上海浦東足球場屋蓋鋼結(jié)構(gòu)安裝施工技術(shù)

張勝杰

上海市機(jī)械施工集團(tuán)有限公司 上海 200072

輪輻式張拉結(jié)構(gòu)自1988年第一次在西班牙薩拉戈薩斗牛場上運(yùn)用后，因其結(jié)構(gòu)輕巧、易實(shí)現(xiàn)大跨度、空間受力結(jié)構(gòu)效率高等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在國內(nèi)外頂級體育場的屋蓋結(jié)構(gòu)中。此結(jié)構(gòu)體系中承托屋蓋的徑向索錨固在外壓環(huán)上，外壓環(huán)類似于車輪，徑向索類似車輪的輻條和內(nèi)環(huán)連接形成自平衡，因此該結(jié)構(gòu)體系基本上應(yīng)用于圓形和類橢圓形的體育場[1-3]。

上海浦東足球場造型接近矩形，如果采用類橢圓形的外壓環(huán)輪輻式張拉結(jié)構(gòu)，會導(dǎo)致4個角部位置徑向拉力非常大，結(jié)構(gòu)難以實(shí)現(xiàn)。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計時首創(chuàng)了中置壓環(huán)張拉結(jié)構(gòu)體系，將輪輻式張拉結(jié)構(gòu)常規(guī)放置在外圈柱頂?shù)膲毫Νh(huán)向內(nèi)移動，形成橢圓形中置壓環(huán)。本文以此為背景，對全新中置壓環(huán)類橢圓形輪輻式索承網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的鋼結(jié)構(gòu)安裝方法進(jìn)行介紹。

1 工程概況

上海浦東足球場項(xiàng)目位于錦繡東路以南，規(guī)劃金滇路以東，金葵路以北，規(guī)劃金湘路以西。本專業(yè)足球場項(xiàng)目包括主足球場、商業(yè)設(shè)施以及各種達(dá)到國際先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)的配套設(shè)施，建成后將成為集競技、健身、商業(yè)、娛樂為一體的多功能、生態(tài)型體育中心。項(xiàng)目總建筑面積135 511 m2，其中地上部分建筑面積60 726 m2，地下部分建筑面積74 785 m2，固定座席數(shù)為33 765個。項(xiàng)目建成后，將成為滿足國際足聯(lián)A級比賽要求的專業(yè)足球場。

足球場屋蓋采用類橢圓形輪輻式索承網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)平面長軸211 m，短軸173 m，看臺罩棚短軸向懸挑長度為50.0 m，長軸向懸挑長度為48.3 m。屋蓋鋼結(jié)構(gòu)根據(jù)看臺的形式，形成了輕微的馬鞍形，高差為2.5 m，立面高度在24.5～26.9 m間變化。

2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

屋蓋鋼結(jié)構(gòu)采用全新中置壓環(huán)類橢圓形輪輻式索承網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，將常規(guī)放置在外圈柱頂?shù)膲毫Νh(huán)向內(nèi)移動，形成橢圓形中置壓環(huán)，能更好地適用于造型接近矩形的足球場。本結(jié)構(gòu)體系由中置壓環(huán)梁、46榀徑向梁與V撐組成的鋼結(jié)構(gòu)，與16根環(huán)向索、46根徑向索組成的索網(wǎng)相結(jié)合，配合圈梁、內(nèi)懸挑等次構(gòu)件，形成屋蓋整體，屬于半剛半柔結(jié)構(gòu)。屋蓋通過72根搖擺柱及24根BRB支撐與下部看臺連接，V撐上端分別連接壓環(huán)梁及徑向梁懸挑段，下端通過索夾節(jié)點(diǎn)與環(huán)向索、徑向索連接。與常規(guī)外壓環(huán)結(jié)構(gòu)不同，拉索的徑向拉力主要由內(nèi)壓環(huán)梁抵抗，而非由外壓環(huán)抵抗（圖1～圖3）。

圖1 屋蓋鋼結(jié)構(gòu)立面示意

圖2 屋蓋鋼結(jié)構(gòu)三維示意

圖3 屋蓋結(jié)構(gòu)體系示意（紅色為壓環(huán)，藍(lán)色為受拉環(huán)索）

構(gòu)件主要連接形式如下：V撐上、下端分別與壓環(huán)梁和索夾通過關(guān)節(jié)軸承單向鉸接，轉(zhuǎn)動方向是沿徑向的；徑向索的索頭與兩端節(jié)點(diǎn)為單向鉸接；外側(cè)柱頂圈梁與搖擺柱頂通過關(guān)節(jié)軸承鉸接；搖擺柱柱底采用球鉸支座做固定鉸接；BRB兩端通過關(guān)節(jié)軸承分別與搖擺柱及柱頂圈梁鉸接連接。

輪輻式張拉結(jié)構(gòu)是一種柔性結(jié)構(gòu)，其內(nèi)力和位形有著密切的關(guān)系。內(nèi)力的變化將牽動位形的變化，同樣位形的變化也會帶來內(nèi)力的變化。這種“力”與“形”密不可分的關(guān)系，以及本張拉結(jié)構(gòu)采用定尺定長的設(shè)計方法（拉索不設(shè)調(diào)節(jié)余量），對構(gòu)件現(xiàn)場安裝誤差的控制有著極高的要求。

3 總體施工技術(shù)路線

根據(jù)中置張拉壓環(huán)體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)——與常規(guī)輪輻式張拉體系最大的不同是中置壓環(huán)（1.5 m×1.5 m箱形截面）和徑向梁（1.4 m×0.7 m箱形截面），以及相應(yīng)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造安裝精度要求高、施工工藝等因素，采用支架支撐，徑向梁、壓環(huán)梁組合構(gòu)件地面拼裝，整體空中吊裝就位的方法進(jìn)行安裝。徑向梁和中壓環(huán)組成的T形構(gòu)件安裝時結(jié)構(gòu)未成體系，均需擱置在臨時支撐上，方可確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。單榀組合構(gòu)件采用三點(diǎn)擱置，壓環(huán)梁兩端擱置于豎向控制支架上端，徑向梁末端擱置于型鋼支撐上。臨時支撐如圖4所示。

圖4 臨時支撐立面示意

具體施工順序如下：安裝搖擺柱（包括柱底球鉸支座及柱頂關(guān)節(jié)軸承）及徑向梁兩端臨時支撐；徑向梁、壓環(huán)梁T字形組合構(gòu)件現(xiàn)場拼裝；T字形組合構(gòu)件吊裝，三點(diǎn)擱置在臨時支撐上（場外搖擺柱一點(diǎn)及場心壓環(huán)兩點(diǎn)）；補(bǔ)缺兩組合構(gòu)件節(jié)間柱頂圈梁及環(huán)向次構(gòu)件，形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)體系；按上述流程，由橢圓長邊，順時針、逆時針開兩條線，實(shí)現(xiàn)屋蓋鋼結(jié)構(gòu)合攏；卸載搖擺柱側(cè)臨時支撐，將搖擺柱與徑向梁焊接終固。

4 構(gòu)件分段

屋蓋鋼結(jié)構(gòu)徑向梁（1.4 m×0.7 m箱形截面）間中置壓環(huán)（1.5 m×1.5 m箱形截面）均采用法蘭螺栓連接?？紤]到壓環(huán)梁的軸壓受力及安裝精度要求高（中置壓環(huán)每段構(gòu)件長度偏差小于±3 mm，所有因素疊加所產(chǎn)生的綜合誤差不超過±10 mm），故構(gòu)件分段采用徑向梁與壓環(huán)梁組合成為T字形構(gòu)件，采用此分段方法可避免徑向梁與壓環(huán)梁對接處在高空焊接，減小焊接收縮對安裝精度的影響，同時可控制分別位于徑向梁兩端的銷孔節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，確保預(yù)留拉索長度滿足要求。

T字形組合構(gòu)件共46榀，構(gòu)件跨度范圍25.3～41.8 m，寬度范圍8.2～11.3 m，構(gòu)件質(zhì)量范圍52.52～68.47 t，分段形式如圖5所示。

圖5 T字形組合構(gòu)件分段示意

5 胎架拼裝

5.1 胎架布置

綜合考慮構(gòu)件運(yùn)輸情況及安裝精度，組合構(gòu)件分3段（徑向梁2段）運(yùn)輸至現(xiàn)場后進(jìn)行擴(kuò)大組拼，在地面胎架上實(shí)現(xiàn)巨型構(gòu)件的定位、焊接，驗(yàn)收合格后，再將組合構(gòu)件整體吊運(yùn)至設(shè)計位置。施工現(xiàn)場根據(jù)安裝進(jìn)度共設(shè)置6～8幅拼裝胎架。

單幅胎架共設(shè)置6組胎架支撐（圖6），胎架支撐布置在壓環(huán)梁兩端、徑向梁兩端及分段對接處，單組胎架支撐由基座、立桿、斜拋撐、橫梁及擱置板組成（圖7）：基座底板采用路基箱制作，并使用膨脹螺栓與地面固定，保證胎架平整度及承載力要求；立桿設(shè)置斜拋撐確保胎架側(cè)向穩(wěn)定。構(gòu)件分段駁運(yùn)至胎架后與擱置板焊接固定，進(jìn)行對接拼裝。

圖6 胎架布置平面

圖7 大跨度組合鋼構(gòu)件的現(xiàn)場拼裝胎架立面

5.2 精度控制

每榀T字形組合構(gòu)件由3段構(gòu)件在現(xiàn)場胎架上焊接而成，是所有主要受力構(gòu)件中唯一涉及現(xiàn)場焊接的。首先將空中安裝狀態(tài)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成為地面胎架坐標(biāo)，胎架拼裝時采用關(guān)鍵控制點(diǎn)坐標(biāo)，坐標(biāo)允許偏差±3 mm。

5.3 溫度應(yīng)力控制控制

溫度變形公式為：ΔL=α×L×Δt。式中，ΔL為溫度變形，α為溫度變形系數(shù)，鋼結(jié)構(gòu)取12×10－6，L為銷孔距離，Δt為溫度差。根據(jù)計算，室外實(shí)際溫度為5 ℃時，銷孔理論距離L將減小3.6～6.2 mm。施工現(xiàn)場拼裝時每天實(shí)測溫度，計算銷孔距離，對中耳板進(jìn)行定位。

5.4 胎架預(yù)卸載

除了控制徑向梁總長外，徑向兩端分別與徑向索和V撐外肢相連的銷孔距離是構(gòu)件胎架拼裝時控制的重點(diǎn)（圖8）。徑向索端部耳板插入徑向梁下翼緣，在加工廠就焊接完成。而徑向梁內(nèi)側(cè)的中耳板為現(xiàn)場焊接，這是最后的調(diào)節(jié)手段。現(xiàn)場在6個胎架支撐上把3段構(gòu)件拼接焊接完成并形成單榀構(gòu)件之后，拆除中部的胎架支撐3、4、5（圖8）。通過對單榀構(gòu)件進(jìn)行地面胎架上第1次卸載（圖9），模擬在空中安裝三點(diǎn)支撐的工況。待變形穩(wěn)定，再焊接中耳板。

圖8 銷孔距離控制示意

圖9 現(xiàn)場胎架預(yù)卸載示意

6 鋼結(jié)構(gòu)安裝

6.1 吊裝方法

對單榀徑向梁、壓環(huán)梁T字形組合構(gòu)件進(jìn)行吊裝工況分析后，發(fā)現(xiàn)構(gòu)件重心位置并不在徑向梁中心位置，存在偏心情況（圖10）。若采用傳統(tǒng)的多點(diǎn)吊裝吊索具配置，構(gòu)件平衡難度及安全風(fēng)險高，且在焊接吊耳處會產(chǎn)生較大的應(yīng)力及局部變形，對軸心受壓形式的壓環(huán)梁安裝會產(chǎn)生較大的安全隱患及安裝誤差問題。

圖10 T字形組合鋼構(gòu)件重心位置示意

施工現(xiàn)場決定采用如下吊索具配置：徑向梁上設(shè)置4個吊點(diǎn)，使用2根鋼絲繩單根串通，壓環(huán)梁左右各設(shè)置1個吊點(diǎn)，使用2根鋼絲繩配置機(jī)械滑車，用以調(diào)平偏心組合構(gòu)件，保證組合構(gòu)件吊裝過程中的穩(wěn)定安全及安裝精度（圖11、圖12）。

圖11 T字形組合鋼構(gòu)件吊索具

圖12 T字形組合鋼構(gòu)件吊裝

通過對T字形組合構(gòu)件吊裝有限元分析，吊耳節(jié)點(diǎn)域附近板件的最大應(yīng)力僅為161 MPa，因此對此徑向梁無需增設(shè)任何補(bǔ)強(qiáng)板件即可滿足強(qiáng)度要求。

6.2 精度調(diào)節(jié)

屋蓋現(xiàn)場安裝精度均通過關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)控制：坐標(biāo)允許偏差±5 mm，徑向梁兩銷孔允許偏差±10 mm。屋蓋臨時支撐設(shè)置完成后，T字形組合構(gòu)件就位，在前后支撐上進(jìn)行精調(diào)（圖13），再進(jìn)行圈梁補(bǔ)缺，最后形成屋蓋整體結(jié)構(gòu)（圖14）。

圖13 前后支撐精調(diào)

圖14 圈梁補(bǔ)缺、形成整體

7 結(jié)語

此次上海浦東足球場屋蓋采用了國際首創(chuàng)的中置壓環(huán)輪輻式張拉結(jié)構(gòu)體系，對施工方法及安裝精度都提出了很高的要求。目前，工程已順利安裝完成。