上海國(guó)際賽車場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)安裝施工技術(shù)

上海F1國(guó)際賽車場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)安裝施工技術(shù)1工程基本情況

1.1工程概況

上海F1國(guó)際賽車場(chǎng)位于上海市嘉定區(qū)安亭鎮(zhèn)，是一座具有世界一流水準(zhǔn)的公共建筑。整個(gè)賽車場(chǎng)涉及賽道、主、副看臺(tái)、新聞中心、空中餐廳等各種配套設(shè)施。

圖1上海F1國(guó)際賽車場(chǎng)主看臺(tái)和新聞中心、空中餐廳看臺(tái)部分及新聞中心、空中餐廳是整個(gè)工程的主體結(jié)構(gòu)，造型新奇別致。主、副看臺(tái)屋蓋均為懸臂鋼結(jié)構(gòu)，其中主看臺(tái)為獨(dú)立大鋼柱與大懸臂工字形鋼梁、連接梁組成，空間結(jié)構(gòu)總重量為5800t。新聞中心和空中餐廳的上部結(jié)構(gòu)為大跨度鋼桁架空間體系，無(wú)論在跨度覆蓋空間和使用功能上都具有極大的優(yōu)越性和競(jìng)爭(zhēng)性，空間桁架結(jié)構(gòu)具有受力合理，抗震性能好的特點(diǎn)。新聞中心、空中餐廳總重量為5700t。

1.2結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

主看臺(tái)設(shè)計(jì)采用一般體育場(chǎng)大跨度、大空間的特點(diǎn)，與以往工程不同的是整個(gè)屋蓋設(shè)計(jì)成兩頭懸臂式樣，中間采用獨(dú)立勁性鋼柱為支承點(diǎn)。整個(gè)屋蓋系統(tǒng)荷載全靠獨(dú)立勁性鋼柱承擔(dān)及平衡，對(duì)結(jié)構(gòu)整體撓度及安裝規(guī)定非常高。

在主看臺(tái)兩端各有一座輔助建筑：新聞中心和空中餐廳。這兩個(gè)建筑為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)上部呈梭形狀，為鋼框架體系，梭形的兩端分別座落在主看臺(tái)及砼塔樓頂上。梭形結(jié)構(gòu)由兩榀巨型鋼桁架及鋼桁架之間的聯(lián)系梁組成。結(jié)構(gòu)的所有荷載通過(guò)兩榀鋼桁架傳給砼筒體與主看臺(tái)結(jié)構(gòu)。為了使力傳遞明確，在鋼桁架兩端各設(shè)立了一道轉(zhuǎn)換桁架，運(yùn)用轉(zhuǎn)換桁架直接將荷載傳給砼立柱。由于荷載明確從而有助于巨型桁架的設(shè)計(jì)，可以減少整個(gè)建筑的含鋼量指標(biāo)。

圖2主看臺(tái)懸臂結(jié)構(gòu)和新聞中心、空中餐廳桁架結(jié)構(gòu)2施工難點(diǎn)

2.1預(yù)埋勁性鋼柱安裝

主看臺(tái)(12.72～28.00米)勁性結(jié)構(gòu)共有43根立柱。立柱高為15.22米，最大單重約25噸。鋼柱之間分別用水平撐連接和斜撐連接。

比賽控制塔、行政管理塔的勁性柱標(biāo)高16.88～28.96米，分為上中下3節(jié)(6米、5.23米、0.7米及0.12米的埋件)，最重的一節(jié)重約15噸，長(zhǎng)6米，在6層、7層及8層處有勁性鋼梁與其連接。新聞中心與地面連接塔、空中餐廳與地面連接塔的勁性柱標(biāo)高由12.60～30.00米，分為上中下3節(jié)(9米、7.88米、0.5米及0.12米的埋件)。

勁性鋼柱的安裝難度重要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

a)精度規(guī)定高

長(zhǎng)達(dá)400米的鋼結(jié)構(gòu)安裝，僅以常規(guī)的軸線偏差值來(lái)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)控制是不夠的。由于結(jié)構(gòu)施工是分段進(jìn)行的，其累積誤差也許導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)安裝無(wú)法進(jìn)行。所以如何保證土建結(jié)構(gòu)及安裝埋件的高精度成為勁性結(jié)構(gòu)施工的難點(diǎn)。

b)交錯(cuò)施工多

與勁性結(jié)構(gòu)同時(shí)施工的有土建的鋼筋、混凝土，安裝的管線等，各專業(yè)施工隊(duì)伍在同一施工區(qū)域內(nèi)交叉進(jìn)行施工，使整個(gè)施工現(xiàn)場(chǎng)一直處在復(fù)雜多變的施工環(huán)境，加大了施工的難度。

c)主副看臺(tái)為清水混凝土結(jié)構(gòu)

由于主副看臺(tái)為清水混凝土結(jié)構(gòu)，而勁性結(jié)構(gòu)為鋼與混凝土結(jié)構(gòu)，如何解決土建結(jié)構(gòu)與勁性結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)解決，使結(jié)構(gòu)達(dá)成清水混凝土的標(biāo)準(zhǔn)是一大難點(diǎn)。

2.2主看臺(tái)懸臂鋼梁安裝過(guò)程中的穩(wěn)定控制

主看臺(tái)懸臂鋼梁涉及前后懸臂梁，梁的根部與獨(dú)立勁性鋼柱固定，因此勁性鋼柱在懸臂梁彎矩作用下產(chǎn)生撓度，影響安裝精度。為了避免勁性鋼柱產(chǎn)生撓度，必須在施工過(guò)程中控制懸臂梁的彎矩值，也就是控制懸臂梁在平面內(nèi)的穩(wěn)定。假如在懸臂梁的懸挑端設(shè)立一臨時(shí)支撐，那么懸臂梁的穩(wěn)定可以控制，但是選用什么作為臨時(shí)支撐呢？如此高的支撐穩(wěn)定性、強(qiáng)度能滿足荷載規(guī)定嗎？支撐必須從地面開始立起，與地面如何固定？是否影響其他單位施工？所有問(wèn)題都需通過(guò)計(jì)算、協(xié)調(diào)才干決定。

2.3新聞中心、空中餐廳巨型鋼桁架安裝

巨型鋼桁架的安裝是工程中難度最大的一道工序，其安裝難度體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

a)鋼桁架自重大、跨度大、截面高，因此在選用施工機(jī)械方面有困難，假如整體安裝，需選用一臺(tái)超大起重量的機(jī)械設(shè)備，才干安裝550噸重的鋼桁架，此方案顯然行不通。

b)假如采用分段安裝，那么根據(jù)施工條件分析，有一段鋼桁架跨越主看臺(tái)，長(zhǎng)度將近50米，重達(dá)263噸，需要兩臺(tái)300噸履帶吊雙機(jī)抬吊才干滿足安裝規(guī)定，并且在安裝過(guò)程中吊機(jī)還要負(fù)載行走一段距離，對(duì)吊機(jī)的性能、施工條件等工況規(guī)定極高，每個(gè)環(huán)節(jié)必須嚴(yán)格控制。

c)采用分段安裝的話，焊接工作量將增大，并且所有對(duì)接焊縫必須在高空完畢，質(zhì)量不容易控制。

d)分段安裝必須采用臨時(shí)支架作為節(jié)點(diǎn)的臨時(shí)擱置點(diǎn)，因此支架的選用也是個(gè)問(wèn)題，支架一定要滿足剛度及穩(wěn)定性規(guī)定。此外，支架及鋼桁架的穩(wěn)定性如何保證？這是安裝鋼桁架的最大難點(diǎn)。

2.4臨時(shí)支架的卸載問(wèn)題

本工程鋼結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中，都運(yùn)用臨時(shí)支架作為結(jié)構(gòu)的臨時(shí)固定，因此施工結(jié)束后，必須進(jìn)行拆除，使結(jié)構(gòu)恢復(fù)自由狀態(tài)。支架的拆除過(guò)程也就是所謂的卸載，是一個(gè)力的轉(zhuǎn)移過(guò)程，通過(guò)對(duì)臨時(shí)支架的逐漸拆除，荷載也逐漸由臨時(shí)支架向其它結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移，直至臨時(shí)支架所有拆除，荷載也轉(zhuǎn)移完畢，整個(gè)卸載過(guò)程完畢。

在整個(gè)卸載過(guò)程中，荷載轉(zhuǎn)移是一個(gè)不擬定因素，控制不好，也許會(huì)導(dǎo)致支架受力不均，支架的強(qiáng)度、穩(wěn)定性都受到影響，容易發(fā)生意外。

3關(guān)鍵技術(shù)

3.1為了保證預(yù)埋勁性鋼柱順利安裝，我們考慮從以下幾方面進(jìn)行控制：

a)測(cè)量控制

運(yùn)用全站儀對(duì)勁性鋼結(jié)構(gòu)及埋件進(jìn)行定位控制是本次重要采用的測(cè)量控制方式。由于全站儀是坐標(biāo)定位，所以在定位及復(fù)核控制時(shí)可有效地避免建筑物長(zhǎng)而引起的累積誤差。

b)鋼筋解決

勁性柱預(yù)埋件的原有箍筋形式是穿過(guò)鋼結(jié)構(gòu)柱體，既影響鋼結(jié)構(gòu)性能，又不便于施工，會(huì)延長(zhǎng)施工工期，是一種不合理的形式。通過(guò)與設(shè)計(jì)的協(xié)商及討論，對(duì)箍筋形式進(jìn)行改善，改善后的箍筋形式不影響鋼結(jié)構(gòu)，且布置方式亦增長(zhǎng)了混凝土的施工空間，使得混凝土的施工質(zhì)量得到一定限度的保證。

c)混凝土解決

混凝土坍落度的控制對(duì)勁性結(jié)構(gòu)混凝土的質(zhì)量十分重要。由于勁性結(jié)構(gòu)截面較大（1500×800），這就導(dǎo)致混凝土澆搗面較?。ㄗ钚√幒穸葍H150），故混凝土坍落度由一般柱的100±20增大到140±30。

混凝土施工的機(jī)械根據(jù)混凝土的澆搗面及高度重要采用50、75的振動(dòng)棒，在勁性結(jié)構(gòu)外側(cè)由于鋼筋較為密集故選用50的振動(dòng)棒，而勁性結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)由于混凝土澆搗高度約為16米，故特定了16米長(zhǎng)的75振動(dòng)棒。

材料的控制及機(jī)械的適當(dāng)選用使混凝土的結(jié)構(gòu)密實(shí)，外觀色面一致，達(dá)成清水混凝土的表觀規(guī)定。

d)高強(qiáng)度砂漿灌漿

預(yù)埋件安裝就位對(duì)的后，在預(yù)埋件下澆灌含天然骨料高性能無(wú)收縮灌漿料。灌漿時(shí)砼表面必須堅(jiān)固、無(wú)灰塵、油、油脂、水泥浮漿、修補(bǔ)物等雜質(zhì)。使用小鑿子使施工面粗糙。在澆灌前必須使?jié)补嗝姹凰钢辽?小時(shí)。澆灌前須去除游離態(tài)的水。模板高度應(yīng)高于灌漿高度，具有足夠強(qiáng)度、防水和密閉。必須保證澆灌口處模板與基礎(chǔ)之間的距離為100mm，相對(duì)另一邊（灌漿料冒出處）距離為50mm。在其余邊沿也要保持50mm。在灌漿處，使模板向外傾斜45度角，并使其有足夠高度來(lái)保證灌漿時(shí)的落差。

e)鋼結(jié)構(gòu)支座埋件的解決

新聞中心、空中餐廳下的雙向抗震彈性支座是兩個(gè)空中鋼結(jié)構(gòu)的重要承重構(gòu)件，所以支座的安裝及支座下勁性結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)的解決十分重要。

一方面是將埋件的位置轉(zhuǎn)化為工程坐標(biāo)，再運(yùn)用全站儀進(jìn)行定位。定位的原則分別以空中餐廳、新聞中心各為一組，必須保證以組為單位進(jìn)行放樣，這樣可以減少2次放樣之間的偶爾誤差。當(dāng)支座定位完畢后，再由全站儀進(jìn)行總的復(fù)核，這樣就能全面保證支座及其埋件的安裝定位的精確性。

混凝土的澆搗方案也關(guān)系到整個(gè)埋件的安裝。埋件處混凝土的澆搗先施工至下部勁性結(jié)構(gòu)的支座埋件支承處，再安裝埋件。在澆搗埋件下混凝土?xí)r，為保證埋件下的結(jié)構(gòu)密實(shí)，采用了8cm高強(qiáng)度沙漿。分段澆搗保證了柱的混凝土質(zhì)量，更保證了埋件下的結(jié)構(gòu)質(zhì)量。

3.2懸臂結(jié)構(gòu)的安裝

對(duì)于體育場(chǎng)合中的懸臂結(jié)構(gòu)，我們有許多施工實(shí)例可借鑒，最類似的要數(shù)上海八萬(wàn)人體育場(chǎng)鋼屋蓋的施工了。因此，我們自然想到用臨時(shí)支撐作為施工中懸臂端的臨時(shí)擱置點(diǎn)，以解決鋼梁平面內(nèi)穩(wěn)定性問(wèn)題。通過(guò)對(duì)荷載進(jìn)行計(jì)算，決定采用φ609鋼管作為臨時(shí)支撐，鋼管根部與事先埋設(shè)在看臺(tái)砼結(jié)構(gòu)上的埋件相連，上部通過(guò)連接板與懸臂主梁連接。此種方法只解決懸臂主梁前半段的安裝，由于懸臂主梁后半段（即場(chǎng)外一段）離開地面比較高，假如也采用φ609鋼管作為臨時(shí)支撐，那么鋼管用量較多，成本較高，并且從安全角度考慮，其穩(wěn)定性也難以保證。通過(guò)受力分析，我們決定在鋼柱頂上立一根臨時(shí)鋼管，然后在鋼管上設(shè)計(jì)一節(jié)點(diǎn)板，用鋼索與懸臂梁后半段連接，再用此外一根鋼索與懸臂梁前半段連接，以此解決懸臂梁后半段的穩(wěn)定問(wèn)題。

圖3主看臺(tái)懸臂鋼結(jié)構(gòu)安裝3.3巨型鋼桁架的安裝

巨型鋼桁架兩端通過(guò)轉(zhuǎn)換桁架與主看臺(tái)及砼塔樓連接，兩榀鋼桁架之間通過(guò)聯(lián)系梁連接，組成一個(gè)空間框架體系。巨型鋼桁架為箱型截面，跨度達(dá)135.73米，單榀重量在550噸左右，跨中頂標(biāo)高40.633米，底標(biāo)高28.326米，賽道從跨下橫穿而過(guò)。

對(duì)于這樣的鋼桁架，我們一方面想到地面組裝、空中整體安裝的方法，既能保證施工質(zhì)量，又能滿足進(jìn)度規(guī)定，但是該方案立即被否認(rèn)，因素是要將550噸重的鋼桁架一次安裝到位，沒(méi)有超大起重量的吊機(jī)是不行的，根據(jù)現(xiàn)有的機(jī)械設(shè)備考慮，決定放棄該方案。于是，我們又提出采用提高工藝，但是通過(guò)仔細(xì)分析，這種工藝不太適合本工程，由于鋼桁架一端是塔樓，作為提高支架是沒(méi)問(wèn)題的，而另一端是主看臺(tái)，側(cè)向都是空的，沒(méi)法作為提高支架用，假如要加固的話，工作量肯定很大，從經(jīng)濟(jì)上分析是不合算的。唯一可行的辦法只能采用分段安裝。

雖然分段安裝的方案是可行的，但是真正實(shí)行是有一定難度的。因此，在施工過(guò)程中我們盡量從以下幾方面下工夫：

a)我們規(guī)定工廠進(jìn)行鋼桁架的預(yù)拼裝，以便保證現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量。

b)嚴(yán)格控制鋼桁架連接點(diǎn)的位移及標(biāo)高，涉及與砼連接處的位移及標(biāo)高，這是直接影響安裝質(zhì)量的因素。

c)臨時(shí)支架使用前對(duì)承受荷載的路基一定要進(jìn)行解決，使路基地耐力及平整度達(dá)成使用規(guī)定。

d)為了保證鋼桁架對(duì)接口位置準(zhǔn)確，臨時(shí)支架的高度必須進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)算，并且支架表面平整度要好。

e)為了解決臨時(shí)支架的穩(wěn)定問(wèn)題，我們擬采用型鋼及浪風(fēng)鋼絲繩進(jìn)行加固。靠近砼結(jié)構(gòu)的臨時(shí)支架通過(guò)型鋼與結(jié)構(gòu)內(nèi)埋件連接固定，其余獨(dú)立支架可用浪風(fēng)鋼絲繩臨時(shí)固定，并且相鄰兩個(gè)支架之間還可用型鋼進(jìn)行拉接。

分段安裝方案至少有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

a)通過(guò)對(duì)鋼桁架進(jìn)行分段，減少吊裝起重量，在施工機(jī)械的選用上有更大的余地。

b)可以保證連續(xù)施工，滿足工廠的制作、拼裝周轉(zhuǎn)時(shí)間。

為保證施工方案可以有效實(shí)行，在施工前須通過(guò)一些驗(yàn)算分析：

a)對(duì)鋼桁架分段后的確切重量一定要核算。

b)對(duì)節(jié)點(diǎn)處支架的受力情況要掌握清楚。

c)300t履帶吊的工況性能通過(guò)驗(yàn)算要如實(shí)反映。

圖4空中餐廳巨型桁架吊裝

3.4臨時(shí)支撐卸載

為了保證卸載過(guò)程的安全，一方面，我們將整個(gè)結(jié)構(gòu)，涉及臨時(shí)支架在內(nèi)，建立一個(gè)模型，通過(guò)計(jì)算軟件分析得出卸載前每個(gè)臨時(shí)支架的受力情況。另一方面，根據(jù)計(jì)算擬定支架拆除順序及卸載量，由于考慮支架的承受能力，拆除過(guò)程分幾次完畢。最后，通過(guò)計(jì)算我們還可以知道在卸載過(guò)程中荷載是如何轉(zhuǎn)換的，又是如何回歸至零。

卸載時(shí)荷載對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的沖擊力比較大，因此卸載前一定要保證整個(gè)結(jié)構(gòu)已連成一個(gè)整體，防止結(jié)構(gòu)局部受力不均，導(dǎo)致破壞。

4工程實(shí)行與效益

上海F1國(guó)際賽車場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)工程具有施工難度大、施工工期緊、設(shè)計(jì)規(guī)定高、技術(shù)含金量高等特點(diǎn)。針對(duì)大跨度、大噸位、超長(zhǎng)懸臂鋼結(jié)構(gòu)和巨型空中桁架結(jié)構(gòu)的工程特點(diǎn)和施工難點(diǎn)，通過(guò)研究開發(fā)和技術(shù)方案優(yōu)化，在主看臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)安裝中采用“單機(jī)起吊、空中接力、雙機(jī)抬吊”的施工工藝，在新聞中心、空中餐廳的鋼結(jié)構(gòu)安裝中采用“分段雙機(jī)抬吊安裝，支架承重；空中對(duì)接，整體卸載”的施工工藝，解決了施工場(chǎng)地限制、施工機(jī)械能力限制等問(wèn)題，攻克了特殊施工工藝的一些關(guān)鍵難點(diǎn)，達(dá)成了業(yè)主和設(shè)計(jì)規(guī)定，通過(guò)大家一致努力，順利完畢該工程，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

4.1經(jīng)濟(jì)效益

在主看臺(tái)懸臂主梁的安裝中，由于施工方案的優(yōu)化，在保證安全的前提下改善臨時(shí)支撐措施，減少施工成本數(shù)十萬(wàn)元。

在新聞中心、空中餐廳巨型鋼桁架的安裝中，運(yùn)用公司廢舊的塔吊設(shè)備，作為臨時(shí)支撐，取代原設(shè)計(jì)采用鋼管或型鋼作為臨時(shí)支撐，既經(jīng)濟(jì)又安全，節(jié)約成本四十