王自偉,冀 智,高樹棟,朱富力,龐少波,劉宇棟,馬偉國,周雷蕾
(1.北京城建集團(tuán)有限責(zé)任公司,北京 100088; 2.中國礦業(yè)大學(xué),北京 100083)
國家速滑館位于北京市朝陽區(qū)奧林匹克公園西側(cè),國家網(wǎng)球中心南側(cè),總建筑面積8萬m2,是北京2022年冬奧會的標(biāo)志性場館。冬奧會期間,國家速滑館將承擔(dān)速度滑冰項(xiàng)目的比賽和訓(xùn)練。冬奧會后,該場館既可繼續(xù)承辦大型冰上比賽項(xiàng)目,又可成為市民冰上運(yùn)動場所和集社會服務(wù)功能、企業(yè)運(yùn)營為一體的運(yùn)動健身場館。外觀效果如圖1所示。
圖1 國家速滑館效果
支座是連接上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)的重要構(gòu)件,可將上部結(jié)構(gòu)的力傳遞至下部結(jié)構(gòu),協(xié)調(diào)或釋放上部結(jié)構(gòu)變形。建筑工程中的球鉸支座來源于橋梁工程的橋梁支座,由于施工、溫度、荷載變化等因素使支座及下部結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)角及位移的改變,球鉸支座可有效防止下部結(jié)構(gòu)有害應(yīng)力的產(chǎn)生,從而提升工程質(zhì)量。國家速滑館主體結(jié)構(gòu)為現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),屋蓋為大跨度馬鞍形雙向單層正交索網(wǎng),支承于周圈鋼結(jié)構(gòu)環(huán)桁架上,環(huán)桁架與混凝土柱之間采用成品固定球鉸支座連接。整體結(jié)構(gòu)三維效果如圖2所示。
圖2 整體結(jié)構(gòu)三維效果
速滑館鋼結(jié)構(gòu)環(huán)桁架重達(dá)8 500t,為橢圓形的馬鞍形雙曲面結(jié)構(gòu),在加工與施工過程中易出現(xiàn)一定的偏差,產(chǎn)生一部分變形。此外,速滑館柔性屋面結(jié)構(gòu)施工是國內(nèi)首個大噸位、大面積的超大跨度單層正交索網(wǎng)同步張拉工程,大跨度馬鞍形索網(wǎng)結(jié)構(gòu)屋蓋東西向跨度為124m,南北向跨度為198m,標(biāo)高為15.800~33.800m,索體總長20 410m, 重達(dá)968t。目前無成熟的工程施工經(jīng)驗(yàn)可借鑒,施工難度大,在索網(wǎng)張拉過程中不可避免地會產(chǎn)生一定的位移偏差。索網(wǎng)上鋪設(shè)的屋面板重達(dá)1 000t, 進(jìn)行屋面板施工時,若不及時采取措施,施工前后荷載的變化會使索網(wǎng)結(jié)構(gòu)、環(huán)桁架產(chǎn)成一定的變形。上述施工過程很可能使環(huán)桁架產(chǎn)生過大變形,若直接將環(huán)桁架、球鉸支座、混凝土柱連接固定在一起,所有變形均會進(jìn)一步傳遞至主體結(jié)構(gòu),可能會對混凝土柱造成損害,嚴(yán)重影響工程質(zhì)量。故在球鉸支座施工時,需充分考慮環(huán)桁架結(jié)構(gòu)所受荷載和變形,在屋面變形釋放完成后,再焊牢支座,鎖定環(huán)桁架。屋面結(jié)構(gòu)變形控制主要有環(huán)桁架自身制造及安裝過程中產(chǎn)生的變形及索網(wǎng)張拉和屋面荷載造成的變形。
在國家速滑館屋面結(jié)構(gòu)中,環(huán)桁架為主要承重構(gòu)件,其位移也直接影響到下部支座安裝坐標(biāo)的確定,故保證環(huán)桁架加工及施工過程精準(zhǔn)度是工程重點(diǎn)。在鋼桁架加工過程中,環(huán)桁架大口徑鋼管筒體采用專用鋼管數(shù)控卷板機(jī)加工成型,將鋼板先卷制成若干個鋼管小節(jié)段,然后接長焊接至10m左右,最后進(jìn)行內(nèi)部加勁板焊接,筒體采用自動焊接或用自動焊接胎架在滾輪胎架上進(jìn)行埋弧焊接,筒體內(nèi)外側(cè)縱向和環(huán)向焊縫均采用自動埋弧焊,并采取措施對外側(cè)焊縫余高進(jìn)行控制,使焊縫余高≤2mm。桁架弦桿分節(jié)對接,端面機(jī)加工采用機(jī)械動力裝置進(jìn)行端面端銑加工,通過對分段端面機(jī)進(jìn)行加工,使分節(jié)兩端面保持平行且與弦桿軸心線相互垂直,同時精確控制分段長度,在環(huán)桁架加工過程中最大限度地保證了加工精度。
施工過程中,環(huán)桁架采取“南北區(qū)吊裝+東西區(qū)滑移”的施工總體安裝方案。環(huán)桁架施工區(qū)域劃分如圖3所示?,F(xiàn)場安裝作業(yè)按構(gòu)件類型嚴(yán)格實(shí)行三級檢驗(yàn)制度,上道工序不合格不得進(jìn)行下道工序的施工。構(gòu)件組裝時應(yīng)確保零件厚度和外形尺寸已檢驗(yàn)合格,在拼裝平臺上畫出定位基準(zhǔn)線并采用全站儀進(jìn)行檢測。拼裝過程中應(yīng)對桿件及節(jié)點(diǎn)定位精度進(jìn)行復(fù)測。拼裝完成后,對桿件及節(jié)點(diǎn)進(jìn)行整體檢測,保證整體拼裝精度,節(jié)點(diǎn)中心偏差≤3mm,桿件中心與節(jié)點(diǎn)中心偏移≤3mm,桁架對角線長度偏差≤20mm,桁架節(jié)點(diǎn)處桿件軸線錯位≤3mm。環(huán)桁架現(xiàn)場焊接包括大量的主弦桿對接和腹桿相貫線焊接,針對不同板厚、截面、坡口形式,預(yù)先考慮縱向變形和橫向收縮余量。通過對環(huán)桁架制作和安裝過程的誤差控制,保證了環(huán)桁架施工整體精度。
圖3 環(huán)桁架施工區(qū)域劃分
屋蓋索網(wǎng)規(guī)模大,施工過程復(fù)雜,拉索規(guī)格尺寸大、數(shù)量多、張拉力大,屋蓋索網(wǎng)拉索為158根,拉索在提升張拉過程中對周邊鋼環(huán)梁產(chǎn)生很大的拉力,在整個屋蓋索網(wǎng)成型過程中必須確保環(huán)桁架的穩(wěn)定。屋面索網(wǎng)結(jié)構(gòu)施工通過有限元分析軟件MIDAS Gen進(jìn)行了全過程仿真模擬,在模擬中,48個球鉸支座無水平約束,即球鉸支座能自由移動。整體結(jié)構(gòu)位移如圖4所示。
圖4 整體結(jié)構(gòu)位移(單位:mm)
施工過程中,選取環(huán)桁架和索網(wǎng)變形較大的位置作為位移監(jiān)測點(diǎn),實(shí)時觀測施工過程中結(jié)構(gòu)變形。其中環(huán)桁架、索網(wǎng)分別設(shè)置8,5個監(jiān)測點(diǎn),監(jiān)測點(diǎn)布置如圖5所示??紤]到加工和安裝過程中的索長誤差,提出了索頭兩端可調(diào)的解決方案。索頭可調(diào)100mm,集中解決了由于索長不一致所導(dǎo)致的變形問題。
圖5 位移監(jiān)測點(diǎn)布置
國家速滑館屋面荷載主要包括馬道和屋面板兩部分。馬道根據(jù)位置可分為2類:一類吊掛于拉索屋蓋下方,另一類吊掛于環(huán)桁架下方。吊桿上端與索網(wǎng)以銷軸連接,下端與馬道焊接。馬道兩側(cè)有欄桿,底面為鋼板網(wǎng)。吊掛于環(huán)桁架下方的馬道通過吊桿與環(huán)桁架下弦焊接。拉索屋蓋張拉完成后使用2臺25t汽車式起重機(jī)和2臺曲臂車安裝馬道,先安裝外圈后安裝內(nèi)圈。環(huán)桁架下方馬道利用50t汽車式起重機(jī)在外圍從北側(cè)起順時針安裝。拉索屋蓋下方馬道安裝順序如圖6所示。將馬道本體、鋼板網(wǎng)及欄桿拼成一體,以吊桿為界劃分為小的吊裝單元。用汽車式起重機(jī)先安裝吊桿,然后再吊裝馬道單元。拉索屋蓋下馬道分段最大質(zhì)量為1.5t,環(huán)桁架下方馬道分段最大質(zhì)量為1t。馬道安裝過程中,實(shí)時監(jiān)測鋼桁架滑移情況,保證施工安全。
圖6 馬道安裝順序
國家速滑館屋面采用單元式安裝,先預(yù)制單元板塊成品,然后運(yùn)送到現(xiàn)場安裝,共1 080塊單元式屋面板。由于屋面板質(zhì)量大,為等效單元板塊安裝前后索網(wǎng)的變形,采用吊掛荷載施工技術(shù),使施工前后索網(wǎng)所承受荷載一致。通過在IBC集裝桶內(nèi)注水的方式在索網(wǎng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行配重,隨著屋面系統(tǒng)施工的逐步推進(jìn)適時調(diào)節(jié)配重,使索網(wǎng)在施工過程中幾乎不發(fā)生形變,最大程度地保證鋼桁架穩(wěn)定性,為后續(xù)支座焊接、鋼桁架鎖死提供了有利條件。
采用大型有限元軟件MIDAS Gen進(jìn)行施工仿真分析,有限元模型采用結(jié)構(gòu)整體模型,邊界條件與實(shí)際結(jié)構(gòu)吻合。對整個施工過程進(jìn)行了初步的施工全過程仿真分析,按照施工順序?qū)γ總€施工工序進(jìn)行仿真計算,得到各狀態(tài)的拉索索力、結(jié)構(gòu)位移。所有拉索張拉完成且屋面施加配重后的狀態(tài)為最終狀態(tài)。
模擬過程包括環(huán)桁架施工完成、幕墻索張拉和安裝、屋面索網(wǎng)系統(tǒng)張拉和安裝、索網(wǎng)加配重。經(jīng)過模擬計算,加完配重后,支座x向最大位移在軸網(wǎng)橫向中間位置,約210mm;y向最大位移在軸網(wǎng)縱向中間位置,約180mm。 支座位移模擬結(jié)果如圖7所示。
圖7 支座位移模擬結(jié)果(單位:mm)
通過采取一系列變形控制措施,在索網(wǎng)張拉、馬道安裝、吊掛荷載施工等工序完成后,進(jìn)行支座坐標(biāo)驗(yàn)收并與數(shù)值模擬計算得出的坐標(biāo)值進(jìn)行對照。除被馬道遮擋無測量數(shù)據(jù)的支座坐標(biāo)值外,支座實(shí)際坐標(biāo)值在x向最大偏差為61mm,y向最大偏差為62mm,z向最大偏差為27mm。支座坐標(biāo)驗(yàn)收值與數(shù)值模擬計算值偏差不大,滿足設(shè)計要求,證明在施工中所采取的變形控制措施有效。
詳細(xì)介紹了國家速滑館屋面球鉸支座施工技術(shù),由于勁性柱為主體承載結(jié)構(gòu),索網(wǎng)結(jié)構(gòu)、鋼桁架結(jié)構(gòu)與勁性柱組成了層層傳導(dǎo)的受力體系,為保證施工安全和工程質(zhì)量,球鉸支座施工必須為索網(wǎng)結(jié)構(gòu)、鋼桁架結(jié)構(gòu)變形預(yù)留空間,避免索網(wǎng)和鋼桁架變形傳遞至主體結(jié)構(gòu)的混凝土柱上,使勁性柱承受過大應(yīng)力。為充分指導(dǎo)施工過程和提高施工質(zhì)量,對索網(wǎng)結(jié)構(gòu)施工全過程進(jìn)行仿真分析,得出每個關(guān)鍵步驟的索力、索網(wǎng)變形、球鉸支座位移等理論參數(shù)值。在支座焊接牢固前,必須先進(jìn)行馬道、吊掛荷載、索力及索網(wǎng)位形和支座坐標(biāo)驗(yàn)收,驗(yàn)收合格后,還需進(jìn)行支座焊接人員、設(shè)備及焊接條件驗(yàn)收。待全部驗(yàn)收合格后,才能進(jìn)行支座鎖定。