渭南市体育中心项目位于渭清路与310国道十字西北角, 规划占地面积463亩, 总投资高达10.27亿元, 建筑面积约为12.4万m²。其中, 主田径场总建筑面积约30 000m², 设观众席32 000座, 如图1所示, 为陕西省第二大体育场。

本工程主拱计算跨度为290m, 结构最高点距地面约63.5m, 目前是西北地区跨度最大的钢结构建筑。屋盖结构为主、副2道拱形桁架支撑形成的空间管桁架结构, 如图2所示。主、副拱之间设置了20榀次桁架将两者联系在一起。主、副拱在端部相交至同一拱脚, 拱脚支承于钢筋混凝土墩台上。在副拱1/3跨度处分别设置钢筋混凝土筒体作为支点, 有效降低副拱跨度及支撑屋盖结构的横向水平力。

由于本工程铸钢件为8根管汇聚而成, 其中的2根被周围6根环绕其中。因此, 如果该节点位置处理不当, 则中间2根管焊接时, 焊接人员无法操作。而一味选择铸管管肢加长则又会遇到超宽超高无法运输的矛盾。

结合铸钢件的制作工艺, 考虑泥芯定位及固定, 需适量在管与管连接处开设工艺孔, 且这部分工艺孔有些在后道清理时可能无法补焊。结合铸造工艺所设计出的铸造节点能否承受使用阶段的巨大外部荷载值得重视。

本工程钢管需要弯圆的构件规格多, 主要为1 000×20, 900×18, 800×16, 800×14, 600×12, 299×10, 273×12, 273×10, 245×10等, 其中1 000×20等直径较大钢管壁厚相对较小, 钢管弯曲方法的选择及弯曲过程中如何保证钢管弯圆后弯圆矢高、钢管外观、端口拼装吻合度等是本工程的重难点之一。

工厂散件制作后运输到现场拼装, 桁架为弧形桁架, 桁架的制作精度及拼装精度的控制是工厂加工制作的重点之一。

钢结构吊装方案是本工程钢结构部分施工方案的关键, 同时, 钢结构吊装的成败也是关乎工程施工质量和安全的主要方面。

本工程钢结构内环主拱与水平面呈71°夹角, 由于其自重接近900t, 再加上屋面次桁架等结构, 罩棚钢结构因自重而产生的水平推力较大。如果施工吊装方案选择不当, 该部分水平推力如何抵消处理不好, 极易造成结构破坏以及重大结构安全事故。

由于本工程内环主桁架跨度达290m, 两拱的曲线长度均>300m, 因此, 温升、温降带来的结构长度伸缩进而导致结构中应力增加不可忽略。

在图纸设计说明中, 明确了施工安装合龙温度以及设计中所考虑的温差。如果设置得当, 可以有效降低结构中温度作用所带来的应力影响;否则, 则有可能适得其反, 甚至带来结构破坏。另外, 合龙位置选择合理与否, 对施工安装难度及对结构也会带来影响。

对于拱形结构形式, 卸载方式有多种选择, 如何在尽量符合结构设计受力状态的前提下, 选择对结构变形和内力变化最小的卸载方式, 不仅可保证结构从施工状态向设计受力状态转变的瞬间安全, 更能给结构在使用运营过程中受力状态带来有利影响。

由于主拱质量较大, 分段数又较少, 因此, 每点卸载位置因卸载所产生的力及卸载变形量将较大。选择稳妥的卸载方法也是保障卸载安全和结构安全的重要前提。

拱脚支座位置为铸钢件G-20Mn5QT材质与预埋板Q345材质的异种钢材焊接, 且该支座在使用阶段承受巨大压力。支座设置形式为铸钢件的铸造槽口倒扣在钢板加工的加劲钢件上。

如何保证该位置焊缝质量, 是焊接施工的一大难点。由于吊装过程中, 该拱脚位置将承受附加的扭矩及巨大水平力, 何时焊接该支座位置焊缝, 从而减少吊装过程中的附加外力对焊缝的影响, 是不得不考虑的问题。

结合本工程结构特点和场地条件, 安装方案采用地面拼装、高空分段吊装对接的方法。其他如高空散装、滑移、液压提升等方法, 有较多受限条件, 故不适用。

由于本工程体育场罩棚为对称的结构体系, 如果选择同时对两罩棚展开施工, 则需双倍劳动力配置和施工吊装器械、临时支撑架等辅助措施, 不经济。故在满足工期的条件下, 最终采用单侧逐一展开施工的安装方案。同时, 为有效利用结构两端支座及看台后方的两支座, 尽早形成稳固的受力体系, 总体采用两端往中间的安装顺序。

地面拼装、分段吊装的安装方法又有如下3种吊装顺序。

1) 内外环主拱桁架同时推进, 并同步吊装两者之间屋面次桁架。

2) 首先吊装内环主拱桁架, 然后吊装外环桁架, 并同步推进屋面次桁架。

3) 首先吊装外环桁架, 然后分段吊装内环主拱桁架并同步吊装两桁架间的屋面次桁架。

由于本工程垂直于拱跨方向的径向方向, 结构最高点与最低点高差达22m, 倾角达20°, 因此该方向因结构自重而产生的水平推力无法利用结构自身加以抵消, 若先不安装外拱桁架和制作, 必须依靠缆风绳等抗侧力临时结构。因此, 存在较大安全隐患和不确定性因素, 故最终选择第3种安装顺序。钢结构屋盖主要安装过程如图3所示。

本项目桁架截面主要包含主拱和副拱两种形式, 其中主拱桁架截面高15m、宽10m, 副拱桁架截面高10m、宽8m。由于桁架截面尺寸大, 单元分段质量大, 故在拼装时采用原位拼装。

为了保证构件组装的精度, 防止构件在组装过程中由于胎架的不均匀沉降而导致拼装的误差, 组装场地要求平整压实、铺设200mm厚碎石垫层进行压实, 再在上面铺设钢路基箱 (或者钢板) 。拼装胎模采用矩形钢管制作, 胎架牛腿部位设置可调节支座, 便于桁架拼装过程中的精确就位。根据工厂制作经验及现有加工设备对桁架杆件制作进行控制, 弧形杆件的矢高及钢管端部尺寸是制作中主要控制点, 为了保证构件现场拼装精度, 工厂有专门的预拼装场地对桁架出厂前进行预拼装, 预拼装过程中对构件尺寸及制作的精度进行验证和修正, 确保构件运输到现场能更精确拼装。钢桁架拼装过程如图4所示。

本项目铸钢件位于两端拱脚支座处, 共有8根管相贯汇于一点。铸钢件单体最大质量约40t。

结合图纸要求, 8根铸管错落设置, 将外围6根铸管缩短, 内部的2根铸管加长。这样的设置方式既满足中间铸管有施焊操作的空间, 又可有效减少铸钢件轮廓尺寸。并且考虑构件运输限界因素以及由于铸钢件单体质量很大, 结合拱脚节点受力特点以及运输和铸钢件浇铸工艺等方面因素, 对铸钢件节点形式进行部分调整。将8根相贯管件中的3根 (ZHJ-1的上弦、中弦、下弦) 管件采用现场焊接方式连接。这样的构造形式避免了构件尺寸超高超长的弊端, 并且减少铸钢件浇铸中的技术困难。

拱脚支座焊接属于异种钢材焊接 (见图5) , 其相应焊接参数及工艺有着其自身的特点和要求。拱脚铸钢件与预埋板焊接时间在结构完成吊装并卸载后, 再焊接该位置, 以减少附加外力对焊缝质量的影响。

本项目结构形式为拱形桁架, 桁架截面形式为倾斜菱形四边形, 为保证桁架的稳定性, 故须在桁架上同时设置2个支撑点。

由于结构两端低、中间高, 导致支撑胎架存在较大高差, 其中最低的约24m, 最高的约60m。为达到2个支撑点要求, 可采用以下2种方式: (1) 单架双撑, 即一个支撑, 胎架同时设置2个支撑点; (2) 双架, 即设置2个支撑胎架, 并在2个支撑胎架之间沿一定高度设置连系桁架。通过2种方式模拟分析, 最终采用单架双撑和双架混合使用的支撑胎架方案, 即高度<40m的采用单架双撑, 高度≥40m的采用双架, 从而达到最佳经济效果。

由于钢结构屋盖下部存在混凝土看台, 因此支撑胎架下部与混凝土看台之间的必定存在相互交错关系。由于下部看台为弧形变高度, 因此支撑胎架与看台之间关系复杂, 结合下部看台并进行三维放样, 依据实际情况采用下部回顶、设置转换钢梁或两种方式同时使用等方式解决, 如图6所示。

由于本工程内环主桁架跨度达290m, 两拱的曲线长度均>300m, 因此, 温升、温降带来的结构长度伸缩进而导致结构中应力增加也不可忽略。首先, 通过分析渭南当地的气象资料, 并结合项目工期要求, 合理选择合龙时间节点。其次, 分析渭南典型日的24h时段平均温度, 选择温度变化平稳的05:00—10:00时间段合龙。

合龙段吊装完成后, 选择其中一端作为合龙口, 先焊接另一端, 待焊缝温度冷却至常温方可进行合龙焊缝的焊接。合龙焊缝负载转移最有效的方法是用卡马转移负载, 待焊缝形成后, 割除卡马。使一次应力全部转移到卡马上, 然后再转移到焊缝上, 确保焊缝安全。钢结构合龙后现场如图7所示。

钢结构屋盖在主拱区、副拱区各布置10个支撑胎架, 共计20个支撑胎架, 其中每个支撑胎架包含2个支撑点, 故共计40个支撑点。支撑胎架的最高高度约60m。支撑胎架平面布置如图8所示。

大跨度钢结构屋盖支撑胎架卸载应仔细研究分析, 采用合理的卸载方案, 确保主体结构由安装状态平稳过渡到设计状态。结合本项目实际情况, 支撑胎架卸载时遵循对称、多点同步、分步分级、先近支座后远支座、先端部后中间等基本卸载原则。并采用有限元软件对卸载过程进行模型分析, 用以指导完善卸载方案。

本工程内外拱跨度大, 平面外支撑点少, 支座处杆件汇聚密集, 受力复杂;渭南是8度设防区, 大跨度结构受地震作用影响较大;290m跨度的拱形钢结构, 施工及运营阶段的温度应力都较大, 且有许多不确定因素。这就要求本工程在施工和运营阶段进行监测, 提供施工准确性的保证和运营阶段结构安全的保障, 实现工程的信息化施工。监测内容主要包括应力应变监测、位移监测、温度监测以及结构振动模态参数监测等。通过分析监测数据, 其与理论计算较为吻合。

本文阐述了渭南市体育场大跨度钢结构屋盖项目施工过程中大型铸钢件的制作与运输、大直径壁薄钢管弯圆以及钢结构合龙等重难点, 并提出相应的解决措施。另外, 通过对比分析不同的安装方案, 确定了首先吊装外环桁架, 然后分段吊装内环主拱桁架并同步吊装两桁架间的屋面次桁架的安装方案。最后, 总结归纳本项目实施过程中需控制的关键技术, 确保项目顺利实施。