１ 工程概况

伊金霍洛旗全民健身体育活动中心体育馆位于内蒙古鄂尔多斯市伊金霍洛旗体育公园内，工程地下１层、地上３层，总建筑面积37000ｍ^２，高30ｍ，主要功能为综合比赛馆、游泳馆、羽毛球馆等多种体育活动训练用房，如图１所示。

主体结构设４个钢支撑核心筒，１层楼面为跨度37.75m的张弦钢桁架结构，２层以上从核心筒沿径向向外设置大悬挑转换桁架支撑地上2、3层楼面，通过外立面斜交钢网格结构与上部屋面悬挑结构形成整体，内部为跨度71m的大空间穹顶索膜结构。整个结构包含内部钢框架支撑体系、外侧的大悬挑转换结构、楼面的大跨度张弦结构及屋顶的柔性索膜结构，结构形式多样、复杂，如图２所示。

２ 施工重点难点

２.１ 大悬挑转换桁架支撑体系的设计

悬挑转换桁架悬挑长度16~43.2m，质量达到143t。现场安装支撑方案的选择、支撑位置的确定对结构受力影响较大，须合理布置、设计临时支撑。

２.２ 结构的整体落架（拆除施工临时支撑）

通过拆除施工支撑，结构从悬挑转换桁架安装时的临时支撑体系施工受力状态逐渐转化为设计受力状态，需反复计算比较落架过程中结构的承载力、变形量，选择安全、合理经济的落架方法。

２.３ 恶劣气候条件下的高强钢厚板焊接工程

钢材材质为Ｑ235-B、Ｑ345-B、Ｑ345-GJC、Ｑ420-GJD，最大板厚85mm。焊接施工时，在鄂尔多斯高原低温、风沙大的不利气候环境下，特殊材质厚钢板焊接质量控制难度较大。

２.４ 设计－施工一体化研究方案的确定及实施

施工过程对结构最终成型影响较大，通过对结构进行施工全过程跟踪分析，改变关键杆件的施工顺序来实现减小其施工附加应力，找出关键杆件合理的安装顺序是工程实施的重点。

２.５ 索膜穹顶施工

中心屋顶为索膜穹顶柔性结构，是目前国内跨度最大的空间索穹顶结构，跨度71m，矢高6m。结构施工方案的确定是本工程重点。

３ 施工总体思路

１）利用布置在两钢支撑核心筒之间的２台塔吊对地下室钢柱、钢梁、柱间支撑及张弦梁、地上钢柱、钢梁及索膜穹顶进行吊装，塔吊型号为C7052及ST553，塔吊位置如图３所示。

２）楼面张弦桁架分两段拼装，高空对接、穿索及张拉。

３）悬挑转换桁架利用临时支撑架，外侧拼装，300t履带吊整榀吊装。

４）立面网格采用地面拼装，外侧采用200t履带吊分片吊装。

５）中心索膜穹顶采用地面拼装压力环并放索、整体提升的施工方案。

６）结构整体完成后，采用砂箱装置对结构按等比例原则拆除施工临时支撑架。

４ 施工关键技术

４.１ 楼面张弦桁架的施工

楼面张弦桁架位于结构核心区，桁架顶标高为-0.5m，桁架分两段在地面拼装，先从底部开始在张弦梁下方设置一个临时支撑（钢管Φ1000x16），而后利用塔吊分段吊装，高空对接，张弦梁安装就位后再进行拉索安装，逐榀张拉。

拉索采用3t卷扬机在桁架的另一端进行牵引放索，利用设在桁架两端的索体牵引装置，将已安装索夹的索牵引提起，将索头引入张拉支座的铸钢节点，旋上索端部螺母临时固定，如图４所示。

索的张拉按照节点位移与应力双控的原则进行，即不仅保证结构中建立有效的设计预应力值，又要确保控制节点达到设计预定位置。拉索在张弦桁架安装完成后张拉到位；全部结构张拉完成后再对部分索体内的预应力进行个别调整。张拉采用分级张拉程序：0→0.3σ_con→0.65σ_con→1.0σ_con（σ_con为最终张拉力值）→锚固。

４.２ 施工临时支撑体系的设计

支撑架布置在悬挑桁架下方，共设置20个临时支撑架（图５ａ），４个角部悬挑桁架最大悬挑43m，若将支撑布置于桁架端部，桁架跨中将会有较大位移。在选择支撑点位置时，先选择支撑点位置的具体方案，按悬挑端、跨中、距端部１/３位置进行模拟分析，从悬挑桁架结构的竖向位移、支撑架的变形、应力比等各方面进行对比，最终确定支撑架布置在距端部１/３处，如图５所示。

支撑架采用格构柱形式，横截面尺寸为2mx2m，立柱采用规格为HW250x250x10x12热轧Ｈ型钢，腹杆采用∠100x8角钢，顶部采用HW300x300x10x15热轧Ｈ型钢横杆及斜撑加强，杆件材质Ｑ235-B。基础采用混凝土承台，平面尺寸3.4mx3m，高度0.8m，上预埋４块-20mmx300mmx300mm钢板，支撑架与基础通过焊接连接，如图６所示。

支撑架验算时，综合考虑结构支撑阶段到落架阶段的受力情况，得出最大竖向力，利用结构计算软件MIDAS进行分析，支撑在自重作用下最大应力比为0.507，在安全范围之内。

４.３ 悬挑转换桁架的吊装技术

悬挑转换桁架位于结构外围，安装高度10.5m，内部结构施工完成后，桁架地面拼装，同时设置临时支撑架，采用300t履带吊36m主臂工况吊装。悬挑桁架一端与钢柱牛腿连接，用定位卡板进行临时固定，另一端搁置在临时支撑上，如图７所示。

桁架采用４点吊装，在桁架上弦顶面焊接吊耳，吊耳厚度δ＝30mm（材质Ｑ345-B），钢板与桁架在顶面焊接，如图８所示。

４.４ 中心索膜穹顶的施工

中心索膜穹顶构造由斜索、环索、脊索、谷索、分叉索、膜面支撑索、撑杆、拉力环组成索系。膜单元分内外两层，中间夹保温材料，张拉于脊索和谷索间。索膜结构体系呈正圆曲壳形，直径71m，矢高6m，索膜结构单层展开面积 4075m²，如图9所示。 

根据穹顶施工的计算机动态模拟，采用地面组装、整体提升、外脊索、外斜索、谷索分步安装法，具体步骤为：测量放线→索系地面组装→索系整体提升→索系安装→膜面支撑索与膜单元同步安装，如图10所示。

４.５ 结构焊接技术

在焊接时，以平面为基准，分设４个焊接区和４个焊接合龙口，每个焊接施工区域布置２个焊接施工班组，以圆心为对称点进行焊接，如图11所示。

现场焊接时，采取整体与局部结合的防风措施，整个焊接区域采用防风布围护，局部在焊缝周围设防风装置；为了提高焊接质量，选派有高强钢焊接经验的焊工，先进行低温、大风条件下焊接的培训，再进行焊接工艺评定。焊接时采用电加热法进行焊前预热，焊后保温等措施，防止焊接裂纹的产生。同时对特殊部位的 Q420高强钢对接采用焊接机器人进行焊接，以提高焊接质量。

4．6 结构整体落架技术

落架原则：以结构计算分析为依据、以结构安全为宗旨、以变形谐调为核心、以实时监控为手段，做到同步落架、变形协调、分级循环。

为了较精确地模拟施工实际状态，落架总位移计算考虑支撑架自身压缩变形的影响，落架总位移一落架后竖向位移一落架前竖向位移。通过计算分析，得出20个落架点落架总位移在 25.11～49.29mm之间。采用等比例同步分级落架，分 4步进行，每步落架量为 6～12mm。为方便施工，最后支撑落架量统一取 12，8.5，6mm三个数值标准，最后一步落架量为完全拆除支撑，完成结构落架。

从安全、实用、经济的角度，工程选择砂箱方珐进行结构落架，在每个支撑架顶部设置砂箱，落架时同时开启砂漏泄砂，保证落架同步性，将悬挑桁架下降至指定高度，砂箱采用规格Φ500×20的钢管做外层，内部压缩段采用规格Φ400×22无缝钢管，漏砂闸门采用 16mm钢板制作，钢材材质Q345-B，如图12所示。

砂箱内灌砂采用中砂，其粒径大于 0.25mm的颗粒含量应超过全质量的60，最大粒径不得超过 0.5mm，砂箱在钢构加工厂内制作，然后用 300t油压机进行预压试验，落架时严格控制泄砂流量，实时监测结构下挠变形值。

为了确保落架对称、同步、协调进行，落架前应对工人进行落架过程模拟培训工作，严格按落架要求进行操作，初始落架时，先同时开启砂漏 20mm，观测10s，再全部关闭砂漏；先进行观测，再根据观测结果，进行下一步落架。落架开启砂漏时，根据不同的落架值，用专用容器量取漏砂量。漏砂容器采用内径 150mm圆桶，圆桶高度根据不同点下沉量确定，确保落架下沉量。12，8.5，6mm的漏砂量分别为 1.99，1.413，0.997cm³。，圆桶高度分别为 113， 80，56mm，每一级落架将圆桶装满后即关闭砂漏进行观测，完成一级落架。

4.7 设计-施工一体化技术

在 20榀悬挑转换桁架中，有 8榀桁架(STR-3)直接悬挑在钢柱上，与内环柱网无对应连接，经计算与桁架相连柱最大弯矩值达到 59890kN·m，应力非常集中，成为整个结构最薄弱部位。同时临时支撑拆除过程会引起结构内力重分布，整个结构部分构件的内力会比支撑拆除前有不同程度增加。

根据施工方案，施工前对结构施工过程进行仿真模拟分析，计算机仿真分析根据施工方案分为三个阶段，每阶段又分为若干步骤。其中第一阶段分为 7个步骤，第二阶段分为 5个步骤，第三阶段分为2个步骤，施工阶段荷载取结构自重及楼板自重。

模拟分析的主要内容为：落架过程中构件内力变化、后装构件的安装时机对结构受力的影响及最佳安装时机、不同后装时机对后装构件本身内力的影响、不同后装时机对其他关键杆件内力影响、杆件后装对结构竖向位移的影响及结构整体安全性的评价等。

根据计算模拟分析，调整施工及落架顺序，采取局部杆件后装的方法，使得 STR-3桁架柱端弯矩由顺序安装下的59890kN·m减到 49266kN·m，减小了10624kN·m，减小幅度达17.7%；其应力由 191MPa降至 164MPa，减小了27MPa，减幅达14.1%。且其余杆件内力变化不大，内力增幅在3～8.9之间，整体结构应力比控制在0.62以下，结构处于安全控制范围之内，提高了部分构件及整体结构的安全储备。

５ 钢结构施工效果分析

伊金霍洛旗全民健身体育活动中心体育馆工程结构体系复杂多样，施工难度大，施工过程中，采取了多种安全、经济、实用的措施，如工程中采用砂箱整体落架，落架过程可控且可靠；内力转换平稳，避免了大型液压千斤顶的施工，节约了施工成本120万元；通过采用设计－施工一体化技术，结构成型后应力下降幅度达17.7%，为工程的顺利实施提供了很大帮助。在工程中使用的相应措施、技术及操作方法可供类似工程借鉴。