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。