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摘要： 霍山县体育中心项目总建筑面积40123平方米，包含一座4829席体育馆和一座1501席游泳馆及全民健身设施，其中体育馆18241平方米，地上1层，局部4层。体育馆建筑总高度31.95米，采用SRC柱钢框架结构+管桁架结构。
关键词： 80m跨四弦杆超大截面管桁架结构 主副支撑系统临时支撑 结构加固 应力和变形监测 从两侧往中间合拢安装 玄幻预拼装 分区施工多级卸载
1 前言
体育馆屋盖钢结构投影尺寸长140.48m，宽90.65m，屋盖分为三个层次，各层级均向外侧悬挑，最大悬挑长度为13.4m。屋盖结构由4榀跨度80m的四弦杆主桁架、桁架与桁架及桁架与支座之间的连系桁架和外悬挑桁架组成。
由于桁架构件尺寸超大，受运输条件限制，采用散件在工厂制作加工，现场设置拼装场地，构件在工厂加工完成后运输至现场，在拼装场地上预拼装后拆解驳运至吊装位置吊装就位。为保证桁架结构主弦杆对接接口的吻合，桁架在拼装场地上进行整体预拼装，受现场拼装场地条件限制，部分超长主桁架构件采用循环预拼装的方式，确保构件制作精度满足安装要求。
由于施工作业面下方存在大面积地下室，综合考虑结构受力特点、构件的分段尺寸、场内运输路线通行条件、施工全过程支撑系统承载力、卸载方案、结构加固、吊装机械选型等各种因素影响，制定了主辅支撑系统临时支撑+主桁架分段安装、分区施工、两次多级卸载方案，在技术可行性、施工便捷性和经济性找到平衡，取得了良好的效果，为今后类似工程的施工提供了宝贵的经验，具有一定的参考价值和指导作用。
2 工程概况
2.1 体育馆建筑总高度31.95米（从室外-0.150标高至金属屋面31.8），下部均设有整体地下室，体育馆内从地面至标高13.0m设有看台。
2.2 体育馆屋盖钢结构立面分为三个层次，01区为中部屋盖结构，依次向两侧展开为02区、04区和03区、05区屋盖。其中01区悬挑最大部位为5.5m，02区和03区悬挑最大部位为2.56m，04区和05区悬挑最大部位约为13.4m。
2.3 体育馆钢结构屋盖构件主要分为三类：第一类为主桁架，跨度80m，含外挑长度最大长度为95m，单榀桁架最大220吨，以管桁架杆件中心计算，桁架竖向高度6m，上口宽度3.1m，下口宽度1m。第二类为主桁架之间的连系桁架，第三类为悬挑桁架。
2.4 主材均采用Q355B材质，杆件规格种类杂、管构件数量多，体育馆8484件杆件弦管（含上、下弦）与腹杆在现场拼装的焊缝数量达14106余米。
3 施工难点
3.1 本工程结构形状特殊，场地条件复杂，结构下部为整体地下室，室内存在看台，屋盖结构层次多，大型吊装设备入场吊装条件受限，屋面桁架安装高度高、跨度大、构件重，施工难度大，方案制定要综合考虑结构受力特点、构件的分段、施工全过程支撑系统承载力、卸载方案、结构加固、吊装机械选型及方案的经济性和施工便捷性等多种因素。
3.2 由于本工程主桁架结构采用的不规则梯形，上口中心线宽度3.1m，下口中心线宽度1m，竖向中心线高6m，构件重心线位置与管桁架结构主弦杆不重合，支撑点的布置、支撑系统的承载力、卸载工艺、支撑系统与主桁架的连接等需要统筹施工全过程施工需要进行针对性的分析和设计。
3.3 结构施工过程中支撑系统承受的荷载处于不断的变化中，其上部结构吊装施工顺序不同，卸载顺序和工艺的不同均会导致支撑系统实际承受荷载产生变化，需要考虑各种因素，对施工全过程进行模拟分析，需要对最不利工况下支撑系统及下部结构加固进行复核和验算，既要确保安全、方便施工，又不能改变设计意图。
3.4 本工程存在整体地下室，构件分布广，且局部有高差，造成吊装运输困难。考虑构件安装后顶部封闭，造成吊装只能采取分单元立体退位吊装的施工顺序，吊装工效低。受吊装设备、结构加固、场内二次运输路线通行条件、支撑系统承载力等等多种因素影响，造成构件分段数量多，吊次多，吊装工效低。构件在拼装场地拼装后需要驳运，构件二次倒运量大，降低工效。
3.5 本工程安装杆件多，安装、焊接、卸载作业等等施工工序多，与维护系统施工交叉多，工期短，施工组织与协调困难。
4. 施工技术工艺简述
4.1 体育馆主构件尺寸长度较大，结合现场条件，采用临时支撑+高空分单元安装方案，ZH-01和ZH-04各分为六个吊装单元，ZH-02分为10个吊装单元，ZH-03分为9个吊装单元，分单元吊装。
4.2 主桁架下口设置临时组合支撑胎架作为主桁架吊装单元构件吊装临时搁置点，由于主桁架结构为不规则横断面，采用主副支撑系统为一组，共27组54个组临时组合支撑胎架。
4.3 两个支撑胎架组成一组支撑单个吊装单元，下口主弦杆支撑于主支撑系统上，上部主弦杆偏心一侧支撑于辅支撑系统上。
4.4 主支撑系统上口节点设计考虑到卸载需要，在顶部的钢套框上设有两根型钢，一根型钢设置于钢套框上部用于焊接月牙板临时搁置主桁架，一根型钢设置于钢套框内用于搁置千斤顶卸载。
5 卸载方案简述
6.1 卸载分为两次卸载，安装至Step10施工阶段，ZH-02和ZH-03主桁架及其之间的连系桁架全部安装完成，经验收合格后，开始一次卸载。
6.2 第一次卸载中间段ZH-02和ZH-03桁架组成的結构体系，即TJ-01至TJ-17和TJ-01a至TJ-17a支撑系统的卸载。
6.3 安装至Step17施工阶段，ZH-01和ZH-04主桁架与ZH-02和ZH-03之间的连系桁架全部安装完成，经验收合格后，开始二次卸载。
6.4 第二次卸载ZH-01和ZH-04与ZH-02、ZH-03组成的结构体系，即TJ-08至TJ-27和TJ-18a至TJ-27a支撑系统的卸载。 7 施工仿真分析
7.1 为确保施工安全，在结构施工前对施工过程中的每一道工序进行施工模拟分析，分析施工过程中构件的应力和变形情况。
7.2 通过对本工程施工过程中每一步骤结构的应力和变形情况进行验算分析，最大位移82.49mm，挠度值为1/970，，在规范允许范围内。应力最大91.99MPa，组合验算比最大值发生在第Step16步，为0.584，满足要求。
8 应力和变形监测技术
8.1 监测内容
1、桁架应变监测及变形监测;
2、胎架支撑应变监测及其变形监测。
对于体育馆钢桁架屋盖，选取中间1区ZHJ-2、ZHJ-3主桁架及TJ-13、TJ-14胎架支撑作为监测对象。
8.2测点布置
1、应变测点布置
每榀桁架跨中区域在上下弦杆表面布置应变测点，支座处则在腹杆表面布置，每根杆在对称的位置有两个测点，安装应变传感器，数据线接入无线收发机箱，进行实时监测。每榀桁架布置12个测点。
为了反映卸载过程对胎架支撑架受力状况的影响，选取距离跨中最近位置的胎架作为监测的对象，将测点布置在胎架四根立柱上，每根立柱在对称位置安装两个应变仪，TJ-13、TJ-14各布置8个应变测点，测点布置。
2、位移测点布置
位移监测采用全站仪设备，在各测点位置贴上徕卡反光片，在卸载前记录下各测点的三维坐标，通过与卸载后所得的坐标对比可测得桁架以及胎架的位移变化。在两侧支座上、下弦杆处各布置测点。选取距离跨中最近的胎架TJ-13、TJ-14，在该胎架顶和胎架支撑位置上的上、下弦杆分别布置测点，此外作为对照，在跨中位置与支座间选取胎架TJ-11、TJ-12按相同的方式布置位移测点。
8.3 监测结果
1、应变监测
屋盖钢结构卸载操作于2021年4月24日上午08：17分开始，卸载过程分三次卸载完成，第三次卸载操作于上午9：05分结束。对各测点在施工过程中采用数据采集仪自动记录，绘制出各测点应变增量。
ZHJ-2支座处腹杆应变值，其中测点4因为现场施工机械操作损坏。各测点应变数值在-45.1 ～ -1.9×10-6范围内，在各级卸载过程中有明显阶梯状变化，曲线有明显的下降段，在卸载完成后曲线变化恢复平稳状态。
ZHJ-2桁架跨中上、下弦杆的应变增量。显示各上弦杆测点处在卸载完成后均呈受压状态，应变值在-489.18 ～ 38.72×10-6范围内。中下弦杆各测点值在卸载完成后均呈受拉状态，应变值在-10.5 ～ 117.1×10-6范围内。
胎架TJ-14的8个测点应变增量。TJ-14各测点在卸载过程中拉应变值都有所增大。卸载完成后桁架千斤顶与胎架分离，此后胎架应变无明显改变。应变增量在-15.4 ～ 255.7×10-6范围内。
胎架TJ-14的8个测点应变增量。TJ-14各测点在卸载过程中拉应变值都有所增大。卸载完成后桁架千斤顶与胎架分离，此后胎架应变无明显改变。应变增量在-15.4 ～ 255.7×10-6范围内。
ZHJ-3支座处腹杆应变值。其中测点3在安装过程中损坏，读数缺失。各个测点变化趋势与ZHJ-2大致相似，但是应变增量幅值要小于ZHJ-2桁架。应变增量在 -45.1 ～ -4.5×10-6范围内。
图20、图21分别为ZHJ-3跨中上、下弦杆的应变增量-时间关系曲线图。显示各上弦杆测点处应变增量在-208.7 ～ -4.5×10-6范围内。下弦杆各测点值在卸载过程前后的应变增量在-11.3 ～ 189.2×10-6范围内。
胎架TJ-15的8个测点应变增量。除测点2以外，其余测点应变变化趋势与TJ-14大致相同。测点2在卸载开始出现拉应变，在卸载完成拆除胎架顶千斤顶时应变状态发生改变。应变增量在-15.4 ～ 255.7×10-6范围内。
2、位移监测
在卸载过程中用全站仪测量各测点三维坐标值，分析可得各测点位移变化量，位移变化记录表如表2所示。其中ZHJ-2桁架跨中最大下挠值为59.67mm，支座处东西向（沿梁方向）最大变形为9.98mm ;ZHJ-3桁架跨中最大下挠值为50.33mm，支座处东西向（沿梁方向）最大变形为8.40mm;卸载施工过程中胎架顶部最大侧移约40.96mm。
8.4 结论
桁架在卸载施工过程中支座处腹杆应力增量范围为-9.29MPa～-0.39MPa;ZHJ-2桁架跨中处上弦杆应力增量范围为-100.77MPa～-7.98MPa;桁架跨中处下弦杆应力增量范围为-2.16MPa～-24.12MPa;ZHJ-3桁架跨中处上弦杆应力增量范围为-42.99MPa～-0.93MPa;桁架跨中处下弦杆应力增量范围为-0.23MPa～38.98MPa。
胎架支撑在卸载过程中靠近地面部位构件受力较大，靠近桁架部分受力较小，胎架底柱应力增量范围为-3.17MPa～52.67MPa。
桁架在卸载施工过程中跨中最大挠度为59.67mm，支座处沿梁长度方向最大变形为9.98mm;卸载施工过程中胎架顶部最大侧移为40.96mm。
监测结果与理论分析基本吻合，卸载施工过程中未出现异常。
9 总论
霍山县体育中心体育馆工程采用通过实践创新多项技术，解决了由于结构形状特殊，场地条件复杂，结构下部为整體地下室，室内存在看台，屋盖结构层次多，大型吊装设备入场吊装条件受限，屋面桁架安装高度高、跨度大、构件重带来施工难度增加的难题。综合考虑结构受力特点、构件的分段、施工全过程支撑系统承载力、卸载方案、结构加固、吊装机械选型及方案的经济性和施工便捷性等多种因素。通过制定了一系列的措施和针对性方案，降低施工成本，既确保了施工安全，又能保证工程质量，为今后类似工程的施工提供了宝贵的经验，具有一定的参考价值和指导作用。
关键词： 80m跨四弦杆超大截面管桁架结构 主副支撑系统临时支撑 结构加固 应力和变形监测 从两侧往中间合拢安装 玄幻预拼装 分区施工多级卸载
1 前言
体育馆屋盖钢结构投影尺寸长140.48m，宽90.65m，屋盖分为三个层次，各层级均向外侧悬挑，最大悬挑长度为13.4m。屋盖结构由4榀跨度80m的四弦杆主桁架、桁架与桁架及桁架与支座之间的连系桁架和外悬挑桁架组成。
由于桁架构件尺寸超大，受运输条件限制，采用散件在工厂制作加工，现场设置拼装场地，构件在工厂加工完成后运输至现场，在拼装场地上预拼装后拆解驳运至吊装位置吊装就位。为保证桁架结构主弦杆对接接口的吻合，桁架在拼装场地上进行整体预拼装，受现场拼装场地条件限制，部分超长主桁架构件采用循环预拼装的方式，确保构件制作精度满足安装要求。
由于施工作业面下方存在大面积地下室，综合考虑结构受力特点、构件的分段尺寸、场内运输路线通行条件、施工全过程支撑系统承载力、卸载方案、结构加固、吊装机械选型等各种因素影响，制定了主辅支撑系统临时支撑+主桁架分段安装、分区施工、两次多级卸载方案，在技术可行性、施工便捷性和经济性找到平衡，取得了良好的效果，为今后类似工程的施工提供了宝贵的经验，具有一定的参考价值和指导作用。
2 工程概况
2.1 体育馆建筑总高度31.95米（从室外-0.150标高至金属屋面31.8），下部均设有整体地下室，体育馆内从地面至标高13.0m设有看台。
2.2 体育馆屋盖钢结构立面分为三个层次，01区为中部屋盖结构，依次向两侧展开为02区、04区和03区、05区屋盖。其中01区悬挑最大部位为5.5m，02区和03区悬挑最大部位为2.56m，04区和05区悬挑最大部位约为13.4m。
2.3 体育馆钢结构屋盖构件主要分为三类：第一类为主桁架，跨度80m，含外挑长度最大长度为95m，单榀桁架最大220吨，以管桁架杆件中心计算，桁架竖向高度6m，上口宽度3.1m，下口宽度1m。第二类为主桁架之间的连系桁架，第三类为悬挑桁架。
2.4 主材均采用Q355B材质，杆件规格种类杂、管构件数量多，体育馆8484件杆件弦管（含上、下弦）与腹杆在现场拼装的焊缝数量达14106余米。
3 施工难点
3.1 本工程结构形状特殊，场地条件复杂，结构下部为整体地下室，室内存在看台，屋盖结构层次多，大型吊装设备入场吊装条件受限，屋面桁架安装高度高、跨度大、构件重，施工难度大，方案制定要综合考虑结构受力特点、构件的分段、施工全过程支撑系统承载力、卸载方案、结构加固、吊装机械选型及方案的经济性和施工便捷性等多种因素。
3.2 由于本工程主桁架结构采用的不规则梯形，上口中心线宽度3.1m，下口中心线宽度1m，竖向中心线高6m，构件重心线位置与管桁架结构主弦杆不重合，支撑点的布置、支撑系统的承载力、卸载工艺、支撑系统与主桁架的连接等需要统筹施工全过程施工需要进行针对性的分析和设计。
3.3 结构施工过程中支撑系统承受的荷载处于不断的变化中，其上部结构吊装施工顺序不同，卸载顺序和工艺的不同均会导致支撑系统实际承受荷载产生变化，需要考虑各种因素，对施工全过程进行模拟分析，需要对最不利工况下支撑系统及下部结构加固进行复核和验算，既要确保安全、方便施工，又不能改变设计意图。
3.4 本工程存在整体地下室，构件分布广，且局部有高差，造成吊装运输困难。考虑构件安装后顶部封闭，造成吊装只能采取分单元立体退位吊装的施工顺序，吊装工效低。受吊装设备、结构加固、场内二次运输路线通行条件、支撑系统承载力等等多种因素影响，造成构件分段数量多，吊次多，吊装工效低。构件在拼装场地拼装后需要驳运，构件二次倒运量大，降低工效。
3.5 本工程安装杆件多，安装、焊接、卸载作业等等施工工序多，与维护系统施工交叉多，工期短，施工组织与协调困难。
4. 施工技术工艺简述
4.1 体育馆主构件尺寸长度较大，结合现场条件，采用临时支撑+高空分单元安装方案，ZH-01和ZH-04各分为六个吊装单元，ZH-02分为10个吊装单元，ZH-03分为9个吊装单元，分单元吊装。
4.2 主桁架下口设置临时组合支撑胎架作为主桁架吊装单元构件吊装临时搁置点，由于主桁架结构为不规则横断面，采用主副支撑系统为一组，共27组54个组临时组合支撑胎架。
4.3 两个支撑胎架组成一组支撑单个吊装单元，下口主弦杆支撑于主支撑系统上，上部主弦杆偏心一侧支撑于辅支撑系统上。
4.4 主支撑系统上口节点设计考虑到卸载需要，在顶部的钢套框上设有两根型钢，一根型钢设置于钢套框上部用于焊接月牙板临时搁置主桁架，一根型钢设置于钢套框内用于搁置千斤顶卸载。
5 卸载方案简述
6.1 卸载分为两次卸载，安装至Step10施工阶段，ZH-02和ZH-03主桁架及其之间的连系桁架全部安装完成，经验收合格后，开始一次卸载。
6.2 第一次卸载中间段ZH-02和ZH-03桁架组成的結构体系，即TJ-01至TJ-17和TJ-01a至TJ-17a支撑系统的卸载。
6.3 安装至Step17施工阶段，ZH-01和ZH-04主桁架与ZH-02和ZH-03之间的连系桁架全部安装完成，经验收合格后，开始二次卸载。
6.4 第二次卸载ZH-01和ZH-04与ZH-02、ZH-03组成的结构体系，即TJ-08至TJ-27和TJ-18a至TJ-27a支撑系统的卸载。 7 施工仿真分析
7.1 为确保施工安全，在结构施工前对施工过程中的每一道工序进行施工模拟分析，分析施工过程中构件的应力和变形情况。
7.2 通过对本工程施工过程中每一步骤结构的应力和变形情况进行验算分析，最大位移82.49mm，挠度值为1/970，，在规范允许范围内。应力最大91.99MPa，组合验算比最大值发生在第Step16步，为0.584，满足要求。
8 应力和变形监测技术
8.1 监测内容
1、桁架应变监测及变形监测;
2、胎架支撑应变监测及其变形监测。
对于体育馆钢桁架屋盖，选取中间1区ZHJ-2、ZHJ-3主桁架及TJ-13、TJ-14胎架支撑作为监测对象。
8.2测点布置
1、应变测点布置
每榀桁架跨中区域在上下弦杆表面布置应变测点，支座处则在腹杆表面布置，每根杆在对称的位置有两个测点，安装应变传感器，数据线接入无线收发机箱，进行实时监测。每榀桁架布置12个测点。
为了反映卸载过程对胎架支撑架受力状况的影响，选取距离跨中最近位置的胎架作为监测的对象，将测点布置在胎架四根立柱上，每根立柱在对称位置安装两个应变仪，TJ-13、TJ-14各布置8个应变测点，测点布置。
2、位移测点布置
位移监测采用全站仪设备，在各测点位置贴上徕卡反光片，在卸载前记录下各测点的三维坐标，通过与卸载后所得的坐标对比可测得桁架以及胎架的位移变化。在两侧支座上、下弦杆处各布置测点。选取距离跨中最近的胎架TJ-13、TJ-14，在该胎架顶和胎架支撑位置上的上、下弦杆分别布置测点，此外作为对照，在跨中位置与支座间选取胎架TJ-11、TJ-12按相同的方式布置位移测点。
8.3 监测结果
1、应变监测
屋盖钢结构卸载操作于2021年4月24日上午08：17分开始，卸载过程分三次卸载完成，第三次卸载操作于上午9：05分结束。对各测点在施工过程中采用数据采集仪自动记录，绘制出各测点应变增量。
ZHJ-2支座处腹杆应变值，其中测点4因为现场施工机械操作损坏。各测点应变数值在-45.1 ～ -1.9×10-6范围内，在各级卸载过程中有明显阶梯状变化，曲线有明显的下降段，在卸载完成后曲线变化恢复平稳状态。
ZHJ-2桁架跨中上、下弦杆的应变增量。显示各上弦杆测点处在卸载完成后均呈受压状态，应变值在-489.18 ～ 38.72×10-6范围内。中下弦杆各测点值在卸载完成后均呈受拉状态，应变值在-10.5 ～ 117.1×10-6范围内。
胎架TJ-14的8个测点应变增量。TJ-14各测点在卸载过程中拉应变值都有所增大。卸载完成后桁架千斤顶与胎架分离，此后胎架应变无明显改变。应变增量在-15.4 ～ 255.7×10-6范围内。
胎架TJ-14的8个测点应变增量。TJ-14各测点在卸载过程中拉应变值都有所增大。卸载完成后桁架千斤顶与胎架分离，此后胎架应变无明显改变。应变增量在-15.4 ～ 255.7×10-6范围内。
ZHJ-3支座处腹杆应变值。其中测点3在安装过程中损坏，读数缺失。各个测点变化趋势与ZHJ-2大致相似，但是应变增量幅值要小于ZHJ-2桁架。应变增量在 -45.1 ～ -4.5×10-6范围内。
图20、图21分别为ZHJ-3跨中上、下弦杆的应变增量-时间关系曲线图。显示各上弦杆测点处应变增量在-208.7 ～ -4.5×10-6范围内。下弦杆各测点值在卸载过程前后的应变增量在-11.3 ～ 189.2×10-6范围内。
胎架TJ-15的8个测点应变增量。除测点2以外，其余测点应变变化趋势与TJ-14大致相同。测点2在卸载开始出现拉应变，在卸载完成拆除胎架顶千斤顶时应变状态发生改变。应变增量在-15.4 ～ 255.7×10-6范围内。
2、位移监测
在卸载过程中用全站仪测量各测点三维坐标值，分析可得各测点位移变化量，位移变化记录表如表2所示。其中ZHJ-2桁架跨中最大下挠值为59.67mm，支座处东西向（沿梁方向）最大变形为9.98mm ;ZHJ-3桁架跨中最大下挠值为50.33mm，支座处东西向（沿梁方向）最大变形为8.40mm;卸载施工过程中胎架顶部最大侧移约40.96mm。
8.4 结论
桁架在卸载施工过程中支座处腹杆应力增量范围为-9.29MPa～-0.39MPa;ZHJ-2桁架跨中处上弦杆应力增量范围为-100.77MPa～-7.98MPa;桁架跨中处下弦杆应力增量范围为-2.16MPa～-24.12MPa;ZHJ-3桁架跨中处上弦杆应力增量范围为-42.99MPa～-0.93MPa;桁架跨中处下弦杆应力增量范围为-0.23MPa～38.98MPa。
胎架支撑在卸载过程中靠近地面部位构件受力较大，靠近桁架部分受力较小，胎架底柱应力增量范围为-3.17MPa～52.67MPa。
桁架在卸载施工过程中跨中最大挠度为59.67mm，支座处沿梁长度方向最大变形为9.98mm;卸载施工过程中胎架顶部最大侧移为40.96mm。
监测结果与理论分析基本吻合，卸载施工过程中未出现异常。
9 总论
霍山县体育中心体育馆工程采用通过实践创新多项技术，解决了由于结构形状特殊，场地条件复杂，结构下部为整體地下室，室内存在看台，屋盖结构层次多，大型吊装设备入场吊装条件受限，屋面桁架安装高度高、跨度大、构件重带来施工难度增加的难题。综合考虑结构受力特点、构件的分段、施工全过程支撑系统承载力、卸载方案、结构加固、吊装机械选型及方案的经济性和施工便捷性等多种因素。通过制定了一系列的措施和针对性方案，降低施工成本，既确保了施工安全，又能保证工程质量，为今后类似工程的施工提供了宝贵的经验，具有一定的参考价值和指导作用。