十四运主场馆西安奥体中心主体育场空间V形十字柱施工技术

　　1 工程概况
　　西安奥体中心项目立足丝路起点，作为十四届全运会主会场，由 ＂ 主体育场 ＂ 及 ＂ 体育馆 ＂＂ 游泳馆 ＂ 组成。主体育场位于 ＂ 一场两馆 ＂ 地块西北侧，共 60033 座，占地 106205m2 。
　　西安奥体中心主体育场钢罩棚外轮廓呈正圆形，半径达 165m ，采用空间钢桁架结构，通过 V 形十字柱与下方覆盖的看台观众席连接 ( 见图 1) 。
　　图 1 主体育场钢罩棚整体效果
　　钢罩棚最高 56.5m ，边缘南北向 最 长处约 335m ，东西向最宽约 321m ，罩棚最宽处约 74m ，最窄处约 60m 。 V 形劲性 钢柱 分布于钢罩棚 外围，共计 28 个 V 形柱用以 支承 28 个钢罩棚典型单元。钢柱截面尺寸为 1100×800×400 ×40×40 ，材质为 Q345B 。
　　本工程劲性结构主要为十字形钢骨柱，梁钢筋、 柱纵筋遇钢骨柱形式 复杂，根据结构施工图结合施工经验，钢结构钢筋节点 深化设计采用开孔、连接板焊接连接形式。外包混凝土强度等级为 C40 ，根据现场工况及运输要求，将 V 形 十字柱分 4 节 依次进行安装 ( 见图 2) 。
　　图 2V 形十字柱分段
　　2 重难点分析
　　空间 V 形十字柱 - 混凝土结构，外形呈 V 字形，是一种新型空间支撑结构，受力的多方向性以及简明的节点受力体系，决定该结构集中空间结构体系和受集中荷载结构体系的重难点。
　　1) 安装精度控制难度大空间 V 形十字柱从 V 字节点位置开始 x ， y ， z 方向侧偏， V 字节点上部结构自身重心偏心使 V 形十 字柱顶端变形、沉降，偏向位置由结构造型与受力特点确定，安装精度控制难度大。
　　2) 安装过程中变形、沉降控制难度大 V 形十字柱后续工序造成 V 形十字柱出现二次变形与沉降 :
　　① 外包混凝土结构施工完成后，架体拆除后混凝土自重作用于 V 形十字柱 ;
　　② 钢罩棚分块单元非对称吊装后，荷载作用于 V 形十字柱柱顶。二者均导致 V 形十字柱的变形控制难度大。
　　3 施工流程
　　体育场劲性钢柱安装在土建桩基垫层施工完成后进行， 待承台底筋 绑扎完毕后，安装首节柱支座，将支座与承台底筋焊接，起到定位作用，同时支座座底竖直方向落于垫层之上，使支座及其所受竖向力能直接传至垫层。然后将柱脚锚栓定位 板经过 测量准确定位于支座上，穿好柱脚锚栓，至此，柱脚支座部分安装完成。首节柱安装完成后土建方进行承台混凝土浇筑。
　　待混凝土强度达要求后，安装 2 节柱、 3 节柱。 3 节柱包含土建 2 层梁，土建 2 层梁混凝土浇筑强度达要求后方可布设 V 形十字柱支撑胎架，进行 4 节柱安装， 4 节柱安装后 进行混凝土浇筑， V 形十字柱混凝土支撑架体拆除前，需提前加设防变形措施。
　　4 施工技术控制措施
　　4.1 安装精度
　　本工程为 1/4 对称结构，故本文取其 1/4 结构阐述。
　　1) 仅考虑 V 形十字柱自重情况下，采用有限元计算分析软件计算每根 V 形十字柱顶端各方向 (x ， y ， z) 位移。将该部分所有 V 形十字柱顶端 x ， y ， z 变形值导出，如表 1 所示，作为现场预起 拱理论 的数据支持。在 GB50205—2001 《钢结构工程施工质量验收规范》的钢结构安装允许误差表中，多节柱中单节柱安装误差应 ≤H/1000=12mm ，且＜ 10mm ，由表 1 ( 单位 : mm) 可得，所有 V 形十字柱 4 节柱 均应做预起 拱。
　　表 1 顶端变形
　　2) 根据理论预起 拱数据反算 安装坐标 V 形十字柱 4 节柱安装时，按照设计坐标与变 形 值反算 4 节柱安装坐标 ; 顶端底下均布设 1 组胎架，用于安装时校正，安装完成后，卸载胎架。现场利用全站仪在施工阶段对每个 V 形十字 柱进行 实时监测，精确至 mm ，结构现场 V 形十字柱安装坐标如表 2 （单位 ： m ） 所示。
　　表 2 安装坐标
　　3) 按安装坐标安装后，每周监测 1 次，后续每月监测 1 次，安装 1 月后对该 V 形十字 柱进行 观测。顶端后期观测坐标值与设计坐标值对比如表 3 ( 单位： m ) 所示。
　　表 3 顶端后期观测坐标与设计坐标值对比
　　根据表 3 可知， V 形十字柱偏差值如表 4 所示。由表 4 可知，对 V 形十字柱 4 节柱预起拱后，偏差均在 10mm 内，符合《钢结构 工程施工质量验收规范》要求， V 形十字 柱预起拱有效 验证了 V 形十字柱的安装精度。
　　表 4 整体坐标偏差
　　4.2 防变形措施本项目钢结构外环钢罩棚支点设在 V 形十字柱顶端支座处，在施工过程中结构尚未形成稳定体系， V 形十字 柱可能 存在下挠变形，本文对 V 形十字 柱进行 系列模拟计算分析。
　　4.2.1 不加设防变形措施时 V 形十字柱承载力验算
　　1) 浇筑混凝土阶段在混凝土施工阶段，土建将搭设满堂 脚手架支设模板 进行支撑 ; 混凝土浇筑完成后，满堂脚手架将随模板一同撤去，由于 V 形十字柱自重影响， V 形十字柱悬臂段将存在下挠现象，混凝 土将有出现裂纹的风险。对其变形及应力进行计算。由计算结果可知 :
　　①V 形十字柱柱顶最大变形 26mm ，根据《钢结构工程施工质量验收规范》，多节柱中的单节柱安装误差应 ≤H/1000=12mm ，且 ≤10mm ，因此变形不满足规范要求 ;
　　②V 形十字柱混凝土施工过程中的最大应力约为 65MPa ，根据 GB50017—2017 《钢结构设计标准》，杆件许用应力 295MPa ，因此应力满足规范要求。即浇筑混凝土阶段， V 形十字柱刚度不满足安装要求。
　　2) 钢罩棚吊装阶段钢罩棚桁架单元吊装阶段，由于整个罩棚未成为一个整体固定体系， V 形十字柱悬臂段将存在下挠现象，混凝土将有裂纹危险。对其变形及应力进行计算。
　　由计算结果可知 :
　　①V 形十字柱柱顶最大变形为 33mm ，多节柱中的单节柱安装误差应 ≤H/1000=12mm ，且 ≤10mm ，因此变形不满足规范要求 ;② 钢罩棚吊装施工过程中的最大应力约为 72MPa ，杆件许用应力为 295MPa ，因此应力满足规范要求。 即钢罩棚 吊 装阶段， V 形十字柱的刚度不满足安装要求。综上所述，钢罩棚安装阶段必须加设防变形措施以保障安装精度，减小安装变形。
　　4.2.2 加设防变形措施
　　1) 为避免变形过大，混凝土浇筑前在 V 形十字柱 顶板拉设加固 钢梁，使 V 形十字柱两端悬臂段形成整体，减小自重影响。在钢罩棚桁架安装局部形成稳固体系后，拆除加固钢梁。加固钢梁布设如图 3 所示。
　　图 3 加固钢梁布设
　　2) 在 V 形十字柱混凝土浇筑完成并将 V 形十字柱满堂架拆除后，为避免钢罩棚桁架单元的非对称安装导致变形过大，在钢罩棚吊装前，布设 V 形十字柱支撑胎架。在钢罩棚桁架安装局部形成稳固体系后，拆除支撑胎架。 胎架顶部 设置支撑牛腿 ( 加固梁 ) 与 V 形十字柱顶板焊接，防止 V 形十字柱在钢罩棚桁架单元安装过程中下挠。 胎架与 加固梁布设如图 4 所示。
　　图 4 胎架与 加固梁布设
　　3) 加固措施需保证外环支座与 V 形十字柱顶板焊接固定，横向设置 1 道支撑钢梁，钢梁顶部设置支撑杆与桁架连接。
　　4.2.3 加设防变形措施时施工过程中 V 形十字柱承载力验算 1) 浇筑混凝土阶段由计算结果可知 :
　　①V 形十字柱柱顶最大变形 9.3mm ，多节柱中的单节柱安装误差应 ≤H/1000=12mm 且 ≤10mm ，因此变形满足规范要求 ;
　　②V 形十字柱混凝土施工过程中的最大应力约为 76MPa ，杆件许用应力为 295MPa ，因此应力满足规范要求。即浇筑混凝土阶段， V 形十字柱承载力满足规范要求。
　　2) 钢罩棚吊装阶段计算结果显 示 :
　　①V 形十字柱柱顶最大变形 3.8mm ，多节柱中的单节柱安装误差应 ≤H/1000=12mm 且 ≤10mm ，因此变形满足规范要求 ;
　　② 钢罩棚吊装施工过程中的最大应力约为 79MPa ，杆件许用应力为 295MPa ，因此应力满足规范要求。 即钢罩棚 吊装阶段， V 形十字柱承载力满足规范要求。
　　4.2.4 钢罩棚安装完成后 V 形十字柱变形分析
　　钢罩棚安装完成后，对 V 形十字 柱进行 实测，通过对比得出现场实际施工导致的 V 形十字柱变形与施工模拟计算结果基本相符见表 5 ( 单位： mm ) ，变形值满足规范要求。
　　表 5 预估变形与实测变形对比
　　综合上述加设防变形措施前后的验算结果可知，加设防变形措施能有效减小 V 形十字柱变形，确保 V 形十字柱在未达到设计状态前的安全性。
　　5 结语
　　1) 总结一套应对大跨空间支撑结构在施工过程中沉降、变形的安装精度控制措施，有力地保证安装过程中和后期结构的安全性、稳定性。
　　2) 研究一种控制空间支撑的防变形措施，后期监测验证该措施的有效性。