國(guó)家速滑館屋面結(jié)構(gòu)球鉸支座施工技術(shù)*

王自偉，冀 智，高樹棟，朱富力，龐少波，劉宇棟，馬偉國(guó)，周雷蕾

(1.北京城建集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100088； 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，北京 100083)

1 工程概況

國(guó)家速滑館位于北京市朝陽區(qū)奧林匹克公園西側(cè)，國(guó)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(huì)的標(biāo)志性場(chǎng)館。冬奧會(huì)期間，國(guó)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(huì)后，該場(chǎng)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(dòng)場(chǎng)所和集社會(huì)服務(wù)功能、企業(yè)運(yùn)營(yíng)為一體的運(yùn)動(dòng)健身場(chǎng)館。外觀效果如圖1所示。

圖1 國(guó)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(guó)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

2 施工重難點(diǎn)分析及解決措施

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(guó)內(nèi)首個(gè)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(zhǎng)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(huì)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(shí)，若不及時(shí)采取措施，施工前后荷載的變化會(huì)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(huì)進(jìn)一步傳遞至主體結(jié)構(gòu)，可能會(huì)對(duì)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(shí)，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。

2.1 環(huán)桁架位移控制

在國(guó)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(gè)鋼管小節(jié)段，然后接長(zhǎng)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(dòng)焊接或用自動(dòng)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(dòng)埋弧焊，并采取措施對(duì)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(duì)接，端面機(jī)加工采用機(jī)械動(dòng)力裝置進(jìn)行端面端銑加工，通過對(duì)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(shí)精確控制分段長(zhǎng)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(chǎng)安裝作業(yè)按構(gòu)件類型嚴(yán)格實(shí)行三級(jí)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(shí)應(yīng)確保零件厚度和外形尺寸已檢驗(yàn)合格，在拼裝平臺(tái)上畫出定位基準(zhǔn)線并采用全站儀進(jìn)行檢測(cè)。拼裝過程中應(yīng)對(duì)桿件及節(jié)點(diǎn)定位精度進(jìn)行復(fù)測(cè)。拼裝完成后，對(duì)桿件及節(jié)點(diǎn)進(jìn)行整體檢測(cè)，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(duì)角線長(zhǎng)度偏差≤20mm，桁架節(jié)點(diǎn)處桿件軸線錯(cuò)位≤3mm。環(huán)桁架現(xiàn)場(chǎng)焊接包括大量的主弦桿對(duì)接和腹桿相貫線焊接，針對(duì)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(duì)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

2.2 索網(wǎng)張拉變形控制

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(duì)周邊鋼環(huán)梁產(chǎn)生很大的拉力，在整個(gè)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(gè)球鉸支座無水平約束，即球鉸支座能自由移動(dòng)。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(cè)點(diǎn)，實(shí)時(shí)觀測(cè)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(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖5所示?？紤]到加工和安裝過程中的索長(zhǎng)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(zhǎng)不一致所導(dǎo)致的變形問題。

圖5 位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

2.3 屋面荷載控制

國(guó)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(tái)25t汽車式起重機(jī)和2臺(tái)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(shí)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(shí)監(jiān)測(cè)鋼桁架滑移情況，保證施工安全。

圖6 馬道安裝順序

國(guó)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(chǎng)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(shí)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。

3 支座位移計(jì)算

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(duì)整個(gè)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€(gè)施工工序進(jìn)行仿真計(jì)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(jì)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)

4 支座坐標(biāo)驗(yàn)收與對(duì)比

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(jì)算得出的坐標(biāo)值進(jìn)行對(duì)照。除被馬道遮擋無測(cè)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(jì)算值偏差不大，滿足設(shè)計(jì)要求，證明在施工中所采取的變形控制措施有效。

5 結(jié)語

詳細(xì)介紹了國(guó)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(duì)索網(wǎng)結(jié)構(gòu)施工全過程進(jìn)行仿真分析，得出每個(gè)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。