池州市体育馆大跨度异型钢结构屋盖施工关键技术

发布时间:2012-07-02    浏览次数:13147
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、成果的主要用途、技术原理

现代化大型体育建筑是国家及地区的标志性建筑,对城市发展起到巨大的推动作用。池州市体育馆的建成不仅为市民提供了一个完善的体育设施和健身娱乐场所,也有效地拓展了城市发展的空间,对我国沿江城市群实现跨越式发展具有重要意义。

池州市体育馆项目总投资1.95亿元,占地面积150亩,建筑总面积3.027万平方米,建设高度32.8米。比赛场馆底座直径126米,馆内观众区直径84米,观众座位5000个。场馆按照国家有关体育馆建设标准和设计要求建造,功能齐全,是安徽省同类体育馆中功能最齐备的场馆之一,既可满足举办国际、国内单项体育比赛要求,亦可服务于群众文化娱乐休闲健身、大型综合文艺演出、集会和商贸展览。我国的佛教圣地“九华山”坐落在池州市,池州市体育馆的建筑设计充分体现了地方文化特色,建筑造型为九朵花瓣的“水中莲花”,周围映衬水景景观,宛如一朵含苞欲放的出水芙蓉,傲然独立于水中央,寓意江南水乡和莲花佛国,见图1

图1

池州市体育馆为我国第一个采用花瓣型梁和曲面网架相结合的大跨度异型钢结构(见图2),建筑造型新颖,结构独特,受力复杂,主要包括三部分:内部建筑为钢筋混凝土框架结构承重体系,外部建筑为花瓣型钢构和玻璃幕墙组成的钢壳体结构,屋盖为球型空间网架结构。钢结构工程的主体结构竖直投影为正圆形,最大直径126m

图2

钢结构施工是建筑施工的主要组成部分,具有很强的专业性,复杂钢结构的成型过程是通过制作、吊装、高空拼装、焊接等一系列技术与管理措施,使准结构逐渐集成并形成最终结构的过程。因此,对于钢结构施工技术的研究归纳起来就是对集中过程各个环节的研究和控制,并加以一些必要的辅助手段。

该工程基于现代钢结构施工新技术手段,按照大跨度异型钢结构屋盖施工工艺的划分,分别进行了花瓣型梁和曲面网架的设计、制作、安装、焊接、栓接、计算机动态控制、施工监测和质量检测等技术的研究与应用,形成了大跨度异型钢结构屋盖的制作关键技术、拼装关键技术、结构变形控制关键技术、施工监测技术等成套技术。为同类型复杂钢结构施工提供参考和科学依据。

1大跨度异型钢结构屋盖的制作关键技术:针对大跨度花瓣梁、曲形方管和空间网架构件制作的复杂程度,利用企业自主研发的焊接工艺及控制焊接变形技术、VSR消减残余应力技术、厚度窄坡口焊接工艺技术、建筑钢结构压力埋弧焊接技术等,成功攻克了曲型管构件、花瓣型梁和球型网架钢构件加工和制作等技术难题。

2大跨度异型钢结构屋盖的拼装关键技术:研究大跨度花瓣型梁的拼装技术,较好地解决了花瓣型梁和曲型环梁的吊装就位、花瓣方钢管空中焊接、花瓣梁成型安装精度控制等技术难题。研究了大跨度空间半球型网架的拼装技术,有效地解决了多支点网架的支座精确安装技术、网架螺栓球和焊接球节点的混装技术、球形网架变形控制和定位技术等技术难题。拼装精度和工程质量满足国家规范要求。

3大跨度异型钢结构屋盖的变形控制关键技术:针对由弧形花瓣梁和曲型方管组成的大跨度异型钢结构,以及由焊接球网架、螺栓球网架组合拼装的空间半球形网架结构的施工特点,提出合理的施工顺序和变形控制方法,综合考虑了各施工工序对结构变形和应力的影响,解决了弧形花瓣梁、半球形网架施工过程中构件变形的控制和安装精度的控制难题。

    4大跨度异型钢结构屋盖的施工监测技术:通过施工阶段的结构安全计算、施工控制技术、施工监测技术等时时监控手段,借住先进的监控设备和仪器,监测施工阶段大跨度异型钢结构花瓣型梁和网架的变形和应力,提供详实测试数据给施工单位,以便准确、合理地将大跨度异型钢结构花瓣型梁和网架构件与基础预埋件连接以及空中拼装。

、关键技术和创新点

工程项目组针对大跨度异型钢结构屋盖的施工技术进行了系统研究,提出了具有创新性的成套施工技术和创新点:

1提出了大跨度异型钢结构屋盖施工成套技术,针对由弧形花瓣梁和曲型方管组成的大跨度异型钢结构,以及由焊接球网架、螺栓球网架组合拼装的空间半球形网架结构的施工特点,提出合理的施工顺序和变形控制方法,综合考虑了各施工工序对结构变形和应力的影响,解决了弧形花瓣梁、半球形网架施工过程中构件变形的控制和安装精度的控制难题。

2研究了大跨度异型钢结构屋盖制作的成熟关键技术,成功攻克了曲型管构件、花瓣型梁和半球型网架钢构件加工和制作等技术难题。

3研究了大跨度异型钢结构屋盖的拼装技术,较好地解决了花瓣型钢梁和曲型环梁的吊装就位、花瓣方钢管空中焊接、花瓣成型安装精度控制等技术难题。

4研究了大跨度空间半球型网架的拼装技术,有效地解决了多支点网架的支座精确安装技术、网架螺栓球和焊接球节点的混装技术、球形网架变形控制和定位技术等技术难题。

5提出了大跨度异型钢结构屋盖的施工监控技术,包括施工阶段的结构安全计算、施工控制技术、施工监测技术等。

、成果与国内外已有同类先进技术全面对比情况

成果水平:   A   国际领先       B   国际先进

C   国内领先         D   国内先进

    1结构形式与国内外同类的比较

池州市体育馆是我国第一个采用花瓣梁和曲面网架相结合的大跨度异型钢结构,建筑新颖,结构复杂,主要包括:内部建筑为钢筋混凝土框架结构承重体系,外部建筑为花瓣梁和玻璃幕墙组成的钢壳体结构,屋面为半球型空间网架结构。主体钢结构竖直投影为正圆形,最大直径126m。目前国内外尚缺乏此类大跨度异型钢结构工程范例。

    2施工新技术与国内外同类的比较

1)提出了大跨度异型钢结构花瓣梁和曲面网架屋盖的制作成熟关键技术,成功攻克了曲型管构件、花瓣梁和球型网架钢构件加工和制作等技术难题,该制作方法在国内较少见。

2)模拟大跨度异型钢结构花瓣梁现场拼装全过程,实现施工临时支撑、结构、机械等协同工作,较好地解决了花瓣梁和曲型环梁的吊装就位、花瓣方钢管空中焊接、花瓣成型安装精度控制等技术难题,该方法在国内还未见有报道。结合本工程特点,用60T16T汽车起重机相结合对曲型花瓣梁吊装,最重钢架为3.5t;采用倒链配合方式进行吊装,一方面调整钢架安装位置,另一方面防止钢架扭曲变形。

3)安装精度控制是大跨度空间半球型网架施工控制的难点之一。该网架为球壳形圆弧网架,半径为41.55m,支承于圆周D线23.6m标高上,网架矢高5m,由焊接球节点和螺栓球节点组成。采用高空散装法安装工艺和特设支撑体系,有效地解决了多支点网架的支座精确安装技术、网架螺栓球和焊接球节点的混装技术、球形网架变形控制和定位技术等技术难题。该安装新技术应用较少见。

4)利用先进的施工监控技术和数值仿真模拟,对大跨度异型钢结构花瓣梁和曲面网架屋盖施工阶段的关键部位应力和变形, 进行时时监控。目前尚无此类结构的监控测试数据和经验。

、已应用、推广情况及推广前景

工程项目组进行了大跨度异型钢结构花瓣梁和曲面网架屋盖施工的系统研究,针对此类复杂钢结构的施工特点,提出了合理的施工顺序和变形控制方法,综合考虑了各施工工序对结构变形和应力的影响,解决了弧形花瓣梁、半球形网架施工过程中构件变形的控制和安装精度的控制难题。该研究可推广用于大跨度异型钢结构花瓣梁和曲面网架屋盖的施工控制。

提出了大跨度异型钢结构花瓣梁和曲面网架屋盖的制作成熟关键技术,包括曲型管构件、花瓣梁和球型网架钢构件加工和制作等关键技术,对类似的大跨度钢结构制作有推广价值。

提出了大跨度异型钢结构花瓣梁和曲型环梁的吊装就位、花瓣方钢管空中焊接、花瓣成型安装精度控制等关键技术,为类似的大跨度钢结构安装提供参考。

采用高空散装法安装工艺和特设支撑体系,有效地解决了多支点网架的支座精确安装技术、网架螺栓球和焊接球节点的混装技术、球形网架变形控制和定位技术等技术难题,为类似的大跨度空间网架结构的精确安装提供参考。

提出了大跨度异型钢结构花瓣梁和曲面网架屋盖的施工监控技术,对钢结构施工全过程进行监测,可推广于大跨度、大面积复杂空间钢结构中。这一系列创新性的施工技术提升了我国在大跨度复杂钢结构领域的施工技术水平,展现自主创新精神,并为今后同类工程提供技术储备。

、经济及社会效益情况

1经济效益:

通过优化加工、焊接、拼装工艺,优化连接构造,合理利用不同截面形状钢结构材料,节约工程造价35万元。通过施工方法优化,创新性采用合理的大跨度花瓣型钢构安装新技术,节约支撑系统用钢量35t,合计21万元。通过优化空间网架施工工艺,采用高空散装法安装工艺和特设支撑体系,有效地解决了多支点网架的支座安装精度、网架螺栓球和焊接球节点的混装精度、球形网架变形控制和定位精度,降低结构用钢量18t,合计10万元。同时,通过对结构的长效监测,确保施工质量和使用阶段的结构安全,可产生长期的经济效益。

对于业主和施工单位,本工程均有可观的经济效益。

2社会效益:

池州市体育馆是安徽省沿江城市带池州市重点文化项目,也是我国第一个采用花瓣梁和曲面网架相结合的大跨度异型钢结构,建筑新颖,结构复杂,为独特的混合钢结构体系。主体钢结构竖直投影为正圆形,最大直径126m,目前国内尚无此类新型钢结构。

采用先进的工艺和合理的控制方法,使国内第一个采用花瓣梁和曲面网架相结合的大跨度异型钢结构能够高效、安全的顺利完成,对此类新型大跨度钢结构施工全过程的研究和监控,为今后类似工程的实施提供了思路和参考的方法。