蚌埠龙湖体育馆屋面预应力钢结构施工技术

1. 蚌埠龙湖体育馆屋面预应力钢结构施工技术 上海宝冶建设有限公司 唐 斌

2. 摘 要 ：蚌埠龙湖体育馆是蚌埠市与蚌埠医学院共同建设，位于蚌埠医学院新校区东侧，由体育馆和训练馆两部分组成，其中屋面钢结构为箱型双层镂空大跨度张弦钢桁架结构，屋架纵横两方向轴线均设有正交预应力筋，根据该结构特点，应用了双向体外预应力技术和组装成型后累积同步滑移技术，进行钢桁架结构的安装。本文论述了钢结构和预应力施工技术，提出了此类结构的预应力及钢结构施工方案。 关键词：大跨度张弦桁架结构 预应力 同步滑移 安装

3. 工程概况 • 蚌埠龙湖体育馆坐落在蚌埠大学园区内，占地面积4万平方米，建筑面积13000平方米，可容纳观众4656人，其中固定座椅4112个，活动座椅544个。建成后，可满足手球、篮球、排球、乒乓球、体操、体育舞蹈等室内训练比赛，并兼具文艺演出、集会、商贸展示等功能。龙湖体育馆由澳大利亚PTW建筑设计公司与中国凯盛建筑设计公司共同设计，建筑造型力求新颖别致、恢弘典雅、简单实用，外观造型采用了以各种运动形态组成的透空大型群雕主题墙，长 360米、高20米。效果图如下：

4. 图一

5. 一、结构体系 • 其屋面结构形式为箱型双层镂空钢桁架结构，共13榀，设计最大拱度100mm。顶层铺设彩板（内板Q-900型宝钢镀锌板，外层0.6mm板厚、波高71mm760型镀锌彩板，中间铺设保温棉）。为了增加桁架的刚度，改善结构下弦的受力性能，屋架纵横两方向轴线均设有正交预应力筋，预应力筋采用芯丝涂油外层带PE低松弛钢绞线，直径15.2mm，抗拉强度标准值1860MPa。钢绞线应符合ASTM A882/A882M-02标准。预应力筋锚具采用B&S系列钢绞线配套锚具。屋架跨度74.9 m，2～7轴线及9～14跨距为6.15m，7～9轴线跨距6.8m,全长74.2m，桁架高度为5.2m，组装成型后采用累积同步滑移。钢桁架空间面积5650㎡，材质为Q235B， 钢结构总重量约620吨。结构概况见效果图二：

6. 图示二

7. 二、工程特点 • 1 跨度大，该体育馆屋盖为跨度74.9m的正方形张悬梁镂空结构，桁架自身高度5.2m，每榀桁架成型后的自身重量达42吨，单榀桁架成型施工难。 • 2 钢束预张拉结构，局部张拉受力100%后对桁架拱度难控制，以及整体张拉受力成型后屋面的平整度控制难把握。 • 3 由于是预应力钢结构，现场整体拼装组对产生大量的一二级焊缝对构件几何尺寸和内应力的重要影响不容易控制。 • 4 构件是散件发运到安装现场的，要把整个屋盖分12个桁架空间组装成整体需要在现场制作1：1的组装胎具。 • 5 单榀桁架成型后B/P两轴线实现同步机械滑移难度大，技术要求高

8. 三、施工要点及方法 • 1滑移用轨道铺设 • 1.1根据现场施工条件，为保证滑移用轨道14.8m标高的准确性， B\P两轴线预埋板的放置定位与土建立柱主体钢筋骨架定位同步，放置过程中用水准仪测量准确后固焊（≤14.8m标高）。在土建混凝土浇筑过程中及凝固后全程用水准仪测量跟踪，并对每一块预埋板逐个做数字正负值记录（见图示三）。

9. 图示三

10. 1.2在立柱混凝土浇筑完强度达80%以后（15天）开始铺设B\P轴滑移用QU70钢轨。铺设前需要用烘枪加热法将轨道调直。因为是静荷载的屋架结构，轨道的找标高找平可以采用加垫板固焊的方法来解决。1.2在立柱混凝土浇筑完强度达80%以后（15天）开始铺设B\P轴滑移用QU70钢轨。铺设前需要用烘枪加热法将轨道调直。因为是静荷载的屋架结构，轨道的找标高找平可以采用加垫板固焊的方法来解决。 • 1.3轨道的调直用直径0.3mm钢丝线挂边线的方法来做，完成后将轨道压板焊固。 • 2桁架成型胎具的搭设。 • 由于构件是散件发运到安装现场的，需要将部件按图纸组装成10个74.9m×6.15m×5.2m的桁架空间、2个74.9m×6.8m×5.2m的桁架空间。如此大空间有抛物线拱度要求的桁架焊固成型需要搭设1：1的成型胎具。 • 2.1该承重胎架的搭设采用1000mm×1000mm×L63mm的焊制井字架为主柱、∮245mm×8mm的钢管为次柱、HM294mm×200mm×8mm×12mm为胎架平台联系梁。平台搭设于13-14轴线，以屋面安装标高14.8m为基准，下降500mm铺设平台。 • 2.2屋架整体上是一个锥形结构形式。为保证成型后结构形式的准确性，需要对每一榀桁架成型胎具的高低尺寸进行调节。为便于施工，我们在每一个需要调节的纵横轴线节点位置固定放置一个自制的用正反牙调节螺纹升降的小平台。 • 2.3在单个桁架的组装和焊接过程中遵偱从中间往两头的加工工艺，所有箱型梁柱周焊节点都机加工出应力释放孔。 • 2.4将所有需要调节的节点尺寸调节到位后，屋架滑移立柱直接落在B/P轴轨道上组焊整个桁架。组装焊接完毕滑移时将升降小平台卸载即可。

11. 3预应力与预应力钢桁架的挠度控制。 • 桁架成型后的上拱度和下挠度设计院给的理论极限值是±L/250。根据轴线的不同，分别通过数个节点将拱度值设置为（轴线布置图见表一）： • 3、13轴线15mm C、N轴线15mm • 4、12轴线32mm D、M轴线32mm • 5、11轴线49mm E、L轴线49mm • 6、10轴线65mm F、K轴线65mm • 7、 9轴线82mm G、J轴线82mm • 8轴线100mm H轴线100mm

12. 3.1制作时，考虑到钢材自身疲劳性和自重以及以后的雨雪荷载因素，我们按照钢结构的制作规范的要求在胎具上预加了L/1000的弦高。预应力钢铰线单向张拉受力100%模拟计算后的理论拉力值见表1：3.1制作时，考虑到钢材自身疲劳性和自重以及以后的雨雪荷载因素，我们按照钢结构的制作规范的要求在胎具上预加了L/1000的弦高。预应力钢铰线单向张拉受力100%模拟计算后的理论拉力值见表1：

13. 表1 • 轴线方向示意图

14. 表1

15. 3.2在本工程预应力钢结构中，采用了改变柔性杆件即钢铰线长度的方法，对结构施加预应力，使预应力能够分布到整个结构，达到预应力、增加钢构件结构强度的目的。这个预应力过程必须与设计及仿真验算的预应力施加过程相一致。预应力钢绞线穿束见图示四：3.2在本工程预应力钢结构中，采用了改变柔性杆件即钢铰线长度的方法，对结构施加预应力，使预应力能够分布到整个结构，达到预应力、增加钢构件结构强度的目的。这个预应力过程必须与设计及仿真验算的预应力施加过程相一致。预应力钢绞线穿束见图示四：

16. 图示四

17. 3.3拉索典型相关节点主要有2个，1个是拉索在钢结构的端部锚固节点，1个是中间双向预应力桁架下弦中预应力套管相交部位节点。3.3拉索典型相关节点主要有2个，1个是拉索在钢结构的端部锚固节点，1个是中间双向预应力桁架下弦中预应力套管相交部位节点。 • 3.3.1端部节点是预应力传递给结构受力的重要部位，一旦失效则建立起来的预应力将全部失去作用。采用的做法是张拉端处用钢板与钢结构下弦方钢管焊接在一起，预应力钢绞线通过专用锚具直接作用在钢板上，然后将力传递给结构。为了防止夹片式锚具日后松动失效，在端部1m范围内进行了灌浆。 • 3.3.2此结构的一个重要特点是下弦内钢结构成双向布置，因此钢绞线在中间有交叉，为了解决钢绞线穿束问题，将钢绞线外侧的钢套管在两个方向上布置在轴线的上下各50mm处，这样钢绞线在此节点处分为上下通过，具体见下图五：

18. 图示五

19. 3.4预应力张拉过程的中，应分多次同步进行，用全站仪全程检测钢结构的变形情况。张拉前记录预应力钢铰线原始长度，当张拉完成后，再次测量原自由部分长度，两者之差即为实际伸长值。当压力达到预应力钢铰线设计拉力时，超张拉3％左右，然后停止加压，完成预应力钢铰线张拉。具体张拉结果见下表：3.4预应力张拉过程的中，应分多次同步进行，用全站仪全程检测钢结构的变形情况。张拉前记录预应力钢铰线原始长度，当张拉完成后，再次测量原自由部分长度，两者之差即为实际伸长值。当压力达到预应力钢铰线设计拉力时，超张拉3％左右，然后停止加压，完成预应力钢铰线张拉。具体张拉结果见下表：

21. 3.4.1预张拉工法。经过仿真计算，张拉时，张拉力最大约为300kN，分在5根钢绞线上，每根钢绞线60 kN，每根钢绞线每端需要一台千斤顶，单端张拉，一次张拉1根钢绞线，所以预应力张拉选用2台23t(230kN)千斤顶。施工前用仿真模拟张拉工况，以此作为指导张拉的依据。因为互相之间影响很小，预应力施加一次完成。张拉过程分为二个阶段。第1阶段，即最开始拼装好的3、4轴钢桁架，待焊接完毕后进行钢绞线张拉；然后3、4轴滑移到设计位置，拼装好5、6轴桁架后，进行5、6轴钢绞线张拉；依此类推，直至13轴钢绞线张拉完毕。 • 第2阶段，由N轴到C轴依次张拉钢铰线到设计张拉力的100％，具体张拉顺序见下图。

22. 图示六

23. 3.5根据屋盖结构的特点，为优化和提高工艺水平，在预张拉的施工过程中，我们施工方与设计院就有关技术指标进行了探讨，设计院强调，桁架自重荷载下挠和预张拉受力后形成的构件直线自由度是两个概念。桁架受力卸载后挠度实际测量结果见下表：3.5根据屋盖结构的特点，为优化和提高工艺水平，在预张拉的施工过程中，我们施工方与设计院就有关技术指标进行了探讨，设计院强调，桁架自重荷载下挠和预张拉受力后形成的构件直线自由度是两个概念。桁架受力卸载后挠度实际测量结果见下表：

25. 4 钢桁架的同步滑移。 • 在桁架组焊成型3-4轴线、预应力钢铰线张拉100%到位、卸载检测合格后就进行滑移，滑移采用2台10t卷扬机组模块化作业。采用卷扬机作为滑移设备主要考虑到本工程滑移工程量小，总体滑移摩擦力小，采用卷扬作为滑移动力，便捷，经济；通过卷扬机设备的模块化组合、扩展，被滑移构件的重量、尺度和滑移距离不受限制；设备体积小、自重小、通过滑轮组转换后承载能力大，自动化程度高，操作方便灵活，安全可靠性好等优点，特别适合于在狭小空间或起重设备难以进入的施工场地进行构件的滑移作业。 • 4.1滑移前用角向磨光机装抛光头将轨道打磨光滑后抹上工业黄油。滑移用卷扬机组分别装在2轴线的B/P轴两端，其与桁架连接的具体形式见图示六：

26. 图示六

27. 4.2滑移时2台卷扬机组A和B用等长距离等力同步制动，控制器AB双钮一人操作。在B/P轴起始端各派一位测量员，滑移作业指挥长站在B轴线上的中间位置，卷扬机组的制动时间与转速设置为50mm/s。4.2滑移时2台卷扬机组A和B用等长距离等力同步制动，控制器AB双钮一人操作。在B/P轴起始端各派一位测量员，滑移作业指挥长站在B轴线上的中间位置，卷扬机组的制动时间与转速设置为50mm/s。 • 4.3在B轴线的轨道上用粉笔以300mm一段将滑移距离分成若干段，每滑移一段就停车用卷尺检查P轴线上的滑移距离与B轴是否相同，如果有出入就单按A或者B机组控制钮调节。直至滑移到位。见照片1、2：

28. 照片1

29. 照片2

30. 4.4 滑移顺序：3-4轴线桁架—→5-6轴线桁架—→7-8轴线桁架—→9-10轴线桁架—→11-12轴线桁架。主桁架全部滑移到位后，从8-9轴线桁架空间的屋架中间开始，向两头组焊连接10-11轴线桁架—→7-6轴线桁架—→5-4轴线桁架—→3-2轴线桁架—→12-13轴线桁架。见图示七：

31. 图示七

32. 5次结构与结构防火 • 在桁架主结构安装滑移到位后整体配装屋面檩条与彩钢板。 • 5.1构件在制作厂完成了125um的底漆和面漆的喷涂。在主结构安装结束后，需要对整个主结构做耐火时间为1.5小时的超薄型防火涂料喷涂。 • 5.2为保证锥形屋面的整体效果，本工程的屋面檩条采用主结构完工后整体配装的方法来做，以保证屋面的整体平整度和流畅性。 • 5.3屋面彩板采用的是内板Q-900型宝钢镀锌板，外层是0.6mm厚度、波高71mm的760型镀锌彩板，中间铺设保温棉。为便于施工，避免彩板成型后因为长途运输的损害，在安装过程中将彩板压型机和彩板卷运入安装现场根据实际尺寸需要来加工。

33. 结束语 • 在整个的施工过程中，通过滑移轨道找正找平技术；现场焊接应力释放与工艺优化；1：1胎具的造型制作和顶升卸载技术；钢索预张拉多级受力模型验算与应用；屋架同步机械滑移等先进施工技术的运用，以优异的质量得到了投资方、设计院、监理等方面的好评，实现了对投资方和业主的保质量保进度（屋架主体55天施工完毕）的承诺，取得了较好的社会效益。 • 大跨度预应力钢结构因为强度高、用钢量省、施工快、造型美，在国内外的大型市政公用工程中频频使用，是建筑钢结构发展的优势技术和未来方向。蚌埠龙湖体育馆屋面箱型桁架预应力钢结构的安装，丰富了在公用建筑工程领域的技术和经验积累。