1、大庆奥林匹克体育场大悬挑钢桁架施工关键技术摘要 针对大庆奥林匹克体育场钢结构工程的大悬挑大跨度空间曲线组成的管桁架结构等结构特点和施工难度，本文详细介绍了罩棚施工预变形技术，支撑架布置，合拢缝及合拢温度控制，整体卸载等关键技术及难点，并通过对施工全过程有限元仿真分析表明，该技术高效，合理，保证了工程质量和施工安全，并为此类体育场馆的施工提供了一定的参考。 关键词 大悬挑；预变形；结构合拢；整体卸载； 中图分类号：TU323.4 文献标识码： A 文章编号： 1 工程概况 大庆奥林匹克体育场位于萨尔图区中八路南侧，热源街西侧，总占地面积 14.57 公顷，场内为标准的足球场，周边为 400 米标
2、准跑道，拥有座席 3 万余个。从外形上看，体育场犹如中国传统手工艺编织的花筐，而手工编篮是我国一项历史悠久的传统手工艺， “花篮”通过用规格不同的钢管编织而成，对手工编篮作出了很好的诠释。 体育场钢结构屋盖罩棚平面投影为环形，外环呈圆形，内环呈椭圆形，南北方向呈“马鞍形” ，结构为双轴对称。外环直径为 242.8m，内环长向（南北向，Y 轴）为 198 m，短向（东西向，X 轴）130m，环形最大厚度为 58m，最小厚度为 26 m，建筑最高点标高为 52.000m（主要结构标高为 41.2m） 。体育场屋盖采用空间管桁架受力体系。其中，主桁架为双向斜交叉平面桁架，为了提高屋盖结构的整体刚度，
3、在罩棚的内圈、中部及内外支座处设置了五道闭合平面环向桁架。上部钢结构罩棚支承于下部混凝土结构内、外柱顶支座。其中上支座为四根 钢管柱组合的 V 型柱，通过半球节点与下部混凝土柱相连；下支座为双向斜交桁架汇交于半球节点与下部混 凝土柱连接。 图 1 体育场结构组成 2 工程特点及难点 大庆奥林匹克体育场结构最高点标高为 52.000m（内拱形桁架最高点位置） ，最低点标高也到达 27.3m，东西向径向桁架最大悬挑达 39.6m，南北向径向桁架悬挑长度达 25m。属于大悬挑结构，同时罩棚又是一个封闭式结构，全周长约 800m。工程所有杆件均为圆钢管，且桁架上下弦杆均为空间曲线，这种大悬挑大跨度空间
4、曲线组成的管桁架结构，给结构施工技术提出了高要求和高水平。 结合该工程的特点，对结构进行施工全过程有限元仿真分析，施工难点主要包括以下几个方面： （1）大悬挑桁架的预变形技术 罩棚钢桁架结构悬挑跨度大，竖向变形大，为保证结构外型尺寸线条流畅，需对结构预起拱设计；经计算分析，罩棚大悬臂结构在自重作用下，悬臂端最大下挠 96mm。为了保证罩棚的几何造型、檐口铝板的安装精度及排水顺畅，施工过程结构需要预变形，待屋面安装完成后，结构能够恢复到设计位形。 径向悬臂端最大下挠 89mm，从中部向两边逐步减小，最小发生在在1-35 和 1-86 轴，为+33mm，径向悬臂桁架场外支撑点竖向位移为-6mm。通
5、过施工全过程有限元仿真分析，将结构在自重作用下发生变形量，在施工时通过预变形反向加到原结构中进行拼装定位。 （2）支撑架合理布置 本工程支撑架布置点主要包括两种形式，一种为场外临时支撑，该部分支撑只是在安装过程的临时支撑，单榀桁架安装到位后，可立即拆除，可循环使用。另一种是场内支撑点，场内支撑点是“永久性”支撑点，待结构整体安装到位后，整体卸载后才能拆除，该部分支撑架采用的是格构式支撑架，为提高整体稳定性，在顶部和中部设置连接桁架，将桁架连接成整体，平面布置见下图。 经过计算，支撑架采用 Q235 钢，每个标准节尺寸为 2mX2mX2m；其中立杆采用 152X6 无缝管 ，直腹杆 89X5，斜
6、腹杆 89X5。相邻胎架间在跨中及顶部利用格构式圆钢连接，杆件截面采用 89X5，增强横向刚度。胎架四周布置缆风绳，缆风绳与水平面夹角在 4560之间，缆风绳扣在距胎架底部高 22.5m 处。缆风绳拟采用 619+1 钢丝绳，直径15.5mm。如下图所示： 图 2 支撑点平面布置图 图 3 支撑架轴侧图 对于部分节点的承载力过大，混凝土梁无法满足承载力要求时，在看台底部设置临时支撑架，将上部荷载直接传递给基础底板。 （3）罩棚合拢缝及合拢温度控制 根据钢结构吊装总体施工顺序，罩棚钢结构吊装时，采用从中间向南北两端（即从东西向上的结构最大标高位置向南北向的结构最低标高方向）的施工顺序，罩棚钢结构
7、连续长度约为 800m，且场内悬挑，罩棚最大宽度达 66m，最大悬挑达 39.6m，结构连续长度大且又为全封闭，同时钢结构罩棚与下部混凝土柱采用支座固定，如果结构整体施工不设置伸缩缝，施工过程中温差变化会对安装精度和结构使用阶段的安全性不利。 通过对结构整体设计复核分析，为尽量减小结构的温度初始应力对结构工作状态的影响，应选择适合的温度进行施工缝合拢。 根据施工总体进度计划确定本工程钢结构最终合拢的时间，查阅大庆市气象数据，该时间段的白天温度都在 2028。根据结构总体安装顺序，最终设置两条合拢缝，合拢缝的位置设置在结构最低点标高处，预留径向桁架的吊装单元之间的一段弦杆及相关的腹杆不安装。临时
8、安装两个支撑架，待径向桁架支撑卸载后，选择 20-25温度补装该处所有杆件，合拢结构。预留杆件全部按照现场实测的长度下料，做到准确对接。杆件连接好后拆除支撑，形成整体结构。 根据合拢特点，确定施工方案，共设置 4 个施工区域，南北两条合拢缝。钢结构施工吊装时按区域施工，这样避免了施工误差的累积，4 个分区施工相对独立，但最后又通过两条合拢缝，实现最后合拢。钢结构施工分区及施工流向示意图如下。 图 4 南北合拢缝设置示意图 图 5 施工流向示意图 （4）罩棚钢结构整体卸载技术 罩棚钢结构在吊装时是采用支撑胎架支承的空间结构体系。支撑拆除过程是一个结构体系转换的过程，结构变形及内力重新分配，支撑胎
9、架的支点反力也都会随着卸载方案及卸载顺序不同而发生变化，为了使罩棚结构逐渐进入设计受力状态及支撑架在卸载过程中不发生破坏，必须选择合理的卸载顺序及卸载等级。卸载方案的编制原则：以结构计算分析为依据、以结构安全为宗旨、以变形谐调为核心、以实时监控为手段，根据这一原则，通过计算确定卸载方法。卸载方法一般分为等比法和等距法，可采用液压千斤顶，螺旋千斤顶，气垫等方法分步分级完成。根据体育场钢结构施工总体思路确定了主体钢结构采用 96 个临时支撑点分段吊装的安装方法，在主体钢结构安装完成，并完成所有的焊接工作，罩棚合拢后，对已经形成的主结构和次结构进行整体同步卸载，其他附属结构在整体卸载完形成稳定体系后
10、安装。 根据有限元软件 MIDAS/GEN 对卸载过程进行仿真分析，结构在恒载作用下，最大竖向位移为 136mm，位于标高最高位置的（中央）悬挑端部，从中部向两边逐步减小，最小发生在标高最低点位置为 33.0mm，径向悬臂桁架场外支撑点竖向位移为-6mm；径向桁架场内悬臂根部支撑点最大竖向位移值为-23mm。 根据计算机模拟卸载过程，最终确定支撑架分步、分级拆撑卸载共分为三步。 第一步：卸载场外墙面桁架支撑； 第二步：卸载径向悬臂桁架场场内间隔支撑； 第三步：卸载径向桁架场内余下端部部支撑。由于整体结构悬挑长度大，罩棚悬臂端部变形较大，最后一次支撑需要分为三级循环卸载，每级释放变形量的 1/3
11、。 从拆撑过程计算分析可以看出，结构拆撑过程变形逐步发展，有利于结构受力状态的逐步转变。结构的应力比及支撑胎架反力在整个卸载过程中变化较小，结构卸载过程中的安全性和可靠性可以得到保证。实际操作利用千斤顶采用等距法进行卸载，按照约定的 10mm/次的卸载量，96 个千斤顶同时进行卸载。 3.结束语 针对大庆奥林匹克体育场钢结构工程的大悬挑大跨度空间曲线组成的管桁架结构等结构特点，通过对施工全过程有限元仿真分析表明，该技术高效，合理，保证了工程质量和施工安全，并为此类体育场馆的施工提供了一定的参考。 参考文献 1周观根，方敏勇. 大跨度空间钢结构施工技术研究J. 施工技术，2006，12（12）. 2严小霞，陈韬等. 深圳大运会主体育场钢结构吊装方法研究应用J. 施工技术，2010，39（6）.
