超大体量转换桁架层成套综合施工技术

国家会议中心二期项目地上3层，结构转换层（标高20.000?m）以下（首层）为钢管混凝框架–组合抗震墙结构体系，结构转换层以上（2层及以上）为钢管混凝土框架–支撑结构体系，局部大跨度屋面采用平面桁架和索承网壳结构体系。主要屋顶高度为44.85?m（局部出屋顶高度为51.78?m），总建筑面积40.9万㎡，总用钢量达12万t。

国家会议中心二期项目是2022年冬奥场馆中开工最晚、体量最大、任务最重的工程，根据工期安排，转换桁架工期仅2个月。该工程地上首层（标高±0.000~20.000?m）为转换桁架层，分南北两区，为大空间会议厅及会展厅，其中会议厅为面积72?m×108?m的无柱大空间，会展厅为面积81?m×120?m及81?m×114?m的2个无柱大空间。

转换层桁架为大跨度矩形钢桁架，在标高12.050~19.750?m位置的桁架高7.7?m，最大构件截面为□1?500×1?200×80×80，最强材质为Q390GJC，单榀主桁架最重约800?t。会议区层跨度方向有9榀主桁架，长度方向设3榀次桁架，总量约9?000?t，上部标高20.000~30.000?m的结构（含楼板）重约4?600?t；展览区转换桁架层平面尺寸为81?m×234?m，跨度方向有18榀主桁架，长度方向设置3榀次桁架，总量约1.6万t，上部标高20.000~30.000?m的结构（含楼板）重约1.2万t（图1、图2）。会议厅及展览厅结构均采用多点支撑＋高空原位安装。

图1??主要空间布置示意

图2??会议厅转换桁架示意

1??转换桁架施工重点及难点

（1）钢结构工程体量巨大，焊接工程量大，工期要求紧。

（2）边设计边施工，深化设计量大且结构体系竖向多变，构件和节点构造复杂，深化设计和结构设计几乎同步进行。

（3）需合理选用施工方法和重型机械设备。

（4）巨型转换桁架承受上部结构，其刚度、自重及支撑上部荷载大，须减小桁架对端部支撑结构的影响，特别是上部荷载引起附加弯矩的影响。

2　转换桁架安装

2.1　施工方案

经综合考虑整体工期、安全性、经济性及施工质量可控性等因素，选取2套最优方案，通过多轮论证比选，放弃了地面拼装＋整体提升的方案，采用塔式起重机高空原位安装＋汽车式起重机配合吊装的方案。方案确定后，根据现场情况逐步优化原位安装支撑体系及桁架分段，形成最终方案。

2.2　施工方法

2.2.1　转换桁架分段

根据桁架结构特点、起重机起重量及施工顺序对桁架层进行分段划分（图3）。主桁架下弦分段距节点2.0?m，分段最长约13?m，最重分段重约22.97?t；主桁架上弦分段距节点1.5?m，分段最长约12?m，最重分段重约28.21?t；腹杆分段最重约7.0?t。

图3?转换层主桁架分段示意

2.2.2　转换桁架支撑体系

支撑体系采用 ? 609×16轨道支撑，位于地下混凝土柱顶位置，共63个支撑点。混凝土柱顶预埋1?100?mm×1?100?mm×20?mm钢板，支撑体系与钢板焊接固定并沿主桁架方向设H400×400×13×21通长钢梁以增强整体稳定，横向采用 ? 219×10钢管拉结（图4）。

图4　支撑架轴测示意

2.2.3　转换桁架起拱

根据设计要求，大跨度桁架安装过程中主桁架需起拱，最大起拱值为65?mm；通过Midas软件对桁架卸载与标高20.000~30.000?m层结构施工完成后的状况进行模拟验算，挠度值分别为27?mm与40?mm。

2.2.4　转换桁架安装

（1）转换桁架原位安装：采用塔式起重机安装主构件+汽车式起重机械安装次构件的组合安装方式。

（2）转换桁架施工时选择现场6台塔式起重机进行吊装及转料，其中1号、3号起重机型号为STT2200，最大回转长度72?m；2号起重机型号为S1200，最大回转长度70?m；7号、9号起重机型号为D1100，最大回转长度分别为50?m和60?m；8号起重机型号为D2500，最大回转长度80?m。

（3）采用4台50?t汽车式起重机配合吊装支撑体系工装及桁架次杆件，以减少塔式起重机吊次以免影响主桁架施工进度，加快整个桁架层施工速度 （图5）。

图5　汽车式起重机械辅助吊装

（4）施工流程为：安装中部两轴线桁架下弦（以两榀为一个单元从中间向两侧进行），连接桁架之间的横向连系杆件及次桁架下弦→安装上下弦直腹杆→安装桁架上弦，安装两榀桁架上弦间的连接钢梁→安装上下弦之间的斜腹杆，之后从中部2个轴线依次向两侧安装钢桁架，直至全部安装完成（图6）。随钢结构安装逐步进行焊接后浇筑桁架层混凝土。待混凝土达到设计强度置换液压顶升油缸进行卸载，最后拆除桁架下方的临时支撑架。

图6 　转换桁架安装

2.2.5　转换桁架卸载

转换桁架的卸载需待标高19.900?m桁架层楼板混凝土浇筑完成并达到设计强度后进行，使该层混凝土楼板参与桁架层整体受力。

在桁架层四周端部支撑位置设置后浇带，后浇带宽度为800?mm，标高19.900?m桁架层卸载时不浇筑，待标高30.000?m框架结构及混凝土楼板浇筑完成后再进行封闭。

根据卸载前支撑架的反力计算，最大支撑反力为1?255?kN，采用35台超高压顶升油缸进行同步卸载。转换桁架卸载支撑点布置如图7所示，卸载顺序 如下。

图7 　转换桁架支撑点布置

（1）图7中阴影区域28个支撑点由中间向角部顺序切除，其余35个支撑点置换液压顶升油缸并逐级加载达到支撑点计算反力值。

（2）35个顶升油缸支撑点由中间向四周切除，转换桁架层由35个顶升油缸支撑承载。

（3）35个顶升油缸经总控制柜进行自动同步卸载，分5次逐级卸载，每次卸除顶升油缸竖向力的20%，每级时间间隔2?h用于对结构进行观测。

（4）全部卸载完成后静置24?h，经验收合格后撤除顶升油缸。

3　施工监测

针对本工程的结构特点及所用施工方法，大跨度转换桁架结构采用目前最先进的智能监测系统开展施工阶段精度监测。

监测内容包括钢结构桁架关键构件应力、钢柱应力、临时支撑应力（振弦式应变计+自动采集系统+定制软件）。

在转换桁架主次桁架布设应力监测点24个，桁架跨中布设变形监测点3个，基准点1个，钢柱布设应力监测点10个，临时支撑柱监测点12个。

3.1　主次桁架转换位置应力及变形监测

会议厅主次桁架跨度达72?m，需选取主次转换桁架应力及变形较大的弦杆和腹杆进行应力监测，共布置应力监测点24个、变形监测点3个，再加1个位移基准点，具体位置如图8所示。

（b）

（c）

（d）

（e）

图8　转换层桁架监测点布置示意

（a）监测桁架三维图；（b）监测次桁架1（轴）； （c）监测主桁架2（1/轴）；（d）监测主桁架3 （轴）；（e）监测桁架4（轴）

3.2　桁架钢柱及临时支撑柱应力监测

会议厅主次桁架梁柱连接为刚接节点，转换桁架安装与卸载过程中需监测钢柱5根，考虑偏心荷载作用，每根柱需在受弯方向对面设2个监测点，共设10个应力传感器。 

根据结构易损性分析临时支撑应力监测选取跨中及边跨受力较大的6根临时支撑柱（图9），在每根临时支撑柱上设2个传感器。

图9　转换桁架临时支撑柱应力监测点位置

会议厅主次桁架转换层结构关键应力采用振弦式应变计进行数据采集，固定方式为焊接；桁架位移采用静力水准仪进行数据采集，固定方式为焊接。

振弦式应变计和静力水准仪采用带有4G传输的解调仪进行数据采集和传输，云平台自动接收数据、分析和展示。

系统在卸载前2?d完成建设与调试。卸载当日以每10?min采集1次的频率进行数据采集和分析。 

卸载过程中，转换层主次桁架的应力实测值 表明。

（1）所有监测数据均真实有效地反映了转换层主次桁架实际竖向卸载过程中杆件的应力变化。

（2）根据前期水平支撑卸载监测结果已将部分数据异常的监测仪器进行更换或修复，故竖向卸载过程中系统运行平稳，未发生数据大规模异常，测点数据均正常。数据均已存储于本项目监测云平台内，可随时查询和导出，用于卸载情况分析。该阶段监测系统工作正常，不影响后续施工。

（3）分析各阶段的测试数据可知，在卸载进行的小步骤内监测数据均有随卸载步骤变动的趋势，卸载完成后施工停歇期数据平稳，与施工过程对结构的影响变化规律相符。从定性分析角度表明卸载过程是可控的，例如测点B-YG-C1-4在上午9∶00顶升油缸开始第一次同步卸载开始时应力变化为10?MPa左右；10∶20顶升油缸开始第二次同步卸载时应力变化为2?MPa左右；12∶43顶升油缸开始第三次同步卸载时应力变化为2?MPa左右；14∶02顶升油缸开始第四次同步卸载时应力变化为2?MPa左右；16∶05顶升油缸开始最后一次同步卸载，其应力值稳定在19?MPa与模拟值完全吻合，说明监测系统可准确获取卸载过程转换层桁架受力变化状态。

卸载过程中，转换层主次桁架下挠实测结果 表明。

采用上述，技术进行整体控制，转换桁架整体安装指标满足设计及规范要求，达到了较好的预期要求，主要控制指标挠度值的最大偏差为+5?mm，即实际卸载下挠值与该阶段卸载设计计算挠度值仅相差5?mm，且普遍为正偏差，对上部结构及最终建筑装修施工都有良好的承载作用。

定性和定量分析数据均表明北区转换层桁架钢结构卸载过程中大部分传感器实测值与数值模拟值有较好的吻合度，验证了有限元模型的正确性，未出现明显异常，说明卸载过程可控。