帶式起重機。依據鋼結構施工圖，體育場分為1 區，2 區，3 區和4 區( 見圖5)。經分析本工程鋼結構安裝總體順序為:1 區，2 區同步先行施工；3 區和4 區后續施工。

圖5 體育場的施工順序

　　3. 4 臨時支撐設計

支撐架的設計與布置主要考慮:

①結構吊裝過程的安全因素及結構卸載時所承受的最不利工況；

②結合土建現場情況布置，應盡量設置在混凝土柱頭上。

綜合以上鋼結構安裝分段和結構受力特點，在內環每榀主桁架底部均設置臨時支撐96 個，支撐架選擇本公司專利產品“裝配式格構承重支架的標準節”。首先用千斤頂進行調整桁架位置，并根據設計驗算對內環桁架做預起處理，調整完畢后，可抽出千斤頂，由兩側定位裝置對桁架進行固定，對于支撐點不在豎向立桿位置時，應加設臨時加強桿( 見圖6 )。在體育場主體鋼結構安裝、合龍完成，并成功卸載后方可對支撐架進行拆除。

圖6 臨時支撐胎架

　　3. 5 結構合龍

　　根據鋼結構吊裝總體施工順序，罩棚鋼結構吊裝時，采用從中間向南北兩端( 即從東西向的結構最大標高位置向南北向的結構最低標高方向) 的施工順序，罩棚鋼結構連續長度約為800m，且場內懸挑，罩棚最大寬度64m，最大懸挑47m，結構連續長度大且又為全封閉，同時鋼結構罩棚與下部混凝土柱采用支座固定，如果結構整體施工不設置伸縮縫，施工過程中溫差變化會對安裝精度和結構使用階段的安全性不利。

　　罩棚合龍縫設置在結構南北向的標高最低點，根據計算，該處桿件的應力相對較小，合龍溫度控制在20 ～ 25℃ ，結構在安裝過程中，產生的初始應力最小。

　　4、整體卸載

　　支撐拆除過程是一個結構體系轉換的過程，結構變形及內力重新分配，支撐胎架的支點反力也會隨著卸載方案及卸載順序不同而發生變化，為了使結構逐漸進入設計受力狀態及支撐架在卸載過程中不發生破壞，必須選擇合理的卸載順序及卸載等級，并對卸載階段結構的安全性進行計算分析。拆撐卸載的原則是:以結構計算為依據，以結構和支撐安全為宗旨，以變形協調為核心，以實時監測為手段。根據這一原則，通過計算確定卸載方法。卸載方法分為等比法和等距法?？刹捎靡簤呵Ы镯?、螺旋千斤頂、氣墊等實現。

　　體育場罩棚鋼結構在吊裝時，是在每一徑向主榀桁架下設置臨時支撐胎架支承的空間結構體系，在主體鋼結構安裝完成，并完成所有的焊接工作，罩棚合龍后，對已經形成的主結構和次結構進行整體同步卸載。支撐架的卸載方式采用分步、分級方式進行。根據有限元軟件Midas /Gen 對卸載過程進行仿真分析得知，結構在完全卸載后最大豎向位移為66mm，發生在內環短向端的臨時支撐處，內環長向端支撐處的豎向位移相對較小，僅28mm。本工程利用千斤頂采用等距法進行卸載( 見圖7a) ，按照約定的10mm / 次的卸載量，96個千斤頂同時進行卸載。總體同步卸載原則為:統一指揮、分步有序、實時反饋。當千斤頂行程不夠時，利用兩邊固定裝置進行轉換，重復以上過程，直到桁架底面與千斤頂和兩側固定裝置全部脫離，卸載完成( 見圖7b)。

圖7 整體卸載

　　5、施工監測

　　施工監測的目的是為了實時跟蹤結構施工過程中關鍵部位的變形、應力變化，以及振動、溫度等影響。通過實時收集到信息，判斷原有的預期和實際發生的是否一致，以便及時調整，使結構實施的準確性和安全性得到保證。

　　變形監測包括軸線和標高監測。軸線監測是觀測已施工結構軸線位置相對于預定軸線位置的偏差，使用全站儀進行測量。標高監測是觀察結構高度是否達到設計標高，采用精密水準儀進行測量。該體育場頂棚線條流暢，且存在大量的多管相貫節點，因此要求安裝精度極高。監測遵循“由整體到局部”的原則，采用“內、外結合控制法”，建筑物定位軸線允許偏離理論軸線量為L /20 000 ( L 為定位軸線長) ，且不應大于3.0mm，縱橫向桁架高度允許偏差10mm，跨中垂直度允許偏差為10mm( 相對誤差)。

　　應力監測是施工中非常重要的內容，其目的是掌握施工過程中關鍵構件應力變化情況。并及時發現問題，采取措施，使關鍵部位構件應變不超過規定數值，保證結構安全，應力監測部位一般設置在最大應力點、應力變化最大點、施工關鍵節點和體現環境特征的點。本工程在結構整體卸載過程中，通過分析實測應變數據，與理論數據進行對比發現，兩組數據基本吻合，卸載方案安全、合理。

　　6、結語

　　針對南昌國際中心體育場鋼結構工程的大懸挑、大跨度、單向斜撐等結構特點，應用高空分塊安裝的施工方案合理、高效，比原定工期縮短35d，確保工程質量和施工安全，同時為此類體育場館的施工提供了一定的參考。