徐州奥体中心钢结构工程的施工特点及技术措施

徐州奥体中心钢结构工程的施工特点及技术措施
师为会
【期刊名称】《《建设监理》》
【年(卷),期】2019(000)009
【总页数】5页(P77-81)
【关键词】钢结构工程; 构件加工; 现场拼装; 分段吊装
【作者】师为会
【作者单位】浙江江南工程管理股份有限公司浙江杭州310013
【正文语种】中文
【中图分类】TU712
1 工程概况
徐州奥体中心体育场屋盖为类椭圆形的环形空间结构，结构平面长轴 263 m，短轴 243 m，最大悬挑跨度约 39.9 m。

结合结构受力特点、建筑造型、空间使用功能和视觉美观等要求，体育场屋盖结构内部采用了索承网格体系，屋盖与建筑外围落地的单层网格钢结构形成一个整体。

混凝土结构通过看台尾部交叉钢撑杆和二层钢连杆与钢结构连为一体（见图 1）。

图 1 钢结构屋盖单元立体示意图
2 主要结构材料
钢结构工程量约 11000 t，主要钢构件规格及材质，如表 1 所示。

表 1 钢结构主要钢构件规格及材质序号构件名称规格材质1 梭形交叉支撑柱
Φ 1000～600×16，Φ 1000～600×30 Q 345 B 2 交叉支撑柱环梁Φ 700×30，Φ 700×20 Q 345 B 3 双层网格单层网壳Φ 600×30，Φ 600×10 Q 345 B 4 三
层网格单层网壳□500×250×20/16，Φ 351×16 Q 345 B 5 单层网壳间环梁Φ 700×20 Q 345 B 6 V型支撑柱Φ 1000×25，Φ 700×20，Φ 800×25 Q 345 B
7 立柱环梁□700×1000×30 Q 345 B 8 内侧环形桁架Q 345 B 9 钢拉杆Φ 40 550级10 环向索6×Φ 5×54711 径向索Φ 5×631□600×500×20，
□600×300×16，Φ 325×10，Φ 299×8
3 构件加工特点和措施
3.1 构件加工的特点
（1）箱型扭曲构件加工难度大，工作量大。

为满足结构受力及建筑造型美观要求，悬挑屋盖造型为马鞍形曲面，因此内侧 6 圈环梁均为箱型扭曲构件，每一根弯扭
构件由 4 块弯扭钢板组合而成，其加工难度十分大。

同时，为了满足本工程对弯
扭构件外表面线型光顺的严格要求，又不得不尽最大可能扩大每一块弯扭钢板的长度。

为了保证钢板在弯扭加工过程中能够连续光顺地进行弯曲，冷加工连续弯曲加工工艺是其最佳选择，但其加工工艺和检验方法十分复杂，难度也很大。

同时本工程中此类构件较多，体量很大，总重量约 1500 t，工作量巨大。

（2）变截面锥管种类多，加工量大。

根据建筑美观效果的需要，本工程中 X 型交叉柱及 V 型支撑柱中，管材采用圆锥管。

由于长度的不同，截面厚度的不同，使
得变截面锥管曲率也不同且种类较多，这就给加工制作带来了极大的不便；同时锥管体量较大，总计有 900 t 之多，共 494根，加工量非常大。

（3）大直径弯弧管加工。

本工程中φ351 mm×10 mm、φ325 mm×10 mm、
φ500 mm×16 mm、φ600 mm×18 mm、φ600 mm×20 mm、φ600 mm×30 mm、φ700 mm×30 mm 等规格圆管需要进行弯圆。

如何保证钢管弯圆后弯圆矢
高、钢管外观、端口拼装吻合度等同样是本工程的重点之一。

（4）超厚板加工。

工程中大量采用拉索结构，而钢绞线抗拉强度应≥1570
N/mm2，相应要求钢结构连接节点及耳板板厚较大，涉及板厚有 16 mm、30 mm、40 mm、60 mm、80 mm、120 mm。

节点主环梁与内外侧拉索连接，节点板厚应为 120 mm 且要弯折。

由于超厚板焊接易产生裂纹和层状撕裂，并且厚板焊接后残余应力较大，会产生较大的焊接变形，所以，厚板焊接是本工程构件加工的一个重点控制对象。

（5）工程焊接量大、焊接应力变形大。

本工程采用的截面种类较多，对于多数节点，为保证节点的安全性，均采用局部加厚及设置内隔板的方式，致使构件在节点处分段较多，工厂焊接量大幅增大。

使用钢材均为厚板，焊接时填充焊材熔敷金属量大，焊接时间长，热输入总量高，从而造成如下情况：结构焊后应力和变形大；钢材截面占构件截面比例高，构件施焊时焊缝拘束度高、焊接残余应力大；板厚焊接时拘束度大，并且节点复杂，焊接残余应力大，焊缝单面施焊熔敷金属量大，施焊作业时间长，工艺复杂。

因此，在焊接施焊过程中，稍有不慎就容易产生热裂纹与冷裂纹。

从焊接理论与焊接实践中可以证实，层状撕裂缺陷最易产生在钢板厚度方向的“十字角接和T形角接”接头上。

此类接头在本工程中比比皆是，加上其
他因素，该倾向性将增加。

（6）精度控制严格，外表面处理要求高。

工程整体造型使得异形杆件种类繁多，为保证现场安装对接无误，应严格控制加工误差，确保现场安装达到预定目标。

同时，本工程大部分构件需要外露，这对构件外表面提出了十分高的要求。

（7）材料利用率低。

本工程弯扭、锥管、箱型弯弧等异形构件总量占工程总量的60% 多，造成材料利用率十分低下，又由于弯扭构件的截面不同，弯扭程度不同，钢板订货规格的取舍难度很大。

（8）功效低，工期紧。

本工程异形构件占总工程量比重大，而异形构件所需要的
工序众多、要求高，机械化施工设备很难使用，多为手工操作，特别是焊接工作，工效十分低。

另外，本工程工期十分紧张，订料、加工制作工期仅不到 4 个月，给钢结构加工带来极大的挑战。

3.2 采取的措施
（1）加强原材料质保资料检查及相关复式试验。

（2）根据各构件的特点采用科学、合理、先进的加工机械设备。

（3）安排专人驻场监造，严格把控构件的加工质量，严禁不合格加工构件出厂。

（4）严格控制焊接材料化学成分及焊接工艺参数及条件，以提高根部清理和焊接的质量。

加强焊后的消氢处理，采用合理的焊接顺序，增加焊缝的自检和委托有资质的第三方检测频率。

（5）严格控制加工厂内预拼装的几何尺寸及标高，确保满足设计图纸和相关规范的要求。

4 现场拼装特点和措施
4.1 现场拼装的特点
（1）构件形式繁多，涉及箱型扭曲构件、变截面锥管、大直径弯弧管等，且构件超重、超长，安装分段超长超重。

其中内侧环梁最大安装分段尺寸 17 m（长）×12 m（宽）×15 m（高），最重分段达 47 t。

因此，拼装工作的难点就在于如何选择合理的拼装方法以确保胎架的稳定。

（2）钢构件按中心线对称，但拼装模具数量较多；多种结构形式并存，且构件种类较多，导致拼装胎架类型繁多。

如何设置拼装胎架形式，充分利用拼装胎架是拼装工作的重点。

4.2 采取的措施
（1）双向网格单层网壳为大直径弯弧管结构，同上部环梁拼成整体，分段最重约为 33 t，共计 42 个分段。

根据双向网格单层网壳的结构特点，采用平拼的工艺进
行拼装（见图 2）。

图 2 双向网格单层网壳拼装
（2）三向网格单层网壳主管为矩形管，连系杆件为圆管，分段最重约为 25 t，共计 63 个分段。

三向网格单层网壳拱度较高，采用卧拼方法进行拼装（见图 3）。

图 3 三向网格单层网壳拼装
（3）钢结构节点较多，现场拼装焊接量大，在拼装过程中必须预留焊接预变形。

确定合理的焊接顺序，使焊接变形降至最低限度，是拼装工作中需要重点解决的问题。

（4）弦支网格内侧环梁主要构件为矩形管，由径向次杆和两侧的环梁拼成吊装分段，分段最重约为 17 t，共计42 个分段。

将径向次杆的前端以及两侧的环梁，采用平拼的方法，在拼装胎架上拼装成“王”字格吊装单元。

（5）根据不同分段的外形尺寸搭设底层型钢框架或铺设路基箱，作为主要受力平台，然后在平台上划出吊装分段的投影位置线和胎架模板位置线，并设胎架立柱。

胎架支撑采用型钢或圆管，与底层平台焊接固定，并加设斜支撑，以保证支撑两个方向的稳定，同时采用全站仪对模板上口的定位标高进行测量，确保上口的标高正确。

构件接口处用连接板进行固定牢固，拼装分段组装焊接后，拆除胎架定位焊，在自由状态下进行测量验收。

5 分段吊装特点分析
5.1 分段吊装特点
（1）设计新颖，构造复杂，分段及拼装形式多样。

体育场为类椭圆形的环形空间结构，造型美观、设计轻巧。

其外侧为网壳结构，内侧为索承结构。

如何进行合理分段，并针对不同分段选用不用的拼装形式，是保证本工程安装顺利进行的一个前提，也是本工程最重要的环节之一。

（2）双向网格的安装加固。

双向网格底脚落在交叉柱环梁上，沿着交叉柱倾斜角
度（27.5°）继续向外倾斜，倾斜距离达 8.1 m，且与结构既无拉结点又无支撑点（见图4）。

如何保证双向网格安装过程中的安全稳定是本工程的难点。

图 4 双向网格安装
（3）屋盖内部为索承结构体系，最大悬挑39.9 m，受力情况复杂。

屋盖内部为
弦支网格索承体系，在弦支网格下方沿环向布置 42 道径向钢索及 1 道环向钢索，通过张拉预应力径向钢索将整个弦支网格结构承托起来，所以内侧弦支网格在径向索张拉前为自由可变体系。

同时弦支网格根部与三向网格环梁相连，向体育场内最大悬挑为 39.9 m（见图 5 和图 6）。

屋盖内部的索承网格体系的安装是本工程的重点。

图 5 三向网格安装
（4）东侧单层网壳的吊装。

体育场东侧为地下商业广场，吊装机械只能处在－9 m 的狭长地下商业广场底板上才能吊装。

吊车如何到达底板是本工程的一大难点，同时选择什么样的机械也同样是一大难题。

图 6 弦支网格安装
（5）构件多而杂，高空作业量大。

屋盖结构部分在地面拼成整体后，还会存在大量的散件。

这部分散件，均需要在高空进行安装，高空作业量大，且保证安全操作的投入会很大。

5.2 采取的措施
（1）根据体育场混凝土结构特点，对双向网格采用不同的安装加固措施。

东西侧双向网格使用Φ273 mm×10 mm 的钢管与混凝土结构进行连接，上部拉设两道
缆风绳进行加固；南北侧混凝土结构只有两层，双向网格单元吊装时，在外侧使用Φ609 mm×16 mm 的圆管组成支撑架进行加固。

（2）考虑到弦支网格在径向索张拉前为自由可变结构，端部需采用临时刚性支撑架进行支撑。

沿看台结构一周在弦支网格径向主杆前端对应位置搭设竖向支撑架，
支撑架采用Φ609 mm×16 mm 的圆管组成三角形。

支撑架落在看台结构上，其楼板位置需搭设脚手架进行支撑，以保证结构安装。

（3）通过分析计算分段重量，并使用 CAD 放样，选择使用 200 t 履带吊吊装东侧结构的分段。

同时，选用250 t 履带吊站在南侧通道结构上将 200 t 履带吊吊至底板。

为保证通道结构安全，在上面铺设路基箱的同时，下方也使用φ609 mm 钢管支撑进行加固。

（4）屋面钢构件尽可能在地面拼装，以减少高空作业。

根据不同结构特点，在接口位置分别搭设硬爬梯、钢平台、钢挂架或吊篮等，以保证施工人员的操作安全。

另外，除了配备安全带以外，设置安全绳、安全网等安全防护设施。

6 钢结构卸载的特点和措施
6.1 本工程卸载的特点
（1）本工程中，主要需要卸载的支撑架为 V 型柱支撑架 18 组、双向网格支撑架18 组和内侧环形桁架支撑架 42组（见图 7）。

体育场钢屋盖结构中未设置伸缩缝，需要等待索结构全部张拉完成后才能进行整体卸载。

整体卸载对统一指挥协调管理要求较高。

使钢屋盖结构完全脱离支撑，依靠自身结构受力的方式完成卸载。

图 7 支撑架平面布置示意图
支撑架整体卸载步骤为：体育场钢屋盖结构全部安装、焊接完成→ 测量卸载前支撑架上部结构标高，并作书面记录→ V 型柱支撑架卸载、拆除→ 索结构首次张拉→切除内侧换形桁架支撑架上部与环形桁架的联系支点→ 索结构二次张拉→ 内侧环形桁架脱离支撑架→ 再次测量支撑架上部结构标高，并作书面记录→ 双向网格支撑架卸载→ 第三次测量支撑架上部结构标高，并作书面记录→ 支撑架陆续拆除。

6.2 卸载采取的措施
（1）卸载前必须将体育场钢结构主要受力杆件全部安装和焊接完成后，相关焊缝
探伤经自检和经有资质的第三方机构检测合格后方可进行卸载。

（2）卸载前将支撑架拉好缆风绳，确保支撑架卸载过程中稳定。

（3）卸载过程中卸载区域下部拉好警戒线，设专人看护。

（4）卸载前后分别测量支撑上部结构的标高值，做好书面记录并存档。

（5）统一听从指挥调度，按照指挥的要求进行操作，不得私自操作；卸载前必须详细对管理分工和劳务分工作业进行交底；指派专人进行卸载施工，严格按照方案执行，每次切除调整支座时，不得多于 20 mm。

（6）卸载过程中，若发现钢结构变形异常，应立即停止卸载，及时上报指挥部予以协调处理。

7 结语
通过各参建方的共同努力，采用科学的管理方法提前对各工序施工的重点和难点进行分析讨论，有针对性地结合各工序特点制定相关的技术保障措施，为工程的顺利实施提供有效保障；按照既定节点，完成了体育场的钢结构施工，确保了后续工作的正常开展。

在面临工期高度紧迫和技术错综复杂的情况下，有效分解各工序的特点和制定相关技术措施，为同类体育场馆钢结构工程的顺利推进提供了参考经验。