论文推荐|援塞内加尔摔跤馆钢结构施工技术

摘 要

通过对援塞内加尔摔跤馆钢结构屋面罩棚施工技术的分析，从临时支撑设置、桁架拼装、桁架吊装、落架等方面进行剖析，解决了施工过程中存在的重、难点问题。使用3D3S、SAP 2000等软件对吊装和拆撑过程进行了验算，结果均满足设计和施工要求，验证了施工方案的可行性。运用BIM技术对钢结构施工方案比选、桁架吊装进行了可视化交底，科学地指导了现场施工。

钢结构具有抗震性能好、自重轻、强度高、施工速度快等优点。作为常用的大跨结构体系，钢结构越来越广泛地运用在体育馆、机场、展览馆等公共建筑上，而钢结构施工中构件安装是实现该类工程结构的难点、重点。针对跨度大、高度高、造型复杂的钢结构，采用合理可行的安装技术和施工方法有助于快速、经济、安全地完成工程项目建设。本文以援塞内加尔摔跤馆钢结构屋面罩棚安装工程为例，对大跨钢结构安装技术进行了介绍和分析。

1 工程概况

该钢结构工程位于塞内加尔共和国首都达喀尔市西北部皮金区内，为中国政府援建项目，钢结构屋面罩棚整体造型如“金腰带”，结构威武壮观，是西非地区跨度最大、结构最复杂的钢桁架结构工程，效果如图1所示。前拱主桁架为叠层桁架，截面为倒梯形，沿南北方向布置，跨度约209 m，拱高50 m，主桁架上边长约4 m，下边长约8 m，高度约4 m，支承于基础混凝土支座上。后拱主桁架为倒三角桁架，沿南北方向布置，跨度约250 m，拱高约28 m，支承在西看台8根劲性混凝土钢柱上。钢桁架为Q345B材质的无缝钢管，屋面檩条为高频焊接H型钢。所有主材均在国内加工制作，再海运至项目地点。

图1 摔跤馆建筑效果

2 施工难点

1)屋面桁架自重大、高度高、跨度大。本工程钢桁架单榀件最重达550 kN，最大安装标高达50.000 m，吊装平面半径为65 m，结构跨度为 206.9 m，钢构件的吊装是施工中的重点与难点。

2)钢结构杆件数量种类多，曲率半径各不相同，冷弯加工难度很大。屋面管桁架管材为无缝钢管，管材规格共计有17种。

3)平面布置要求高。本工程构件较多，共 2 600 余件，需解决现场构件的进场道路、材料堆场等主要设施的区域布置问题；现场需满足履带吊车的行走和站位要求。

4)吊装工况多，高空焊接量大。主次桁架49榀，每榀重量、长度、吊装位置各异；高空对接的精准就位难度大；高空焊接工程量大，全位置焊接难度大。

5)现场气候环境差，施工难度大。项目地处达喀尔热带海洋气候带中，全年分旱季、雨季；常年风速大，平均风速为7 m/s，施工气候环境较差。

3 钢结构施工及技术措施

3.1临时支撑布置与安装

本工程结构跨度大，且下部结构为混凝土看台板，无法在地面原位整体拼装，只能考虑分段吊装。在认真分析现场场地、结构形式、拼装方法以及吊车性能等方面后，采用以下分段吊装：主拱下架设8根临时支撑柱，分9段吊装；后拱架设8根临时支撑柱，分9段吊装；中间部位次桁架下方架设4根支撑柱分段吊装。整个钢罩棚共分49榀吊装单元。

临时支撑底部设置厚30 mm、截面为500 mm× 500 mm的钢板。支撑柱按照设计要求制作成每节长度12 m的标准节，最上端一节为调整节，长度根据支撑柱与桁架连接节点的实际长度进行制作。为防止临时支撑平台侧向失稳，用钢丝绳在两侧面与地面预埋件拉结。

3.2构件拼装

主桁架拼装工艺流程：桁架地面拼装胎架制作→桁架第一次拼装定位→校正→检验→焊缝焊接→焊后校正→焊缝检查→构件复核尺寸→拼装完成。

3.2.1 拼装胎架

为方便钢管桁架拼装，设计了一种钢管桁架拼装胎架，如图2所示。

图2 钢桁架拼装胎架

桁架预拼装胎架竖向支撑柱主要支撑整个桁架重量，竖直可调牛腿可上下调节，以控制桁架高度；水平调节块可水平调节，控制桁架水平位置；倒链可对预拼装桁架整体进行临时拉固。通过以上调节，可以对桁架进行预拼装施工。

3.2.2 桁架节点间杆件长度的控制

杆件焊接时会有收缩，在下料时应予以考虑，若杆件长度控制不适当，会影响桁架整体尺寸。杆件下料放样时，考虑焊接收缩余量为2～3 mm，两榀主桁架之间对接预留余量50～100 mm。

3.2.3 预拼装

预拼装顺序为：下弦杆→上弦杆→腹杆。在工厂进行钢管桁架预拼装时，将桁架置于胎架上，检查各处尺寸、接口与预留量无误后编号出厂。通过预拼装可以检查钢管端部形状加工的精确性、腹管长度的精确度、上下弦杆的曲率，为现场安装提供数据。

3.2.4 预拼装的允许偏差

本工程中，主桁架必须进行100%平面预拼装。预拼装应在自由状态下进行。预拼装允许偏差见表1。

3.3钢桁架吊装

3.3.1 吊装顺序

本工程钢桁架布置呈南北对称，桁架从南北端同时开始向中间分段吊装，再进行主拱合拢，最后吊装次桁架中间的连系桁架，完成屋盖主体桁架的吊装。

3.3.2 吊装变形监控与控制措施

本工程构件长度长、高度高，且主拱桁架为5段钢管空中对接，对构件安装精度要求高，如何在安装过程中控制构件精准落位，满足安装时的精度要求、避免造成累计误差成为本工程的难点。针对此情况，采取如下措施来保证每一段构件安装时的精度：

1)在每根临时支撑柱上采用半圆形钢板做构件落位装置，计算出半圆形钢板的最低点即落位点的空间坐标，在支撑柱安装时即将构件落位点调整到精度要求之内，则构件落位时自动到达安装位置。

2)在构件钢管上找到定位点，并在定位点处焊接限位板，保证构件落位时即在设计位置，且不移动。

3)测量人员在每一段构件落位之后对设置在该段构件上的观测点进行随时监控，确保构件就位时观测点的坐标在精度控制范围内再采取电焊固定，之后吊车缓缓松钩，在保证吊装钢丝绳不受力的情况下，当全站仪中显示的观测点坐标数据不再变化时方可对构件进行焊接，构件完全固定后解除钢丝绳绑定。

4)在吊装下一段构件时，先对上一段吊装就位的构件观测点进行复测，确保构件吊装后变形在允许范围之内，方能进行下段构件吊装；测量人员随时对吊装就位的构件进行复测，确保每段构件位置在可控范围之内，以此避免构件安装的累计误差，拼装过程中构件精度要求与预拼装过程的精度一致。

3.4结构拆撑与变形控制

3.4.1 拆撑控制原则

为了使整体桁架结构逐渐进入设计受力状态，工程采用整体拆撑，即分步、分级循环释放的拆撑方法。本工程临时支撑拆除需要遵循以下基本原则：

1)制定合理的拆撑方案，包括拆撑方式、拆撑顺序及各支撑点下降的位移步长(即每步拆撑千斤顶的位移下沉量)。

2)拆撑过程中应保证主体结构和临时支撑结构的内力和位移的变化是缓慢的。

3)拆撑过程中应保证主体结构和临时支撑结构的应力控制在弹性范围内，同时保证内力和位移的变化幅值控制在合理范围内，使之不发生强度破坏或失稳。

4)主要采用液压千斤顶作为拆撑工具。首先将千斤顶全部置于临时支撑的托梁上，即桁架下弦杆，并与托梁加以固定。当千斤顶顶紧刚架后，利用割枪将托板割掉，操作人员同时放松千斤顶。

5)拆撑时要统一指挥，保证同步，且严格执行拆撑原则，分多步进行拆撑。

6)拆撑时进行跟踪测量和监控。

3.4.2 拆撑控制措施

在结构分析计算的基础上，拆撑按照等比例微量下降的原则来实现荷载平稳转移。根据计算时得出的各支撑点拆撑时需要降低的行程来具体实施每一步骤的拆撑行程。拆撑时，要先在支撑块上用水平尺画出每次需要下降到的位置，使用千斤顶把支撑块降到预定位置后再把垫块垫上；千斤顶撤出后准备下一步骤的拆撑，直到结构拆撑完成。支撑点千斤顶示意如图3所示。

图3 支撑点千斤顶示意

3.4.3 拆撑方案

通过模拟施工计算，整个拆撑分两个部分进行：第一部分直接拆除8根临时支撑，第二部分对剩下的12根临时支撑进行拆撑。

第一步，拆除看台中间的2根临时支撑，通过计算，结构下降最大处8 mm。第二步，拆除看台上剩余2根支撑，对周边胎架与桁架杆件产生一定影响，轴力和变形都增加，但均满足验算要求。对余下的12个支撑架按逐步释放位移方式分4个阶段进行拆除，各阶段拆撑位移分别为施工模拟计算最大位移的25%、50%、75%、100%。为减小对看台板混凝土结构的影响，优先考虑将位于看台上的主桁架释放。各阶段拆撑量如表2所示。

4 安装及拆撑过程验算

本工程采用3D3S软件进行安装及拆撑过程荷载和位移分析，并采用SAP 2000、MIDAS软件进行对比分析，三者计算结果基本一致，主要结论如下：

1)根据模拟分析计算，安装过程中，最大值均出现在第一节中部，前拱顶构件南北方向水平位移x、东西方向水平位移y、竖向位移z的最大值分别为3.5，1.1，-4.2 mm，后拱顶最大值为5.1，2.7，12 mm；拆撑完成时拱顶x、y、z向最大位移分别为18.2，1.6，-39.2 mm；支座释放10 mm时拱顶x、y、z向位移分别为26.0，1.7，-53.5 mm，均符合相关规范要求。

2)施工过程中安装胎架稳定及强度应力比最大为0.35，构件强度及稳定应力比为0.3，均满足相关规范要求。

钢结构施工现场如图4所示。

a—地面胎架组拼；b—主桁架吊装；c—连系桁架安装；d—支撑架拆撑；e—屋面檩条安装；f—主体施工完成俯瞰。

图4 屋面罩棚钢结构现场安装

5 BIM技术应用

工程在施工前建立了BIM模型并采用BIM技术进行方案比选、钢结构深化设计与加工、安装可视化交底等。

5.1钢桁架吊装施工方案选择

本工程罩棚钢拱架、次桁梁安装最大高度分别为50.46 m与28.75 m，主拱、后拱及次桁架质量共计820 t，前主拱板块长约120.5 m，平均1.5 t/m；后拱半跨质量约99.7 t，长约125.5 m，平均0.8 t/m，连系桁架跨度约8 m，每跨约2.5 t。结构杆件质量较大，杆件众多，可采用高空散装法、液压同步提升法、分段提升法进行施工。

利用BIM技术对以上三种施工方法进行模拟对比分析，考虑施工现场布置、施工质量、安全、成本、工期等诸多因素后，最终选用成本合理、工期有保障的分段吊装法施工(图5)。

图5 施工现场布置模型

5.2钢结构深化加工

5.2.1 钢结构节点深化设计

通过创建钢结构的BIM模型，对钢结构细部节点进行设计，并自动生成钢结构深化节点详图，用于构件的下料加工与安装。

5.2.2 CNC自动化加工

为保证钢结构施工质量，将BIM深化设计完后的模型导出CNC文件，用于相贯线生产。解决了传统手工切割无法保证空间弯管相贯线精确放样与焊接坡口的准确制作难题，保证了空间管桁架的准确定位和制作精度。

5.3三维可视化交底

对关键施工技术、方法及工艺，采用BIM技术三维可视化交底(图6)，不仅降低了工作人员对方案理解的难度，更显著提高了两国作业人员之间的沟通效率，为项目顺利实施打下了坚实的基础。

图6 BIM技术可视化交底模型

6 结束语

介绍了塞内加尔摔跤馆钢结构屋面罩棚施工技术，从临时支撑设置、桁架拼装、桁架吊装、落架等方面进行阐述。使用3D3S、SAP 2000等软件对吊装和拆撑过程进行了验算分析，结果均满足设计和施工要求，验证了施工方案的可行性。运用BIM技术对钢结构施工方案比选、桁架吊装进行了可视化交底，科学地指导了现场施工，可为类似工程的施工提供经验和参考。

来源：张明亮, 刘著群, 丁超, 等. 援塞内加尔摔跤馆钢结构施工技术[J]. 钢结构, 2019, 34(8): 74-77. doi: 10.13206/j.gjg201908014

（编辑：奚雅青）

延伸阅读：

无人机在钢结构工程质量检查监测中的应用 钢结构连廊设计的一些技术总结 世界首例大型站改钢结构整体跨线落梁施工顺利完成

(1) 凡本网注明“来源：预制建筑网”的所有资料版权均为预制建筑网独家所有，任何媒体、网站或个人在转载使用时必须注明来源“预制建筑网”，违反者本网将依法追究责任。 (2) 本网转载并注明其他来源的稿件，是本着为读者传递更多信息之目的，并不意味着赞同其观点或证实其内容的真实性，请读者仅作参考，并请自行核实相关内容。其他媒体、网站或个人从本网转载使用时，必须保留本网注明的稿件来源，禁止擅自篡改稿件来源，并自负版权等法律责任，违反者本网也将依法追究责任。 (3) 如本网转载稿涉及版权等问题，请作者一周内书面来函联系。

[责任编辑：Susan]