上海F1国际赛车场钢结构安装施工技术(1)

上海F1国际赛车场钢结构安装施工技术1工程基本情况1.1工程概况上海F1国际赛车场位于上海市嘉定区安亭镇，是一座具有世界一流水准的公共建筑。整个赛车场包括赛道、主、副看台、新闻中心、空中餐厅等各种配套设施。图1上海F1国际赛车场主看台和新闻中心、空中餐厅看台部分及新闻中心、空中餐厅是整个工程的主体结构，造型新颖别致。主、副看台屋盖均为悬臂钢结构，其中主看台为独立大钢柱与大悬臂工字形钢梁、连接梁组成，空间结构总重量为5800t。新闻中心和空中餐厅的上部结构为大跨度钢桁架空间体系，无论在跨度覆盖空间和使用功能上都具有极大的优越性和竞争性，空间桁架结构具有受力合理，抗震性能好的特点。新闻中心、空中餐厅总重量为5700t。1.2结构特点主看台设计采用一般体育场大跨度、大空间的特点，与以往工程不同的是整个屋盖设计成两头悬臂式样，中间采用独立劲性钢柱为支承点。整个屋盖系统荷载全靠独立劲性钢柱承担及平衡，对结构整体挠度及安装要求非常高。在主看台两端各有一座辅助建筑：新闻中心和空中餐厅。这两个建筑为对称结构，结构上部呈梭形状，为钢框架体系，梭形的两端分别座落在主看台及砼塔楼顶上。梭形结构由两榀巨型钢桁架及钢桁架之间的联系梁组成。结构的全部荷载通过两榀钢桁架传给砼筒体与主看台结构。为了使力传递明确，在钢桁架两端各设置了一道转换桁架，利用转换桁架直接将荷载传给砼立柱。由于荷载明确从而有利于巨型桁架的设计，可以降低整个建筑的含钢量指标。图2主看台悬臂结构和新闻中心、空中餐厅桁架结构2施工难点2.1预埋劲性钢柱安装主看台(12.72～28.00米)劲性结构共有43根立柱。立柱高为15.22米，最大单重约25吨。钢柱之间分别用水平撑连接和斜撑连接。比赛控制塔、行政管理塔的劲性柱标高16.88～28.96米，分为上中下3节(6米、5.23米、0.7米及0.12米的埋件)，最重的一节重约15吨，长6米，在6层、7层及8层处有劲性钢梁与其连接。新闻中心与地面连接塔、空中餐厅与地面连接塔的劲性柱标高由12.60～30.00米，分为上中下3节(9米、7.88米、0.5米及0.12米的埋件)。劲性钢柱的安装难度主要体现在以下几个方面：a)精度要求高长达400米的钢结构安装，仅以常规的轴线偏差值来进行现场控制是不够的。由于结构施工是分段进行的，其累积误差可能造成钢结构安装无法进行。所以如何保证土建结构及安装埋件的高精度成为劲性结构施工的难点。b)交错施工多与劲性结构同时施工的有土建的钢筋、混凝土，安装的管线等，各专业施工队伍在同一施工区域内交叉进行施工，使整个施工现场一直处于复杂多变的施工环境，加大了施工的难度。c)主副看台为清水混凝土结构由于主副看台为清水混凝土结构，而劲性结构为钢与混凝土结构，如何解决土建结构与劲性结构的节点处理，使结构达到清水混凝土的标准是一大难点。2.2主看台悬臂钢梁安装过程中的稳定控制主看台悬臂钢梁包括前后悬臂梁，梁的根部与独立劲性钢柱固定，因此劲性钢柱在悬臂梁弯矩作用下产生挠度，影响安装精度。为了避免劲性钢柱产生挠度，必须在施工过程中控制悬臂梁的弯矩值，也就是控制悬臂梁在平面内的稳定。如果在悬臂梁的悬挑端设置一临时支撑，那么悬臂梁的稳定可以控制，但是选用什么作为临时支撑呢？如此高的支撑稳定性、强度能满足荷载要求吗？支撑必须从地面开始立起，与地面如何固定？是否影响其他单位施工？所有问题都需经过计算、协调才能决定。2.3新闻中心、空中餐厅巨型钢桁架安装巨型钢桁架的安装是工程中难度最大的一道工序，其安装难度体现在以下几个方面：a)钢桁架自重大、跨度大、截面高，因此在选用施工机械方面有困难，如果整体安装，需选用一台超大起重量的机械设备，才能安装550吨重的钢桁架，此方案显然行不通。b)如果采用分段安装，那么根据施工条件分析，有一段钢桁架跨越主看台，长度将近50米，重达263吨，需要两台300吨履带吊双机抬吊才能满足安装要求，而且在安装过程中吊机还要负载行走一段距离，对吊机的性能、施工条件等工况要求极高，每个环节必须严格控制。c)采用分段安装的话，焊接工作量将增大，而且所有对接焊缝必须在高空完成，质量不容易控制。d)分段安装必须采用临时支架作为节点的临时搁置点，因此支架的选用也是个问题，支架一定要满足刚度及稳定性要求。另外，支架及钢桁架的稳定性如何保证？这是安装钢桁架的最大难点。2.4临时支架的卸载问题本工程钢结构施工过程中，都运用临时支架作为结构的临时固定，因此施工结束后，必须进行拆除，使结构恢复自由状态。支架的拆除过程也就是所谓的卸载，是一个力的转移过程，通过对临时支架的逐渐拆除，荷载也逐渐由临时支架向其它结构转移，直至临时支架全部拆除，荷载也转移完毕，整个卸载过程完成。在整个卸载过程中，荷载转移是一个不确定因素，控制不好，可能会造成支架受力不均，支架的强度、稳定性都受到影响，容易发生意外。3关键技术3.1为了保证预埋劲性钢柱顺利安装，我们考虑从以下几方面进行控制：a)测量控制利用全站仪对劲性钢结构及埋件进行定位控制是此次主要采用的测量控制方式。由于全站仪是坐标定位，所以在定位及复核控制时可有效地避免建筑物长而引起的累积误差。b)钢筋处理劲性柱预埋件的原有箍筋形式是穿过钢结构柱体，既影响钢结构性能，又不便于施工，会延长施工工期，是一种不合理的形式。经过与设计的协商及讨论，对箍筋形式进行改进，改进后的箍筋形式不影响钢结构，且布置方式亦增加了混凝土的施工空间，使得混凝土的施工质量得到一定程度的保证。c)混凝土处理混凝土坍落度的控制对劲性结构混凝土的质量十分重要。由于劲性结构截面较大（1500×800），这就造成混凝土浇捣面较小（最小处厚度仅150），故混凝土坍落度由一般柱的100±20增大到140±30。混凝土施工的机械根据混凝土的浇捣面及高度主要采用50、75的振动棒，在劲性结构外侧由于钢筋较为密集故选用50的振动棒，而劲性结构内侧由于混凝土浇捣高度约为16米，故特定了16米长的75振动棒。材料的控制及机械的适当选用使混凝土的结构密实，外观色面一致，达到清水混凝土的表观要求。d)高强度砂浆灌浆预埋件安装就位正确后，在预埋件下浇灌含天然骨料高性能无收缩灌浆料。灌浆时砼表面必须坚固、无灰尘、油、油脂、水泥浮浆、修补物等杂质。使用小凿子使施工面粗糙。在浇灌前必须使浇灌面被水浸透至少4小时。浇灌前须去除游离态的水。模板高度应高于灌浆高度，具有足够强度、防水和密闭。必须保证浇灌口处模板与基础之间的距离为100mm，相对另一边（灌浆料冒出处）距离为50mm。在其余边缘也要保持50mm。在灌浆处，使模板向外倾斜45度角，并使其有足够高度来保证灌浆时的落差。e)钢结构支座埋件的处理新闻中心、空中餐厅下的双向抗震弹性支座是两个空中钢结构的主要承重构件，所以支座的安装及支座下劲性结构、混凝土结构的处理十分重要。首先是将埋件的位置转化为工程坐标，再运用全站仪进行定位。定位的原则分别以空中餐厅、新闻中心各为一组，必须保证以组为单位进行放样，这样可以减少2次放样之间的偶然误差。当支座定位完成后，再由全站仪进行总的复核，这样就能全面保证支座及其埋件的安装定位的精确性。混凝土的浇捣方案也关系到整个埋件的安装。埋件处混凝土的浇捣先施工至下部劲性结构的支座埋件支承处，再安装埋件。在浇捣埋件下混凝土时，为保证埋件下的结构密实，采用了8cm高强度沙浆。分段浇捣保证了柱的混凝土质量，更保证了埋件下的结构质量。3.2悬臂结构的安装对于体育场所中的悬臂结构，我们有许多施工实例可借鉴，最类似的要数上海八万人体育场钢屋盖的施工了。因此，我们自然想到用临时支撑作为施工中悬臂端的临时搁置点，以解决钢梁平面内稳定性问题。通过对荷载进行计算，决定采用φ609钢管作为临时支撑，钢管根部与事先埋设在看台砼结构上的埋件相连，上部通过连接板与悬臂主梁连接。此种方法只解决悬臂主梁前半段的安装，由于悬臂主梁后半段（即场外一段）离开地面比较高，如果也采用φ609钢管作为临时支撑，那么钢管用量较多，成本较高，而且从安全角度考虑，其稳定性也难以保证。通过受力分析，我们决定在钢柱顶上立一根临时钢管，然后在钢管上设计一节点板，用钢索与悬臂梁后半段连接，再用另外一根钢索与悬臂梁前半段连接，以此解决悬臂梁后半段的稳定问题。图3主看台悬臂钢结构安装3.3巨型钢桁架的安装巨型钢桁架两端通过转换桁架与主看台及砼塔楼连接，两榀钢桁架之间通过联系梁连接，组成一个空间框架体系。巨型钢桁架为箱型截面，跨度达135.73米，单榀重量在550吨左右，跨中顶标高40.633米，底标高28.326米，赛道从跨下横穿而过。对于这样的钢桁架，我们首先想到地面组装、空中整体安装的方法，既能保证施工质量，又能满足进度要求，但是该方案马上被否定，原因是要将550吨重的钢桁架一次安装到位，没有超大起重量的吊机是不行的，根据现有的机械设备考虑，决定放弃该方案。于是，我们又提出采用提升工艺，但是经过仔细分析，这种工艺不太适合本工程，因为钢桁架一端是塔楼，作为提升支架是没问题的，而另一端是主看台，侧向都是空的，没法作为提升支架用，如果要加固的话，工作量肯定很大，从经济上分析是不合算的。唯一可行的办法只能采用分段安装。虽然分段安装的方案是可行的，但是真正实施是有一定难度的。因此，在施工过程中我们尽量从以下几方面下工夫：a)我们要求工厂进行钢桁架的预拼装，以便保证现场施工质量。b)严格控制钢桁架连接点的位移及标高，包括与砼连接处的位移及标高，这是直接影响安装质量的因素。c)临时支架使用前对承受荷载的路基一定要进行处理，使路基地耐力及平整度达到使用要求。d)为了保证钢桁架对接口位置准确，临时支架的高度必须进行实际验算，而且支架表面平整度要好。e)为了解决临时支架的稳定问题，我们拟采用型钢及浪风钢丝绳进行加固。靠近砼结构的临时支架通过型钢与结构内埋件连接固定，其余独立支架可用浪风钢丝绳临时固定，并且相邻两个支架之间还可用型钢进行拉接。分段安装方案至少有以下几个优点：a)通过对钢桁架进行分段，减少吊装起重量，在施工机械的选用上有更大的余地。b)可以保证连续施工，满足工厂的制作、拼装周转时间。为保证施工方案能够有效实施，在施工前须经过一些验算分析：a)对钢桁架分段后的确切重量一定要核实。b)对节点处支架的受力情况要掌握清楚。c)300t履带吊的工况性能通过验算要如实反映。图4空中餐厅巨型桁架吊装3.4临时支撑卸载为了确保卸载过程的安全，首先，我们将整个结构，包括临时支架在内，建立一个模型，通过计算软件分析得出卸载前每个临时支架的受力情况。其次，根据计算确定支架拆除顺序及卸载量，由于考虑支架的承受能力，拆除过程分几次完成。最后，通过计算我们还可以知道在卸载过程中荷载是如何转换的，又是如何回归至零。卸载时荷载对整个结构的冲击力比较大，因此卸载前一定要确保整个结构已连成一个整体，防止结构局部受力不均，造成破坏。4工程实施与效益上海F1国际赛车场钢结构工程具有施工难度大、施工工期紧、设计要求高、技术含金量高等特点。针对大跨度、大吨位、超长悬臂钢结构和巨型空中桁架结构的工程特点和施工难点，经过研究开发和技术方案优化，在主看台钢结构安装中采用“单机起吊、空中接力、双机抬吊”的施工工艺，在新闻中心、空中餐厅的钢结构安装中采用“分段双机抬吊安装，支架承重；空中对接，整体卸载”的施工工艺，解决了施工场地限制、施工机械能力限制等问题，攻克了特殊施工工艺的一些关键难点，达到了业主和设计要求，通过大家一致努力，顺利完成该工程，取得了较好的经济效益和社会效益。4.1经济效益在主看台悬臂主梁的安装中，由于施工方案的优化，在确保安全的前提下改进临时支撑措施，降低施工成本数十万元。在新闻中心、空中餐厅巨型钢桁架的安装中，利用公司废旧的塔吊设备，作为临时支撑，取代原设计采用钢管或型钢作为临时支撑，既经济又安全，节约成本四十多万元。另外，原方案新闻中心、空中餐厅钢桁架在隧道顶板上进行拼装，因此需对顶板进行加固，加固材料采用型钢。后来通过验算优化，利用脚手管加固就能满足荷载要求，比原方案节约了三分