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1、广州亚运城综合体育馆钢结构施工技术交流广州市建筑集团有限公司 吴瑞卿一、 工程总体概述广州亚运城位于广州市番禺区广州新城，北临清河路，西傍京珠高速公路。规划占地面积约2.73 平方公里。综合体育馆由综合馆、体操馆、历史博物馆及空中漫步廊组成，总建筑面积约52126m2，其外形以“飘逸彩带”方案作为建筑设计理念，以飘逸的造型象征亚运友谊纽带，以亚运和平之舟的寓意强调与珠江水系的密切交融，表达了诗画般的岭南山水意象。效果图总平面图综合体育馆主体为现浇钢筋混凝土框架结构，屋盖体系采用空间组合钢结构桁架，空间组合桁架最大跨度为99m。钢结构总用钢量共计1.1万多吨，材料品种多样，包括6mm48mm各种
2、厚度钢板、各种规格型材（圆钢管、方钢管、H型钢）、铸钢节点、万向支座、阻尼器、钢筋桁架肋钢模板、高强螺栓等，钢材材质为Q345B。工程体量大、结构复杂、工期紧、精度要求高。二、 钢结构概况体操馆最大高度32.5m、东西长227.5m ，南北长121m，支撑钢管柱1200mm共115根，片状主桁架最大99m跨，共25榀。亚运历史博物馆最大高度27.2m，东西长75m，南北长42m，最大钢管柱110030mm。综合馆最大高度22m，东西长246m 、南北长76m，主钢架 最大截面H13005002030mm。综合体育馆钢结构整体效果图2.1. 体操馆体操馆钢结构造型似海龟状，东西长227.5m，南
3、北长121m，最高点标高为32.5m，建筑面积约为31482m2，钢结构总用钢量6548t。其中屋盖钢结构体系由115根6001200mm的钢管柱支撑。屋面钢结构体系由外圈桁架、内圈桁架、片状主桁架和箱型次梁组成。主桁架中有19榀分布在体操场，6榀分布在热身场，17榀分布在海龟状结构头部，主桁架最大跨度99m，高度约为2.5m。主桁架之间采用箱型次梁连接，箱型次梁截面主要为2505301416mm。钢拉杆截面35mm，其材质为650级等强合金钢。2.2. 综合馆综合馆钢结构造型似海豚状，东西长246m，南北长76m，最高点标高22m，建筑面积约为15477m2，钢结构总用钢量2722t，钢屋盖
4、体系由钢柱外围管柱、内部劲性柱和主次钢架组成。外围管柱分直钢柱和斜钢柱，其中直钢柱最大截面尺寸为120025、100025、90025，斜钢柱部分为变截面，尺寸为：60020800、9001200等。劲性柱主要为H型柱和十字柱子，主要截面为H4503001016mm和H4002002525mm。屋面体系采用主次钢架连接，主次钢架间用钢拉杆连接，主钢架截面为H130050070030016202530mm，最大跨度34m。次钢架截面为H400200711mm。钢拉杆截面35mm，其材质为650级等强合金钢。2.3. 历史博物馆历史博物馆东西长75mm，南北长42mm，最高点标高为27.2m，建筑
5、面积约为4713m2，钢结构总用钢量1622t。整个钢结构由外围9根110030mm和核心筒内8根箱型柱支撑，前端是一个长28m的半椭球状悬挑结构，整体结构为桁架和管网架混合结构。三、 钢结构施工重难点3.1. 现场安装体量大，构件类型多安装难度大 (1). 体操馆、综合馆、历史博物馆三大场馆共计1万多吨钢结构，构件数量达2万余件。(2). 结构节点复杂，构件类型多。其中有管桁架、箱型桁架、铸钢节点、铰支座、万向支座、焊接球节点、H型桁架、钢拉索等等。(3). 万向支座呈倾斜布置，基座底板采用了预应力锚栓固定，万向支座由三个分枝管与球碗构成，中间采用高强度穿心螺栓与基座底板的半球连接，它是结构
6、的主要受力部位之一，万向需要形成良好的“咬合”，才能满足受力需要，如何保证万向支座制作精度和现场的安装精度的是本工程的关键。3.2. 安装工期紧张本工程为亚运工程，于2010年必须投入使用。钢结构工程要求在2009年6月13日8月31日完成，总工期仅为80天。针对如此大体量、复杂的钢结构工程须进行合理的施工部署和适合的安装顺序，才能满足要求。 3.3. 现场拼装精度要求高 由于加工与运输条件的限制，钢构件不能成整体或片状加工运输，需要进行分段处理，分段构件在加工中因下料切割有一定的尺寸偏差，再加上堆放、焊接等原因会使构件有一定变形，各种误差的积累，必将给现场安装带来不利，因此为了保证构件的接头
7、质量和高空快速精确就位及减少高空焊接作业量，必须对构件进行现场拼装。3.4. 钢结构吊装质量和进度控制 (1). 本工程社会影响大，综合体育馆质量要求确保广东省优良样板工程，争创国家优质工程。而钢结构复杂、施工工序多，施工专业多、工期较紧；且大部分构件为多点绑扎，并用手拉倒链调节吊装角度，使得吊装效率会有一定程度的降低。(2). 钢结构整体精度控制是屋面结构、玻璃幕墙等其他专业结构安装精度的基础，若钢结构吊装偏差较大，其他专业的连接件尺寸需重新设计，连接节点很难保证质量，严重影响施工进度。3.5. 现场平面规划与交通组织 (1). 钢结构堆场、拼装场地的布置、吊车行走线路的规划、构件转运线路的
8、设置、构件进场线路的规划等等是否合理均是影响钢结构施工进度的重要因素。(2). 在考虑现场平面规划及交通组织时需注意支撑胎架与看台板施工的协调，构件堆场与总包余土堆场在使用时间上的协调，构件堆场、设备行走与幕墙、装饰、机电材料堆放的协调，与室外工程施工的协调。因此，现场平面规划与交通组织是重点。四、 钢结构施工关键技术4.1. 三维仿真技术的应用 (1). 三维仿真动画的制作根据本工程钢结构构件类型多安装体量大、安装高度变化大；安装工期紧；现场拼装精度要求高；钢结构安装质量要求高；现场平面规划与交通较难组织的特点。为此，项目制作了钢结构安装的三维仿真动画显示，通过三维仿真动画，能够显示钢结构安
9、装的主体策划和部署，以及各场馆的安装技术，及时发现存在的问题，为钢结构安装施工顺利开展和在预定工期完成提供了保证。(2). 对安装过程施工工况进行分析采用“恩C斯”和“迈达斯”计算分析软件，对综合体育馆结构施工过程中的11个典型工况进行模拟验算，分析结构安装过程中水平、竖向位移及应力大小，确保施工安全。4.2. 双曲环形空间桁架制作与安装技术采用数字模拟技术，利用计算机AutoCAD、3DMX、Tekla Xsteel等软件，将计算机与传统制作工艺有机的结合，采用工厂预拼装技术和计算机模拟预拼装技术。钢构件进场后验收时，用全站仪加计算机的虚拟拟合技术，在安装过程采用计算机安装模拟就位、校正技术
10、。有效的解决了双曲环形空间桁架的制作与安装精度要求高的施工难题，保证了从原材料下料、构件成型、组装、焊接、预拼装检验、误差纠偏、安装就位等全过程高精度的质量效果。(1). 应用AutoCAD、3DMX、Tekla Xsteel等计算机软件辅助进行深化设计应用AutoCAD、3DMX、Tekla Xsteel等计算机软件辅助进行深化设计，我们根据指定的要求对钢结构桁架进行分段，根据输入参数自动快速生成所有的连接节点，快速、准确地自动绘制满足加工要求的深化详图和材料明细表（包括节点加工图、节点的胎架定位坐标表、现场安装定位坐标表、数控CNC切割参数、节点材料表、加工图、材料表、整体装配图及安装定位
11、坐标表等等）。(2). 数控切割、精确下料。数控CNC切割参数直接输入五维切割机，机器自动制作钢管相贯口。(3). 数控中频弯管，双曲钢管一次弯制到位。利用深化软件系统，直接读出双曲钢管的弯制参数，钢管一次弯制到位，避免了二次弯管存在的弊端。(4). 利用计算机安装模拟就位设计胎架系统，在胎架上整体组装构件，全站仪实时定位复核。根据双曲桁架的节点胎架定位坐标表，必要时进行坐标转换，设计双曲桁架限位胎架，控制桁架制作精度，桁架弦杆、腹杠顺次上胎组装及焊接。应用高精度全站仪进行全程测量及复测工作，保证桁架组装焊接精度符合设计和安装要求。(5). 桁架组装焊接完毕后，进行预拼装检验，进一步检验相连接
12、桁架之间的匹配精度。(6). 桁架经过进一步的除锈后，进入涂装工序，工厂涂装底漆、中间漆以及一道面漆。(7). 现场安装采用“高空原位拼装技术”，现场搭设高空支撑脚手架，并在桁架连接处的脚手架枕木上放置型钢平台，利用250t履带吊将桁架分段直接吊装到位并放置至型钢平台上，桁架两端与钢柱牛腿临时连接。应用高精度全站仪进行测量及复测、校正工作，控制高空安装精度。双曲环形空间桁架制作4.3. 万向支座安装测量定位技术(1). 万向支座构造万向支座由底板与节点板活动连接而成，其底板与结构中的预埋件（或锚杆）固定连接，在底板上面中央位置有一上凸的球冠铰，在底板的螺栓孔与球冠铰之间环形间隔分布三个以上的环
13、板，各环板底面与底板固接，向球冠铰方向弧形弯曲，环板内弧面将置于底板球冠铰之上的节点板外缘包住，环板内弧面与节点板外缘之间留有间隙，节点板底面中央相对于球冠铰的位置有相应形状的凹坑，其凹坑的深度小于球冠铰高度，节点板与底板之间由锚栓连接，锚栓与螺母之间套有弹性体。提高了钢结构支座的抗拉拔能力，在受向上拉力后，转动灵活，可适用于各种抗震建筑结构。通常包括：上支座板、下支座板、支座钢球芯（钢衬板）、F4圆平板、F4球形板、橡胶密封圈、不锈钢板等七个部分组成。万向支座构造如下图示。万向支座构造示意图1-上支座板；2-底座；3-不锈钢板；4-平面四氟板；5-球芯；6-球面四氟板；7-密封圈(2). 体
14、操馆万向支座情况综合体育馆的体操馆工程中应用万向支座共40个，全部安装在钢管柱的柱脚，万向支座底座与钢结构预埋件焊接连接，上支座板与钢柱焊接连接。体操馆万向支座与钢柱连接示意图综合体育馆的综合馆工程中应用万向支座共37个，全部安装在钢结构梁的底部，万向支座底座与混凝土柱顶的钢结构预埋件焊接连接，上支座板与钢梁焊接连接。综合馆万向支座与钢梁连接示意图(3). 万向支座的安装及精度控制1). 埋件安装固定方法万向支座均置于预埋件上方，预埋件的安装精度直接影响万向支座安装精度，故万向支座的精度控制从埋件精度开始。将埋件与土建钢筋焊接牢固，确保埋件不会移动，然后采用全站仪对埋件进行三维坐标测量校正。2
15、). 采取专人看护，事后复测埋件安装精度浇筑混凝土时，派专人傍边看护，防止混凝土浇筑时埋件发生错位，混凝土在初凝后即使用测量仪器复测埋件坐标，发现错位立即整改。3). 划线及定位，精确安装万向支座，并采取必要的临时固定措施。4). 再次复测，万向支座定位完成5). 安装上部钢结构件6). 完成万向支座的连接固定7). 释放万向支座4.4. 多支腿铸钢节点与钢构件异种材质、多角度、全位置焊接技术广州亚运城体操馆共有104个多支腿铸钢节点，其节点形状复杂、多支腿（最多12个分支，分支有四种不等直径钢管和巨型和方形钢管各1种）、体形大（平面最大尺寸2.03.5，高度3.05，重量12.95）、姿态各
16、异（各支腿呈不同角度发散）。铸钢节点的安装精度直接影响到后续构件安装质量，是保证钢结构整个结构安装精度的重点。(1). 铸钢节点制作与安装技术措施1). 铸钢节点和焊接节点必须参与结构成片预拼装，做好预拼装记录，预拼装合格后，方能运输至现场。2). 在专门的工装上采用全站仪进行“电脑坐标拟合法”检查验收。内业将管口中心的坐标转化为管口表面十字可测量坐标，在深化设计图中体现。节点加工完先对拟定的节点支管端口坐标测量，然后在电脑中将实测结果与实体模型拟合。3). 安装姿态初调时，采用“坐标分解法”最终将复杂的空间三维定位转化为平面二维定位，从而实现测量定位的可操作性。4). 安装到位后，用全站仪激
17、光捕捉空间三位坐标信息直接测量控制点的三维坐标，将测量数值与设计值比较，调整节点至设计位置。5). 三维坐标激光捕捉时，贴厚度小于1mm的反射薄膜；节点上的测控点根据设计中心坐标转化到节点分枝表面上，一般不小于4个点，构件进行深化设计时进行测控点转换计算，构件出厂前进行标识。(2). 制定铸钢节点与构件异种材质、多角度、全位置焊接工艺节点分支先焊和后焊存在的收缩差，对节点X、Y、Z值影响较大：影响节点本身空间定位精度、相关节点空间安装、杆件的安装。1). 针对ZG275-485H铸钢件和Q345B工程构件的材料特性，进行焊接工艺评定试验，获取合理的焊接工艺参数。2). 安装顺序：先粗杆（热输出
18、量大），再细杆，平面力求对称施焊。3). 管对接后按轴线分成两个部分焊接，都以仰焊部位起焊，以平焊部位收焊。4). 按仰焊仰立焊立焊立平焊平焊等顺序施工。5). 两部分分层对称施焊，控制焊接接头水平方向焊接变形。6). 采用多层多道的对称焊接方法，减小焊接中的变形。4.5. 将扣件式钢管支撑技术与钢结构安装支撑胎架技术相结合，有效地满足钢结构安装工作面和确保支撑架的安全及减少了施工投入。针对广州亚运城体操馆工程的钢结构特点，结合现场实际情况，综合考虑安全性、经济性和可行性原则，采用扣件式钢管支撑架作为钢屋盖高空安装承重和卸载承重平台。扣件式钢管脚手架支撑应用于建筑工程现浇混凝土结构的模板支撑系
19、统是一个比较成熟的技术，因为模板支撑系统是一个平面荷载，而钢结构安装是一个很大的集中荷载，故钢结构安装支承胎架主要采用型钢架。为确保钢管支撑体系受力满足规范要求及其整体稳定，我们将扣件式钢管支撑技术与钢结构安装支承胎架技术相结合，即在钢管支撑架上设置不同形式的型钢架，钢构件的荷载通过刚度较大的型钢架再均匀地作用在钢管支撑上。体操馆内环桁架采用点式支撑架支撑胎架（荷载90），上部设置安装平台；内拱桁架采用连续带状支撑架支撑体系，在上部拱桁架分段处设置抗侧安装胎架和安装平台；外环结构采用点式支撑架支撑胎架，上部设置安装平台；悬挑结构采用连续带状支撑架支撑体系，在上部设置安装平台。飘带结构采用点式支
20、撑架支撑胎架，上部设置安装平台。用钢管支撑搭设的支撑架，不受型钢架尺寸的制约，可以增大安装操作的作业面，且扣件式钢管支撑架比钢结构安装支撑胎架和满堂架施工费用少，减少了施工投入。4.6. 大跨度双曲屋面钢桁架安装（卸荷）过程变形分析与控制技术(1). 通过施工工况模拟分析，制定支撑架卸载方案，确保结构和支撑架的安全。1). 在卸载过程中会引起结构刚度的变化，产生内力重分配。为此，通过有限元分析软件MIDAS进行卸载分析，通过模拟计算可知，钢结构体系在整个分区连续卸载过程中，应力和变形变化比较平稳，未出现显著波动和剧烈变化。按照理论上计算的卸载过程中变形与应力的变化，确定卸载过程控制目标，以保证
21、卸载过程中结构的安全。2). 根据体操馆项目的钢结构跨度大、卸载点多（90个）等特点，将结构分为内拱桁架、内环桁架、外环桁架、悬挑结构、飘带结构等5个卸载片区，采用“分区卸载、实时监控、连续卸荷”的方法进行胎架卸载。3). 其卸荷步骤：第一步：完成III区内拱桁架支撑架的卸载，共计17个卸载点；第二步：完成IV区内环桁架支撑架的卸载，共计20个卸载点；第三步：完成II-1、II-2区悬挑支撑架的卸载，共计25个卸载点；第四步：完成V-1、V-2区外环桁架支撑架的卸载（V-2区为右飘带），共计18个卸载点；第五步：完成I区飘带结构支撑架的卸载，共计10个卸载点。4). 卸载过程中，制定对结构位移
22、和内力应变进行施工监测方案，确保了施工安全。(2). 安装过程中对关键截面的应力应变（含温度）及结构位移进行施工监测本工程钢结构造型复杂，内、外桁架各个点位高低不一，呈空间曲面分布；构件种类多，其中有拱形空腹桁架，平行四边形空间桁架，倒斜三角形空间桁架，安装过程中的稳定性差。在施工过程中，不确定性因素较多，实际施工过程与设计预想施工过程可能会有所差别，从而导致结构内力和变形与原设计也会有所出入。因此，对此类复杂结构，为确保施工安全和结构安全，在施工过程中需要进行施工监控。1). 关键截面应力应变监测及温度监测主要采用振弦式应变计和电阻式应变计进行应变测试。应力应变及温度测点布置，根据该工程施工
23、阶段的初步模拟分析结果，寻找应力分布较大的部位。同时兼顾重点监测主要传力构件的重要部位(例如在钢结构安装、支撑卸载阶段应力最大或较大的截面)；测点布置便于数据采集和传输；测试构件的选择尽可能有代表性；便于传感器的安装等的原则进行布置体操馆共设115个振弦式应变计，19个三向电阻应变花；综合馆共设17个振弦式应变计，6个三向电阻应变花；历史博物馆共设15个三向电阻应变花，25个振弦式应变计；温度测试与应力应变测试的测点布置位置相同。监测阶段：a.构件吊装就位及安装完毕；b.结构主体安装就位完成，整体卸载前；c.结构整体卸载完毕后；d.屋面、幕墙安装后。2). 结构位移监测通过对施工过程中结构关键
24、测点的位移实时监控，并依据位移量的大小和变化趋势，可有效判断屋盖结构的几何形状是否满足设计要求，并可综合反映实际结构的刚度、边界条件、连接节点性能等与理论计算模型的相似程度。根据变形监测的等级要求，位移测试仪器主要采用全站仪（瑞士徕卡全站仪TCA2003）及配套反射片或反射棱镜，测量基准点的选取将结合施工现场的施工放线控制点来具体确定。位移测点选取的基本原则为：控制施工过程中结构的整体变形；反映施工安装全过程中（包括卸载过程）结构位移的响应规律；顾及结构整体性的基础上，着重考虑位移变化敏感区域；所选取的测点还应便于安装和观测。同时还要根据该结构体系的特点，并结合施工阶段的初步模拟分析结果，来确定位移测点的布置。场馆测点设置部位测点数体操馆柱顶位移31桁架或钢梁30飘带滑动支座4综合馆柱顶位移9桁架或钢梁9历史博物馆柱顶位移8桁架或钢梁7总计98监测阶段：重点测试以下几个重要阶段（与应力应变测试同步）：a.构件吊装就位及安装完毕；b.结构主体安装就位完成，整体卸载前；c.结构整体卸载完毕后；d.屋面、幕墙安装后。
