看过来！宁波奥体中心游泳馆钢结构屋盖施工技术

摘 要

以宁波奥体中心游泳馆钢结构屋盖施工为背景，阐述一种大跨度圆管桁架空间钢结构的施工技术，并对该技术所涉及的施工验算做详细介绍。该施工技术能够解决在地下室上采用大型起重设备进行起重作业对地下室结构产生不利影响的问题；同时，针对在软土地基上难以采用大型起重设备进行起重作业的问题，提出一种可行的解决方案。

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工程概况

宁波奥体中心游泳馆为宁波市的重大民生项目，坐落于宁波市江北区，为乙级体育建筑，主体建筑面积为35 942 平方米，2层室外平台建筑面积为3 957 平方米，建筑高度31.370 m，总座席数3 306座，共4层，其中地下1层，地上3层(地上局部4层)，设有跳水池、比赛池、热身池各1个。整体建筑造型优美、呈流线形，建筑效果见图1。

游泳馆结构由看台、附属用房、屋盖组成。看台、附属用房为钢筋混凝土框架结构，屋盖为双向平面管桁架钢结构。钢结构屋盖由22榀主桁架、14榀悬挑桁架、4榀联系桁架(悬挑桁架间的次桁架)、矩形钢管折成柱、抗侧钢梁、系杆、水平支撑及竖向支撑构成。其中，主桁架长度为60～67.2 m，联系桁架长度为29.9～60 m，悬挑桁架长度为19.4～23.4 m，具体结构形式见图2。

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钢屋盖施工环境

宁波奥体中心游泳馆钢屋盖的施工环境主要有以下特点：1)钢屋盖施工时，下部混凝土结构已完成施工，因此行走式起重设备进入到游泳馆内部进行吊装作业缺乏作业面；2)游泳馆下部及广场下部均设有地下室，且承载力按消防荷载进行的设计，因此大型行走式起重设备在地下室顶板上进行起重作业超出了地下室顶板的承载力；3)工程所在地土质较差，游泳馆地下室边界线外围土质大部分为黏土或淤泥质黏土，土的承载力低，若只是将面层进行简单的硬化处理，很难达到大型行走式起重设备在其上面进行起重作业的承载力要求。

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常用施工方法及其面临的问题

3.1 常用施工方法

根据该类游泳馆结构特点，通常采用的施工方法为：1)构件散运到现场，在游泳馆里面完成拼装，然后采用整体提升的方法完成安装；2)大型行走式起重设备立于地下室顶板上作业，完成构件的安装。其中，需对地下室顶板进行临时局部加固，使其承载力满足大型行走式起重设备在地下室顶板上进行起重作业所需承载力的要求。

3.2 常用施工方法面临的问题

3.2.1 整体提升

采用整体提升的安装方法施工，主要面临以下问题：1)需要在现场设置大量的临时拼装胎架、若干提升架及提升设备等，且由于游泳馆的结构特点，搭设临时拼装胎架场地有些受限，故措施费用较高。2)大跨度管桁架结构对杆件的焊接质量要求高，由于现场焊接的条件及环境相对较差，作业人员操作不便等因素，均会导致焊接质量下降，故大部分杆件在现场进行拼装会影响结构的质量，降低结构实际的承载能力。3)采用整体提升的方法施工，必须要涉及到结构合龙，该工艺要求较高，除了需要经验丰富的作业人员外，对施工环境也相当敏感，比如合龙线、合龙温度的选择，合龙温差的控制等因素对合龙施工的质量影响均比较大。

3.2.2 起重设备立于地下室顶板上作业

采用大型行走式起重设备立于地下室顶板上作业的方法施工，主要面临以下问题：1)由于地下室顶板所设计的承载能力不能满足大型行走式起重设备在地下室顶板上进行起重作业所需要求，故需要对地下室顶板进行加固处理。加上游泳馆主桁架跨度较大，且重量重，大型行走式起重设备不能只在某一个站位点完成所有构件的安装，需要在地下室顶板上行驶调换站位，因此，需要地下室顶板需要加固的面积较大，措施费高。2)在不考虑经济性的前提下，即使对大型行走式起重设备行走路线所涉及的地下室顶板区域进行了合理加固，但作业过程中同样存在有损地下室顶板质量的风险，如由于局部受力过大，导致顶板混凝土产生微裂缝等。

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现场施工技术方案

4.1 总体施工方案

根据宁波奥体中心游泳馆项目各方面的具体情况，对多种施工技术方案进行对比，确定该项目钢屋盖施工的总体方案如下：采用1台5 000 kN履带吊立于游泳馆地下室边界线外围临时施工道路上进行吊装，共设6个吊机站位点，基本可覆盖整个钢屋盖的安装。临时施工道路宽度为13 m，临时材料堆放及拼装场地放置在游泳馆外围及施工道路内侧区域，现场具体布置情况见图3。

由于游泳馆地下室边界线外围的土质大部分为黏土或淤泥质黏土，土的承载力极低，根据吊机站位、吊机行走对承载力的具体要求，对临时施工道路下的软土进行了换填处理，并在道路表面铺设钢路基箱达到应力扩散的目的，从而使临时施工道路的承载力达到吊机行走及作业时的要求，保障吊装工作顺利完成。又由于主桁架跨度大、质量重，将主桁架分成两段分别进行吊装，在分段位置处设置临时支撑架作为临时支撑，主桁架的两个分段单元在高空完成对接拼装，临时支撑架共设置19个，具体布置情况见图3。施工区域共划分为4个，具体分区情况见图4，按1区—4区的顺序依次完成钢屋盖的安装，各施工区域结构按照主桁架→系杆及支撑→矩形钢管折成柱的先后顺序进行安装。

4.2 临时道路下软土换填加固方案

根据总体施工方案，临时施工道路上共设有6个吊机站位点，供吊机吊装作业站位用，除此之外的其他区域主要供吊机行走用。吊机站位点区域下卧软土的承载力一定要足够承受吊臂内侧履带传递给临时施工道路的压力，从而足以抵抗吊机吊装作业时的倾覆力矩，除此之外的其他区域只要能够保证吊机空载时行走即可。

根据游泳馆地下室边界线外围土质的具体情况，参照文献，经严格计算，针对于吊机站位点区域、行走区域分别制定了软土换填加固方案。其中，站位点1～4对应区域采用的软土换填加固方案为方案1；站位点5～6对应区域采用的软土换填加固方案为方案2；行走区域采用的软土换填加固方案为方案3，吊机站位点分布见图3。

4.2.1 方案1

方案1中(图5)，-3.850～-1.050 m范围采用塘渣回填并夯实，-3.850 m以下采用素土回填并夯实，-1.050 m层上铺路基箱，铺设面积为12 m×4.0 m，路基箱边线离地下室外墙边线水平间距为500 mm。

4.2.2 方案2

方案2中(图6)，-2.85～-0.5 m范围采用塘渣回填并夯实，-2.85 m以下采用素土回填并夯实，-0.5 m层上铺路基箱，铺设面积为12 m×4.0 m，路基箱边线离地下室外墙边线水平间距为800 mm。

4.2.3 方案3

方案3中(图7)，施工道路面层用厚300 mm的塘渣做垫层并夯实，-1.35 m以下全部采用素土回填并夯实，-1.05 m层上铺路基箱，铺设面积为12 m×4.0 m，路基箱边线离地下室外墙边线水平间距为500 mm。

4.3 地下室外墙安全性验算

大型起重设备立于游泳馆地下室边界线外围吊装作业时，吊机传递给临时道路下卧土层的压力较大，因此地下室外墙的土侧压力也较大，评判施工方案的可行性时，必须要考虑地下室外墙的安全性，即需要对地下室外墙进行承载力验算和裂缝验算。计算时，根据墙的高度、约束情况、柱距等来选择计算假定，通常情况下，将墙假定成板，再根据柱距与墙高的比值来判断是选择单向板计算假定，还是双向板计算假定。

宁波奥体中心游泳馆外墙每8.4 m宽设置混凝土柱，墙体高度为4 m，8.4/4=2.1>2.0，故采用单向板计算假定来进行地下室外墙的承载力验算和裂缝验算。同时，外墙底部和底板做成整体，故下部约束简化为固定约束，外墙顶部和地下室顶板连成整体，但不能传递弯矩，故上部约束简化为滑动支座，经计算，外墙的承载能力和裂缝值均能满足GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》中的相关要求。

4.4 临时支撑架的设计

临时支撑架的设计主要考虑两个因素：1)支撑架各组成构件的强度、稳定性等；2)支撑架的侧向位移；3)支撑架自身的整体稳定性。

宁波奥体中心游泳馆所用的临时支撑架平面尺寸取1.5m×1.5 m，节间高度为1.0 m，最大搭设高度为27.5 m，立杆立柱、缀条均采用矩形管，立杆规格为□80×80×5，立柱为□80×50，缀条规格为□60×4，顶部转换钢梁规格为H250×250×8×12，支撑梁为H300×300×10×14。考虑到临时支撑架的抗扭能力，每4 m设置一道水平支撑，第一道设置在底部(离柱脚500 mm平面内)，材质均为Q235B，临时支撑架设计见图8。

撑架各组成构件的强度应力比最大值为0.72<0.85，侧向位移最大值为62.57 mm<l/400=68.75 mm，满足GB 50017—2003《钢结构设计规范》的要求，有限元分析结果见图9。参照GB 50017—2003中条文5.2.3中计算式(1)：

式中：N为所计算构件范围内的轴心压力；A为所计算构件横截面积；Mx为所计算构件段范围内对x轴的最大弯矩；βmx为等效弯矩系数；ψx为对x轴的轴心受压构件稳定系数；W1x为在弯矩作用平面内对较大受压纤维的毛截面模量；NEx为临界荷载；f为钢材的抗拉、抗压和抗弯强度设计值。

经计算，临时支撑架的整体稳定性满足GB 50017—2003要求。

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主桁架面外稳定性的控制措施及数值分析

5.1 主桁架面外稳定性的控制措施

根据施工技术方案，主桁架分成两段进行安装，先安装主桁架，后安装次桁架。主桁架安装好，但次桁架还未就位前，主桁架面外稳定性较差，极易发生面外失稳。采用在主桁架若干上弦节点处对称拉设钢丝绳的方法来防止主桁架面外发生失稳，钢丝绳的拉设对数、拉设角度及预拉力根据有限元分析数据确定。钢丝绳拉设的方法具体见图10。

5.2 有限元模型的计算假定及方法

采用梁单元模拟弦杆及腹杆，采用杆单元模拟钢丝绳。桁架与混凝土柱及格构柱的连接节点均假定为铰接约束，腹杆与弦杆的连接假定成铰接；钢丝绳锚固端假定成铰接约束，与桁架连接端假定成铰接连接。只采用特征值屈曲的线性屈曲理论对结构平面外的稳定性分析无法考虑结构受载后的变形和几何初始缺陷对平衡状态的影响，因此很有必要采取非线性屈曲分析对大跨度钢桁架平面外稳定进行分析。其中，非线性屈曲分析时同时考虑几何非线性和材料非线性。

5.3 有限元分析及结果

游泳馆分段桁架中最大跨度为36 m，高度为4.5 m，材质为Q235B。桁架的基本信息见图11，包括桁架构成和钢材的本构关系，桁架面外稳定性分析以该榀桁架为对象展开。

安装过程中，为保证桁架面外稳定，在桁架上弦中部两节点处向两侧对称拉设两根钢丝绳，钢丝绳与地面水平夹角为30°。其中，钢丝绳施加30 kN的预拉力，结构所受荷载只考虑桁架自重及其施工过程中的动载系数，动载系数取1.2，有限元分析模型见图12a。

由特征值屈曲分析得第一阶屈曲模态，见图12b，特征值为26.151，变形特征为桁架面外向一侧弯曲。在特征值屈曲分析基础之上，取第一阶屈曲模态变形的1/1 000作为原平面桁架的几何初始缺陷，进行非线性屈曲分析，得到位移-载荷曲线，见图12c，第一阶屈曲模态所对应非线性屈曲分析的载荷屈曲因子为1 142.03/166=6.88>2.0，满足JGJ 7—2010《空间网格技术规程》关于弹塑性全过程分析的安全系数要求，故游泳馆分段桁架在安装过程中的面外稳定性的控制措施方案可行。

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结束语

本文阐述的施工方案成功解决了宁波奥体中心游泳馆钢结构屋盖施工过程中面临的问题，利用该施工技术顺利完成了项目施工。其中，采用大型起重设备立于游泳馆地下室边界线外围临时施工道路上进行吊装的施工方法能够避免对地下室顶板产生不利的影响；采用的换填加固方法(即将临时道路下软土进行换填，再在临时道路上铺设钢路基箱)可以解决软土地基承载力难以满足大型起重设备起重作业的问题。同时，本文对该施工技术中所涉及的地下室外墙的安全性验算、临时支撑架的设计方法、平面桁架面外稳定性的控制措施及数值分析做了详细的介绍。该施工技术及相关施工验算方法可以为该类建筑结构的施工提供参考。

来源：蒋永扬, 袁国平, 何海, 等. 宁波奥体中心游泳馆钢结构屋盖施工技术[J]. 钢结构, 2019, 34(4): 91-95.

doi: 10.13206/j.gjg201904017

（编辑：奚雅青）

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