摘 要：上海新国际博览中心屋盖结构形式为大跨度钢结构空间桁架，大跨度钢结构施工过程中，施工方案的制定对施工过程有至关重要的影响，直接影响着工期、工程造价、施工安全等方面，本文简要介绍了施工方案的制定依据并且本施工方案在实际工程中得到了验证，取得了预期的效果，证明本施工方案的正确性。
关键词：大跨度钢桁架，预应力拉杆，施工方案
1. 工程概况
上海新国际博览中心工程位于上海浦东新区。目前为止已经完成了四期建设，其中一期建设规模为用地面积 ㎡，建筑工程由 4 个国际标准展厅和 1 个入口大厅组成；
二期工程总建筑面积约 90000 ㎡；本期工程建设为第四期 8、9 号馆，每个展馆由展馆、连接厅和连廊组成,展馆为一层大空间建筑,平面尺寸为 192ｍ×80ｍ,建筑面积约为 18163 ㎡,内设164ｍ×70ｍ的无柱大展厅,展馆屋面高 17.4ｍ,室内净高 10ｍ,屋面结构由 16 榀跨度 72ｍ的鱼腹式空间钢桁架 组成(图 1)。
图 1 鱼腹式空间钢桁架组成
鱼腹式空间钢桁架横断面为菱形,每个空间桁架由 4 榀平面桁架组成,菱形断面的上面 2榀平面桁架为三角形网格桁架,而下面 2 榀平面桁架为四边形网格的空腹桁架,每榀平面桁架在自身平面外根据桁架整体鱼腹式形状弯曲,使 4 榀平面桁架组成空间桁架且整体形成鱼腹形状（图 2）。
钢桁架杆件为钢管,节点为铸钢节点。每榀钢桁架菱形断面两侧边弦杆上节点处设连接板,通过高强螺栓将相邻钢桁架接,单榀钢桁架重约 145ｔ。由于菱形截面结构刚度较小,需要较强的周边支承才能保证整个屋盖结构的整体性和刚度。因而要保证这种菱形截面空间桁架在施工中的刚度、稳定性以及安装几何精度,必须采用可靠的临时支承结构以及合理、简单、安全的施工方法和施工过程控制措施。
2. 工程特点
新国际博览中心展厅上部为一个以钢结构空间桁架为主体的结构体系，其主要传力途径为：屋面荷载由空间桁架屋架传至桁架柱再传至基础，外围护体系的水平荷载及地震水平荷载均传至抗风柱及拉杆柱。屋盖体系和基础的二层刚性板之间的刚性约束通过集群拉杆柱承担，而集群拉杆柱体系的构成就是通过厚板 H 型柱及其间的预应力拉杆形成。
由于空间桁架钢结构本身是变形大、竖向刚度相对小的结构体系，加上外方结构设计理念是“柔性”结构体系，在工作状况下允许有较大的弹性范围内的变形用于消耗诸如地震荷载的能量。并且外方结构设计师明确指出所有构件的承载能力仅考虑形成最终结构安装完毕后的工作使用状况，而施工过程中的施工荷载只作为额外的附加荷载由承包商自行考虑。
本工程的结构设计由德国结构设计师设计，国内专业钢结构设计事务所进行施工图深化设计；总承包商和施工承包商由于管理范畴的局限性以及涉及知识产权的问题，对结构计算模型的正确认识只能在有限的范围内揣测和在工程实践中摸索。但前提是保证结构安全，如必须考虑单索张拉时（水平分力）对结构柱以及结构整体的变形和稳定的影响，张拉时间的确定，临时支撑的设置，变形后的综合协调等，该工程具体工程特点：
一，“柔性结构”设计理念 刚柔相济：
屋盖体系标准厅由 16 榀鱼腹式屋架梁组成，每榀屋架的断面为菱形体，有 15 片菱形架通过上、下弦管和两侧中弦管焊接成整榀形状象鱼腹曲线式屋架梁，两榀屋架梁通过在中弦设置的 15 组连接板承插后采用高强螺栓连接，同时每榀屋架的两侧中弦杆用水平拉杆相连。屋架与柱、柱与柱脚为铰接形式，内设抗剪销钉，兼作定位螺栓作用。高约 14 米的柱钢管截面为∅3 2 5 ×1 4 ~ 1 6 ，其细长比较大。柱脚与钢筋混凝土基础通过预埋的无粘结高强度材料的地脚螺栓连接。抗风柱与在竖直面设置斜拉杆并建立内预应力的拉杆柱构成抵抗水平荷载的竖向构件，其柱脚与基础的连接也采用无粘结高强度材料的地脚螺栓，但在紧固时须施加预应力。
二，跨度大、构件重
单榀屋架支撑跨度为 72m，两侧各悬挑 4m,单榀自重最大值超过 100t,在卸除屋架施工临时支撑后，由于构件的自重而自沉，挠度变形大。
三，工期短、制作任务重、现场焊接工作量大，以及相应的检验检测内容多而且环节复杂。
该工程有许多施工技术的突破和创新，特别是大型钢结构施工技术值得研究和总结。
3. 施工方案的确定
本工程钢结构施工特点和难点如下：
1 ） 跨度范围内基础及地坪混凝土先行施工完毕，吊装机械不能进入场内作业；
2） 桁架之间的连接采用 15 组插板式高强螺栓节点板连接，高空连接难度大；
3） 现场焊接量大，平均每榀桁架高空焊接有 164 处，焊接量达 155 延长米，高空全位置焊接，焊接变形和收缩不易控制；
4） 鱼腹形曲线构造成桁架节间标高变化，相对位置的测量控制点多；
5 ）多管相贯节点大批量铸钢件的试制和技术攻关的经验少，难度大；
6） 结构稳定设计，首次采用了预应力高强度拉杆（水平和垂直布置）张拉系统，施工工艺复杂；
所以经过研究，理论上计算分析以及以往施工积累的大量经验，本工程采用满堂脚手架支撑，地面单元拼吊装，展馆屋盖桁架安装, 预应力拉杆张拉，屋架卸载施工方案。
一， 满堂脚手架支撑
临时支承结构体系设置本空间钢桁架的鱼腹式曲线使得桁架节间高度连续变化,施工中桁架节点安装定位难度很大。同时,菱形截面形式使得桁架在施工过程中整体性和稳定性均较低,因而需要设置可靠的临时支承结构体系以保证该桁架结构在施工过程中的安全性和安装精度。本工程空间钢桁架采用高空原位拼装法施工,施工中需分两级搭设临时支承结构。作为桁架拼装施工过程中的临时支承结构,需要承受整个屋盖桁架的重量及施工荷载且应具有足够的刚度,以保证施工安全与安装精度。在屋盖桁架施工完成后,严格按计算要求的顺序和速度,解除临时支承约束并拆除临时结构,使所有空间钢桁架结构由施工阶段的多点支承转化为仅两端支承的实际大跨度状态。根据施工现场实际状况和钢桁架的安全与精度要求,本桁架施工过程中采用在下部混凝土地面上搭设一定高度的满堂脚手架支承平台,然后在该平台上安装保证施工中桁架结构稳定以及控制施工精度的桁架拼装用临时支承结构,支承结构的支承点设置在每榀钢桁架菱形截面两侧边的铸钢节点对应处。
图 3 屋盖空间桁架支承结构的布置
图 4 固定支点结构形式示意图
满堂脚手架搭设范围 ：结构平面投影范围，整体平台高度距离菱形架底部杆件 0.5～1米，根据用途向上继续搭设成不同的形式。
1） 菱形架两侧承重支点位置搭设宽度 1.0 米、长度 84 米的排架，排架顶部横杆标高距离该节点标高 1.05 米。整个排架顶面形成阶梯状，由现场控制好，立杆间距见图 5，横杆间距 1.5 米，斜撑杆件根据相应的规范设置。
图 5 排架顶面的立杆间距
2） 菱形架底部满堂架搭设：采用横杆步高 1.5m，立杆间距为 1.375m×1.375m 的满堂架形式，斜撑、剪刀撑及水平剪刀撑根据满堂脚手架搭设相应规范设置，同时必须设置扫地杆；
满堂架顶部标高距离菱形架底面 0.5～1 米，并满铺竹笆脚手板用于安全防护及施工人员行走，同时根据需要设置维护措施；见图 6 所示。
图 6 菱形架底部满堂架搭设及其维护措施
3） 相临菱形架节间脚手架的搭设：每榀桁架的相临菱形架节间应搭设脚手架用于施工操作及菱形架之间连接钢管的临时固定。菱形架轴线间距为 3.75 米，立杆间距 1.375m×1.375m，短横杆间距 1.5 米，斜撑等杆件根据规范进行设置。
4） 满堂架在搭设过程中需要将抗风柱、桁架柱、幕墙柱等位置避开，并且应搭设临时固定架，固定架与周围满堂架连接可靠，同时应满足钢柱安装施工所需要的工艺空间，钢柱安装到位后再用短钢管对钢柱进行临时固定。
二， 地面单元拼装吊装
由于施工过程中结构的受力完全不同于结构正常使用时的力,对大跨结构而言,施工状态往往是结构最不利受力状态。为保证施工的安全进行,必须事先确定起吊单元(拼装单元)的划分、支承点的分布及其形式、支架卸落的卸载分级,以保证结构受力的安全和施工的可行 。在理论分析的基础上，确定了以两个节间拼装为 1 个起吊单元,起吊单元就位后在菱形两端的侧节点用千斤顶进行支承的方，给出了支架卸落的卸载分级,并分析了整个施工方案的可靠性。
三， 展馆屋盖桁架安装
单榀桁架安装 ：每榀钢桁架由 17 榀菱形架及弦管组成，菱形架拼装成形后，倒运到吊装场地内，采用塔吊吊装到搭设好的支撑架上临时固定：一榀菱形架吊装临时固定后随即将弦杆一端套进铸钢件相应节点上，另一端则临时固定在排架脚手管上，然后再将另一榀菱形架吊装到位并与弦杆连接；相邻菱形架之间的弦管吊装就位之后进行测量校正并临时焊接。如此周而复始，直至整榀桁架全部安装完毕。
单榀桁架安装顺序：先安装中部三榀菱形架及之间弦管，由此组成一个安装单元后，再由该单元向两端延伸进行施工，直到整榀桁架施工完成。整个展馆屋盖桁架的施工：整个展馆由 16 榀钢桁架组成，相邻钢桁架之间采用插板式高强螺栓接，施工由中部⑧和⑨轴线向两边①和⑯轴进行安装，⑧和⑨轴线上的钢桁架同步施工，并将⑧→①轴线和⑨→○ 16轴线的桁架分成两个作业区同步进行安装施工，每榀桁架施工约 8 个工作日完成。展厅桁架吊装过程如图 7 所示：
图 7 展厅桁架吊装过程
钢桁架安装分两个区进行，由中间向两边安装，⑧、⑨轴线桁架安装完成以后，向两边安装与之相邻钢桁架，安装顺序示意图如图 8 所示：
图 8 安装顺序示意图
四， 预应力拉杆张拉
本工程中采用了预应力钢柱作为桁架的抗风体系，其中南北抗风钢柱中设计了水平预应力拉杆和垂直预应力拉杆，预应力拉杆的张拉施工分为三个阶段进行。
第一次张拉：在结构卸载前对预应力拉杆进行首次张拉施工，张拉至设计预应力的 30%，
第二次及第三次张拉：施工均在结构卸载完成后进行，分别张拉 30%左右以达到设计值。
五，屋盖桁架卸载
桁架安装完成后进行卸载，因结构设计趋向柔性，所以结构卸载过程是施工过程中结构受力转化成结构实际受力的一个转变过程，因结构施工采用多节点焊接及支撑形式与实际不符合，所以在卸载过程中会发生结构内力重新组合，结构发生相应的变形，为了防止变形过大以及控制变形，我们采用了如下的卸载方案：
在整个屋盖的钢桁架施工完成后，此时整个屋盖钢桁架全部由临时支撑支承，桁架下挠比较小，为了达到设计的意图，选用 160KN 力的螺旋式千斤顶作为支承桁架卸载的工具（考虑到该种千斤顶不会产生如液压千斤顶因油压不稳而产生的微量压缩，对控制结构标高是有利的）；卸载按照逐步逼近桁架在无支撑情况下的下挠曲线的原则进行。由于支撑桁架的支撑点比较多，而桁架卸载不可能也不必要做到完全同步，因此通过调节千斤顶的行程来控制每一次的卸载量，从而间接控制各支撑点的受力。该种千斤顶每转动一圈行程为 4.5mm，操作时可初步以转数来调控制，以测量螺杆的高度为精确控制手段。在整个卸载过程中钢桁架由于本身自重会产生一定的饶度，卸载应尽量减少各铸钢件节点的不均匀沉降，以保证结构变形的协调。
4. 结论
对大型钢结构施工,其施工工况往往为最不利工况之一,施工方案的选用必须经过慎重的分析。本工程对施工过程建立了数值分析模型并对施工过程及临时支承拆除过程进行模拟计
算,为该钢桁架施工及临时支承拆除控制提供了可靠的计算依据。经全面分析和计算机模拟,确定了上海新国际博览中心网桁架的拼装方案,包括拼装单元的划分、支撑点的设置、支架卸落等,该方案在实际施工中得以采用,保证了施工安全和工程的顺利完成。现场观测数据与理论分析吻合良好。本文对大跨度钢结构的施工方案的确定以及实施进行了总结，为以后的大跨度的钢结构施工技术提供借鉴.
索建臣 武汉理工大学土木工程与建筑学院
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