空间外倾变截面V形劲性柱施工关键技术

1工程概况

西安奥体中心位于灞河东侧，紧邻灞河，港务西路以西，南起向东路，北接柳新路。主体育场位于“一场两馆”地块西北侧，占地面积106205m ² ，建筑面积约15万m ² （图1）。

图1?西安奥体中心体育场

体育场屋盖采用大跨度异形空间管桁架结构，屋盖由28组花瓣组成，呈圆形，南北向最长约335m， 东西向最宽约321m，钢罩棚最高56.5m，罩棚总重约1.2万t，通过外侧根部28组V形劲性柱和28组中环四爪撑支撑。 V形劲性柱设计标高+7.200m~+21.650m，斜倾角达28.7°，平均受力达300t，跨度达14.45m，如图2所示。 V形柱采用十字钢骨柱+外包清水混凝土组合结构柱，混凝土为变截面柱，钢柱截面为1400mm×800mm×400mm× 40mm×40mm，材质Q345B，采用分段安装，最大分段重量约18t。

                                            （a）

                                                 （b）

图2V形柱设计示意

（a）立面图；（b）俯视图

2施工重点与难点分析

2.1　变截面空间外倾式V形劲性十字钢骨柱安装精度控制 V形钢骨柱为变截面十字柱，柱体截面尺寸大，空间双向外倾，自重变形大，同时钢骨柱外包清水混凝土，钢筋沿柱体分布密集，钢筋安装就位及混凝土成型严重依赖钢骨柱安装精度，进而决定着建筑实现效果，因此提高V形钢骨柱安装精度，控制钢骨柱自身变形是施工控制的重点。

2.2　空间外倾式V形劲性柱外包清水混凝土防开裂质量控制

V形劲性柱设计为外包清水混凝土，外观成形质量好，无需做二次装饰，但在清水混凝土施工前需拆除V形钢骨柱下部临时支撑，考虑清水混凝土自重大，同时V形柱顶部钢罩棚分块吊装法过程中未形成整体稳定体系。在混凝土自重和上部吊装单元重力共同作用下，势必造成V形柱变形。经计算此部分变形在无约束条件下将产生60~80mm的变形量，必然导致清水混凝土开裂，存在工程质量和安全风险、清水混凝土返修成本高等问题，因此防控清水混凝土柱开裂成为施工的关键。

2.3V形柱防变形措施卸载施工控制

施工中，在钢罩棚自重和清水混凝土自重的作用下，V形柱受压后有向两侧发生偏移趋势，防变形措施必然产生应变，存在较大的应变能，若直接切割拆除可能造成钢拉杆崩裂伤人风险，存在一定安全隐患，因此在拆除防变形措施过程中，应充分考虑消减应变能这一因素，确保防变形措施卸载拆除得到有效控制。

3关键技术应用

3.1　基于有限元分析软件下的空间外倾式变截面V形劲性柱施工变形控制技术

国内外大型体育场馆钢罩棚V形柱安装多以加设临时支撑措施，利用安装起拱以消除自重变形。本施工技术充分运用有限元分析技术，通过模拟不同阶段、不同工况施工提取相关变形数据，充分了解V形钢骨柱安装变形趋势。

在深化设计阶段按照反向坐标补偿法进行深化设计预起拱，并根据反向起拱值确定安装坐标，从而抵消自重变形带来的结构偏移，提高V形劲性柱安装精度。

3.2　基于三角稳定理论的V形柱外包清水混凝土防开裂施工技术

为规避屋盖钢罩棚吊装过程中V形柱变形开裂风险，V形钢骨柱安装完成后，拆除下部临时支撑，在自重作用下钢骨柱下挠至安装允许偏差范围内且变形稳定后，运用三角形稳定性原理。

通过有限元软件进行核验，在钢骨柱顶部自由端加设适当的水平钢拉杆，形成三角稳定体系，提高了V形钢骨柱整体刚度和稳定性，从而有效抵抗清水混凝土自重和上部钢罩棚吊装单元重力影响造成的V形柱变形，提高了上部桁架安装精度，解决了大跨度桁架分块吊装施工带来的清水混凝土防开裂控制 难题。

3.3　基于大跨度桁架自平衡体系下的防变形措施卸载技术

针对V形柱防变形钢拉杆在受力状态下拆除风险大，通过结构变形机理分析，合理安排卸载施工顺序，有效利用结构自平衡体系与二次加热软消除应力的方法相结合，通过结构自平衡消减V形柱顶部防变形拉杆应变能，利用二次加热软化钢拉杆以彻底消除拉杆残余应力，解决了防变形水平拉杆卸载难题。

4　操作要点

4.1　施工工艺操作要点

4.1.1　技术工作

（1）施工方案编制。根据施工组织设计，结合混凝土结构概况及现场施工条件编制V形柱专项施工方案，并在方案中明确V形柱分段分节及临时支撑体系设计。

（2）临时支撑体系及V形柱应力应变计算。根据V形柱设计图纸和安装顺序，进行V形柱预起拱计算和施工模拟计算，并综合经济性、操作性以及安全性，对V形柱预起拱及临时支撑体系进行优化设计， 确定最终的分段、起拱方案和临时支撑体系设计。

（3）V形柱劲性钢柱预起拱。根据自由状态下V形柱劲性柱的模拟计算，提取V形柱翼缘顶部变形值（考虑结构对称，仅取1/4模型），依据变形值进行反向加工预起拱，以抵消部分自重引起的结构变形，提高安装精度。

（4）V形柱分段及临时支撑体系图纸深化。根据V形柱空间结构，考虑工厂加工及现场安装精度控制，结合现场安装顺序及设备起重性能等因素，对V形柱进行详细分段分节，具体分段示意如图3所示。

图3?V形柱分段示意

V形柱采用格构式支撑架作为临时支撑，如图4所示，支撑于钢骨柱下部，顶部设置顶部工装从而实现钢骨柱临时安装定位。

图4V形柱安装临时支撑设计示意

考虑外包清水混凝土施工前，下部临时支撑架拆除，为防止V形柱变形下挠，根据模拟计算在V形柱顶部加设水平拉杆，能有效降低结构变形，经计算本工程选用219×10的钢管作为钢拉杆，钢拉杆与 钢骨柱顶部采用插板形式进行节点临时加固，V形柱防变形措施如图5所示。

图5V形柱防变形措施示意

4.2.2现场施工 

（1）临时支撑架安装。

根据支撑架深化设计图，现场进行胎架杆件组装，可一次性组装成型整体吊装或分段安装支撑架，支撑架布设如图6所示。

图6?V形柱安装支撑架

支撑架安装完成后需组织测量人员对胎架垂直度及标高进行复检校正，并组织项目部各部门及监理单位分批次对胎架进行综合检查验收。

检查验收内容包含支撑架基础连接是否牢靠、杆件是否齐全、螺栓连接是否紧固、落位是否准确、垂直度及标高偏差以及安全防护措施等内容，并形成书面检查记录。

（2）V形柱安装。

V形钢骨柱采用两点式起吊，如图7所示，先利用Tekla三维实体模型查找构件重心，重心上移水平方向400mm找出G'，G'即为主吊耳位置。在距离柱下端口X的部位设置调节用吊耳，通过倒链调节V形柱外倾角度以实现V形柱初步调整，吊装就位后，通过千斤顶进行精确矫正，做好矫正记录，然后进行焊接。

图7V形柱外倾段吊点设置示意

考虑焊接变形，安排两名焊工对称进行焊接，焊接完成后24?h即可安排专职测量人员进行V形柱顶部安装坐标复核，确保焊接变形可控。

（3）临时支撑拆除。

V形柱焊接完成后经探伤合格即可进行V形柱卸载工作，按照分级卸载，采用火焰切割法进行支撑架顶部工装切割，每次切割10mm，直至胎架完全脱离。V形柱在自重状态下进行自由下挠，每隔2h观测1次，直至变形区域稳定即可，记录相关实际变形值，并与模拟值进行对比，若无较大偏差即可拆除下部支撑胎架，若变形值较大，可采取反顶提前加设防变形措施。

（4）防变形拉杆安装。

V形柱下部支撑拆除后，在清水混凝土施工前安装横向水平钢拉杆，从而使V形柱与拉杆形成三角稳定结构，以抵消V形柱在清水混凝土自重及上部罩棚自重作用下造成的下挠变形而导致清水混凝土开裂的隐患。V形柱顶部钢拉杆应焊接牢靠，钢拉杆端部加设插板，提高焊缝抗拉强度。

（5）混凝土分段浇筑。

V形钢骨柱外包清水混凝土，考虑V形柱高度较高，混凝土采用从下向上依次分段分层浇筑的施工方法（图8）。

图8V形柱分段浇筑示意

模板支架采用盘扣式脚手架与扣件式钢管脚手架组合搭设，V形柱正下方外倾式承重模板采用扣件式钢管脚手架斜向搭设作为支撑假体，盘扣式脚手架作为外围支撑主框架正交式搭设，钢管脚手架与盘扣式脚手架通过水平横杆连接于盘扣式脚手架正交节点处，从而将钢管脚手架上的侧向力转换为盘扣式脚手架的竖向力和水平力，竖向力通过下部基础承载，水平力通过V形柱盘扣式脚手架纵向水平杆对拉以实现受力平衡，从而确保模板假体的刚度、强度及稳定性。模板架体搭设完成后进行支架验收，验收合格后方可进行清水混凝土浇筑。

首先清水混凝土沿着柱高方向按照3m一段分层浇筑，浇筑过程中严格控制浇筑时间间隔，避免混凝土水化热温度较高造成混凝土局部收缩开裂，其次应振捣密实，确保施工质量。同时在下部混凝土初凝前进行上部分段浇筑，直至混凝土柱体浇筑完成。混凝土养护28d后，强度达到100%即可拆除侧模，然后才能进行上部钢罩棚结构吊装。

（6）防变形措施拆除。

V形柱上部钢罩棚安装完成形成整体结构后，即可拆除V形柱顶部钢拉杆。为避免拆除钢拉杆过程中发生安全隐患，充分利用网壳自平衡体系，按照外环支撑架→中环支撑架→内环支撑架的顺序进行网壳卸载（图9、图10）。

图9钢罩棚支撑架布置示意

图10钢罩棚支撑架卸载完成

即充分利用原设计的竖向支撑——“四爪撑”作为网壳竖向受力转换点，通过内侧悬挑网壳下压以减 少V形柱所承受的网壳重力，V形柱防变形拉杆往回收缩，进而减小钢拉杆应变能。从而实现钢罩棚自平衡体系，以消除拉杆部分内力，然后在钢拉杆两端采用二次加热，以消除拉杆应力，释放应变能，实现拉杆卸载。钢拉杆加热温度控制在700?℃~900?℃，加热区段长度不宜小于100?mm，待拉杆应力消除后，再采用火焰切割拆除拉杆。

5V形柱安装控制及监测

为保证V形柱及钢罩棚安装精度、较小结构自身及支撑架变形，应进行全过程检测，确保安装过程中V形柱及钢罩棚结构变形处于可控范围。

（1）首先施工组算出测量定位坐标，然后测量员根据坐标数据用全站仪、精密度水准仪从测量基准点引出柱基中心控制线和标高控制线，此控制线经检查复测，确认无误后方可使用。另外，根据设计埋件的中心、标高定出其具体位置。

（2）在土建施工中穿插进行预应力锚栓预埋，采用套架装配固定定位，锚栓上下端用限位钢板进行固定，以确保每组锚栓相对位置的准确性，套架与预先埋设的柱顶埋件连接固定。

（3）安装V形柱第四节时，首先根据三维坐标将胎架布置到位后再进行安装校正。

（4）V形柱安装完成后，在外包清水混凝土支模前拆除V形柱支撑架，卸载支撑架后定期进行测量监测，并与理论模型坐标对比，确保安装精度符合设计和规范要求。

6结束语

本工程V形柱施工关键技术的应用，极大地促进了西安奥体中心主场馆设计效果的完美实现，有效规避了V形柱外包清水混凝土开裂风险，提高了工程质量，降低了施工成本，缩短了工期，解决了钢结构与土建专业施工的工序交叉问题。该技术科学合理、经济实用，取得了良好的经济效益和社会效益，具有广泛的推广性。