浙江中南建设集团钢结构有限公司
概括
以宁波奥体中心游泳馆钢结构屋面施工为背景，阐述了大跨度圆管桁架空间钢结构的施工技术，并详细介绍了该技术所涉及的施工计算。该施工技术可以解决使用大型起重设备对地下室进行起重作业对地下室结构产生不利影响的问题；同时，针对软土地基上使用大型起重设备进行起重作业困难的问题钢结构屋盖支撑的作用有哪些，提出了一种可能的解决方案。
项目概况
宁波奥体中心游泳馆是宁波市重大民生工程。它位于宁波市江北区。为乙级体育建筑，主体建筑面积35942平方米，2层室外平台建筑面积3957平方米。建筑高度31.370 m，共有座位3306个，共4层，其中地下1层，地上3层（部分地上4层）。设有跳水池、比赛池、热身池各一个。整体建筑造型美观、流线型。架构效果如图1所示。
图1 宁波奥体中心游泳池效果
游泳池的结构由看台、附属建筑和屋顶组成。看台及附属建筑为钢筋混凝土框架结构，屋顶为双向平面管桁架钢结构。钢结构屋盖由22个主桁架、14个悬臂桁架、4个接触桁架（悬臂桁架之间的次桁架）、折成柱的矩形钢管、抗侧钢梁、拉杆、水平支撑和垂直支撑构成。其中，主桁架长度为60-67.2 m，接触桁架长度为29.9-60 m，悬臂桁架长度为19.4-23.4 m。具体结构形式如图2所示。
图2 宁波奥体中心游泳池结构
钢屋面施工环境
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，无工作面供行走升降设备作业。进入泳池内部进行吊装作业； 2）游泳池下部和广场下部设有地下室，其承载力按火灾荷载设计。因此，大型步行式起重设备在地下室顶板的起重作业超过了地下室顶板的承载能力； 3）项目所在地土壤质量较差。游泳池地下室边界线周围的土壤大部分是粘土或粉质粘土。土壤承载力低。如果只是简单地硬化表层，大型行走起重设备就很难对其进行作业。起重作业的承载能力要求。
常见施工方法及面临的问题
3.1 常用施工方法
根据该类型游泳池的结构特点，常用的施工方法有： 1）将构件散装运输到现场，在游泳池内组装，然后采用整体吊装方式安装； 2）大型行走起重设备在地下室架设，在屋顶上作业，完成构件的安装。其中，需要对地下室顶板进行临时加固，使其承载力满足大型步行式起重设备在地下室顶板进行吊装作业所需的承载力要求。
3.2 常用施工方法面临的问题
3.2.1 整体提升
采用整体吊装安装方式施工主要面临以下问题：1）现场需设置大量临时组装的轮胎架、多个吊装架及吊装设备，且由于泳池的结构特点，设置临时组装轮胎框架的场地有些限制。措施的成本是比较高的。 2）大跨度管桁架结构对杆件的焊接质量要求较高。由于现场焊接的条件和环境比较恶劣，操作人员不便等因素，会导致焊接质量下降，所以大部分棒材都是在现场组装的。会影响结构的质量，降低结构的实际承载能力。 3）采用整体吊装法施工必须进行结构合拢。这个过程要求很高。除了要求操作人员有经验外，对施工环境也非常敏感，如闭合线和闭合温度的选择、闭合温差等。控制等因素对和龙施工质量影响较大。
3.2.2 起重设备在地下室顶板作业
采用大型步行式起重设备立于地下室顶板的施工方法主要面临以下问题： 1）地下室顶板的设计承载能力不能满足大型步行式起重设备在地下室顶板进行起重作业的要求。地下室的屋顶。要求，所以地下室顶板需要加固。另外，泳池主桁架跨度大、重量重。大型步行式起重设备不能仅在某一工位完成所有部件的安装。换站需要在地下室顶上行驶。因此，需要地下室顶板。加固面积大，措施成本高。 2）在不考虑经济性的情况下，即使对大型步行式起重设备行走路线涉及的地下室顶板区域进行了合理加固，在运行过程中仍然存在局部损坏等破坏地下室顶板质量的风险。过度用力可能会导致屋顶混凝土出现微裂纹。
现场施工技术解决方案
4.1总体建设规划
根据宁波奥体中心游泳池项目各方面的具体情况，对比了多种施工技术方案，确定了该项目钢屋面施工总体方案如下： 5 000 kN履带式起重机一台被用来悬挂在游泳池地下室的边界线上。吊装在外围临时施工道路上进行，共设置6个吊车站，基本可以覆盖整个钢屋面的安装。临时施工道路宽度为13 m，临时材料存放和集合场地布置在游泳池外、施工道路内部。站点具体布局如图3所示。
图3 施工总体规划
由于游泳池基底边界线周围的土壤大部分为粘土或粉质粘土，土壤的承载力极低。根据吊车站承载力和吊车行程的具体要求，对临时施工道路下的软土进行填筑处理，并在路面铺设钢路基箱，以达到应力扩散的目的，使临时施工道路的承载能力满足起重机行驶和作业的要求，保证吊装工作的顺利完成。另外，由于主桁架跨度大、质量重，因此将主桁架分为两段分别吊装。各段位置设置临时支撑架作为临时支撑。主桁架的两个节段单元在高空组装，并组装临时支撑框架。共设置19个，具体布局如图3所示。建筑区域分为4个区域。具体分区情况如图4所示，钢屋面安装按区域1至区域4的顺序完成。各施工区域结构如下：主桁架→拉杆及支撑→矩形钢管折成列 按顺序安装。
图4 建筑面积划分
4.2 临时道路下软土更换加固方案
根据总体施工规划，临时施工道路上共有6个吊车站，用于吊车吊装作业。此外，其他区域主要用于起重机移动。起重机站区下方软土的承载力必须足以承受吊臂内履带传递至临时施工道路的压力，从而能够承受起重机吊装作业时的倾覆力矩。在其他地区，只要能确保起重机在卸货时处于移动状态即可。
根据游泳池地下室边界线周边土体的具体情况，参考文献，经过严格计算，制定了吊车站区和步行区的软土更换加固方案。其中，1～4号站点对应区域采用的软土换填加固方案为方案1； 5～6号站点对应区域软土更换加固方案为方案2；步行区采用的软土置换加固方案加固方案为方案3，吊车站分布如图3所示。
4.2.1 方案1
方案一（图5）中-3.850～-1.050 m范围采用塘渣回填压实，-3.850 m以下区域采用素土回填压实，-1.050 m处铺设路基箱层，铺装面积12 m×4.0 m，路基箱边缘与地下室外墙边缘水平距离500 mm。
图 5 选项 1
4.2.2 选项2
方案2（图6）中-2.85～-0.5 m范围用塘渣回填压实，-2.85 m以下区域用素土回填压实，-0.5 m处铺设路基箱层，铺装面积为12 m×4.0 m，路基箱边缘与地下室外墙边缘水平距离为800 mm。
图 6 选项 2
4.2.3 方案3
方案3（图7）施工道路面层采用300mm厚塘渣作为垫层并压实，-1.35m以下全部回填素土压实，并在其上铺设路基箱。 -1.05 m层，铺装面积12 m×4.0 m，路基箱边缘与地下室外墙边缘水平距离500 mm。
图 7 选项 3
4.3 地下室外墙安全计算
当大型起重设备站在泳池地下室边界线外进行吊装作业时，起重机传递给临时道路下层土层的压力较大。因此，地下室外墙受到的土侧压力也较大。在评估施工方案的可行性时，必须考虑地下室外墙的安全性，即需要进行地下室外墙的承载力和裂缝验证。计算时，根据墙高、约束条件、柱距等选择计算假设。一般情况下，假设墙体为板，然后根据柱距与墙高的比值，判断是选择单向板计算假设还是双向板。板材计算假设。
宁波奥体中心游泳馆外墙每隔8.4m宽安装一混凝土柱，墙高4m，8.4/4=2.1>2.0。因此，地下室外墙的承载力和裂缝计算采用单向板计算假设。 。同时，外墙底部与底板做成一体，因此下部约束简化为固定约束。外墙顶部与地下室顶板连接为一体，但无法传递弯矩，因此上部约束简化为滑动支座。经计算，承载力和裂缝值均满足GB 50010-2010《混凝土结构设计规范》的相关要求。
4.4 临时支撑架设计
临时支撑架的设计主要考虑两个因素：1）支撑架各部件的强度和稳定性； 2）支撑架横向位移； 3）支撑架本身的整体稳定性。
宁波奥体中心游泳馆采用的临时支撑架平面尺寸为1.5m×1.5m，断面高度1.0m，最大架设高度27.5m。立杆、立柱、条材均采用矩形管，立杆规格为□80×80×5，立柱为□80×50，条材规格为□60×4，顶部转换钢梁规格H250×250×8×12，支撑梁H300×300×10×14。考虑到临时支撑架的抗扭能力，每隔4 m设置一个水平支撑。第一支撑设置在底部（距柱脚500mm的平面内）。材质为Q235B。临时支撑架设计如图8所示。
图8 临时支撑架
a——应力比； b——横向位移。
图9 临时支撑架有限元分析结果
支撑各部件的最大强度应力比为0.72
式中：N为计算分量范围内的轴向压力； A为计算构件的横截面积； Mx为计算出的构件线段范围内x轴上的最大弯矩； βmx为等效弯矩系数； ψx为轴压构件在x轴上的稳定系数； W1x为较大压缩纤维在弯矩作用平面内的总截面模量； NEx为临界负载； f为钢材的抗拉、抗压、抗弯强度设计值。
经计算，临时支撑架整体稳定性符合GB 50017-2003的要求。
主桁面外稳定性控制措施及数值分析
5.1 主桁面外稳定控制措施
根据施工技术方案，主桁架分两段安装。先安装主桁架，再安装次桁架。主桁架安装完毕后，次桁架就位之前，主桁架面外稳定性较差，容易出现面外失稳。采用在主桁几个上弦节点对称拉钢丝绳的方法，防止主桁平面外失稳。根据有限元分析数据确定钢丝绳拉力对数、拉力角度和预紧力。钢丝绳牵引方法的详细情况如图10所示。
图10 钢丝绳拉拔方法
5.2 有限元模型计算假设及方法
梁单元用于模拟弦杆和腹杆，杆单元用于模拟钢丝绳。桁架与混凝土柱、格构柱之间的连接节点假定为铰接约束，腹杆与弦杆之间的连接假定为铰接。钢丝绳的锚端假设为铰接，与桁架的连接端假设为铰接。仅利用特征值屈曲分析结构面外稳定性的线性屈曲理论无法考虑结构受载后的变形以及初始几何缺陷对平衡状态的影响。因此，有必要采用非线性屈曲分析来分析大跨钢桁架的面内稳定性。分析了外部稳定性。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
游泳池分段桁架最大跨度为36 m，高度为4.5 m，材料为Q235B。桁架的基本信息如图11所示，包括桁架组成和钢材的本构关系。以此桁架为对象，进行桁架的面外稳定性分析。
a——桁架组合； b——钢的本构关系。
1—φ450×20； 2—φ450×16； 3—φ245×14； 4—φ127×8； 5—φ168×10； 6—φ203×12。
图11 桁架基本信息
安装过程中，为了保证桁架的面外稳定性，在桁架上弦中间的两个节点处对称地向两侧拉动两根钢丝绳。钢丝绳与地面的夹角为30°。其中，钢丝绳施加30 kN的预拉力，施工过程中结构所受的载荷仅考虑桁架自重及其动载系数。动载荷系数为1.2。有限元分析模型如图12a所示。
a——分析模型； b——一阶屈曲模态； c——位移-载荷曲线。
图12 有限元分析模型及结果
通过特征值屈曲分析得到一阶屈曲模态，如图12b所示。特征值为26.151，变形特征为桁架表面向一侧向外弯曲。基于特征值屈曲分析，取一阶屈曲模态变形的1/1000作为原平面桁架的初始几何缺陷，进行非线性屈曲分析，得到位移-载荷曲线，如图所示12c、一阶屈曲模态对应的非线性屈曲分析的荷载屈曲系数为1 142.03/166=6.88>2.0，满足JGJ 7-2010《空间网格技术规程》关于安全系数的要求弹塑性全过程分析。因此，游泳池分为安装时控制管片桁架的面外稳定性是可行的。
结论
本文所述的施工方案成功解决了宁波奥体中心游泳馆钢结构屋面施工中遇到的问题，并采用该施工技术顺利完成了工程建设。其中，采用大型起重设备站在泳池地下室边界线外临时施工道路上的施工方式，可以避免对地下室顶板造成不利影响；采用换填加固的方法（即对临时道路下方的软土进行换填，然后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举升的问题。大型起重设备的作业。同时，详细介绍了地下室外墙的安全计算、临时支撑框架的设计方法、涉及平面桁架面外稳定的控制措施和数值分析。施工技术。该施工工艺及相关施工验证方法可为该类建筑结构的施工提供参考。
资料来源：蒋永阳，袁国平，何海钢结构屋盖支撑的作用有哪些，等。宁波奥体中心游泳馆钢结构屋面施工技术[J].钢结构，2019，34(4)：91-95。
DOI：10.13206/j.gjg201904017
