黎浩然 魏愛生 劉火明 蔣 豐 劉盟盟

中國建筑第八工程局有限公司西南分公司 四川 成都 610041

國內(nèi)外體育場館的屋蓋往往為大跨度空間結(jié)構(gòu)并且常伴有中部較大的開口，成都鳳凰山體育中心項目專業(yè)足球場屋蓋創(chuàng)造性地采用大開口索穹頂結(jié)構(gòu)，將場館屋蓋的開口需求與索穹頂結(jié)構(gòu)結(jié)合起來，結(jié)構(gòu)受力合理，造型輕盈，建筑效果美觀。但是這對結(jié)構(gòu)分析、施工及監(jiān)測提出了很高的要求，需要解決一系列的關(guān)鍵技術(shù)[1-6]。

本工程采用的是國內(nèi)外首創(chuàng)的大開口 葵花形 索穹頂結(jié)構(gòu)（levy形），其結(jié)構(gòu)形式由支撐結(jié)構(gòu)、外環(huán)網(wǎng)架、大開口索穹頂結(jié)構(gòu)以及內(nèi)環(huán)桁架組成，結(jié)構(gòu)受力表現(xiàn)形式特殊，結(jié)構(gòu)獨特新穎。外立面斜向搖擺柱的臨時支撐結(jié)構(gòu)、看臺柱焊接安裝方法以及數(shù)值模擬協(xié)同施工等關(guān)鍵技術(shù)的運用，既有效確保安裝質(zhì)量，又能保證施工過程安全，順利完成國內(nèi)外首例索穹頂結(jié)構(gòu)的支撐結(jié)構(gòu)安裝。

1 工程概況

成都鳳凰山體育中心項目是第31屆世界大學(xué)生運動會的重要賽事場館，總建筑面積45.6萬 m2。項目包含1座6萬座的專業(yè)足球場，地上6層、地下1層，足球場的建筑平面投影形狀為橢圓形，南北方向總長度約281 m，東西方向總寬度約231 m。

足球場罩棚體系采用大開口索穹頂結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)形式由支撐結(jié)構(gòu)、外環(huán)網(wǎng)架、大開口索穹頂結(jié)構(gòu)以及內(nèi)環(huán)桁架組成。支撐結(jié)構(gòu)體系由64根外立面斜搖擺柱、47根看臺立柱以及柱間斜拉穩(wěn)定索組成。

2 工程施工特點、難點

支撐結(jié)構(gòu)整體可分為外環(huán)斜向搖擺柱支撐和內(nèi)環(huán)看臺鋼柱支撐。

外環(huán)斜向搖擺柱柱底采用板鉸節(jié)點，每根立柱均向外傾斜，且角度不同，整體形態(tài) 下收上放 ，又因斜向搖擺柱為細(xì)長構(gòu)件且斜向安裝，安裝過程中柱身姿態(tài)及傾斜角度的控制難度大。

看臺鋼柱為帶十字加勁板的空心鋼柱，柱頂為關(guān)節(jié)軸承節(jié)點、柱底焊接于成品固定支座。鋼柱由于內(nèi)部帶有連續(xù)十字加勁板，安裝過程中焊接質(zhì)量控制難度大。

臨時支撐裝置與支撐結(jié)構(gòu)遞進(jìn)式安裝以及屋蓋鋼網(wǎng)架吊裝同步進(jìn)行，交叉協(xié)同施工難度大，現(xiàn)場管理難度大。

3 設(shè)計概況

屋蓋支撐結(jié)構(gòu)包括看臺柱與外立面鋼框架結(jié)構(gòu)，外立斜向搖擺柱頂部相貫于外環(huán)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，底部通過銷軸節(jié)點鉸接于下部結(jié)構(gòu)，看臺柱頂部通過關(guān)節(jié)軸承鉸接于外環(huán)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，底部通過成品支座支承于混凝土看臺。

柱頂節(jié)點包括焊接球節(jié)點和關(guān)節(jié)軸承節(jié)點2類，如圖1所示。

圖1 柱頂節(jié)點效果圖

外立面搖擺柱和看臺柱均與混凝土結(jié)構(gòu)上預(yù)埋件連接，其中搖擺柱底部為板鉸節(jié)點，看臺柱底部為成品固定支座，如圖2、圖3所示。

圖2 搖擺柱底部板鉸節(jié)點連接

圖3 看臺柱柱底節(jié)點

本工程屋蓋體系整體為柔性結(jié)構(gòu)，柱間的支撐方式采用柔性預(yù)應(yīng)力拉索，既符合建筑整體輕柔的設(shè)計風(fēng)格，又有利于提高外框架柱的穩(wěn)定性，以確保整體結(jié)構(gòu)安全可靠。交叉穩(wěn)定索用于外立面搖擺柱間以及看臺柱間，其分布位置見圖4中標(biāo)紅區(qū)域。

圖4 柱間交叉穩(wěn)定索布置

外立面搖擺柱交叉穩(wěn)定索的設(shè)置以鋼橫梁為界，橫梁上下均設(shè)置有交叉索，交叉索安裝通過索端頭與立柱中耳板的連接張拉來實現(xiàn)，每根穩(wěn)定索長為16 m左右，其中交叉穩(wěn)定索的預(yù)張力為50 kN，交叉穩(wěn)定索大樣如圖5所示。

圖5 交叉穩(wěn)定索大樣

4 施工方案及流程

針對本工程支撐體系特點，采用格構(gòu)式支撐胎架作為臨時支撐裝置，鋼柱利用起重設(shè)備單根吊裝。

斜向搖擺柱安裝流程：柱腳預(yù)埋件安裝→支撐架基礎(chǔ)施工→架體及支撐底座搭設(shè)→纜風(fēng)繩布置→搖擺柱吊裝→鋼拉桿安裝。

看臺鋼柱安裝流程：柱腳預(yù)埋件安裝→成品固端支座安裝→看臺柱吊裝→柱腳與支座焊接。

5 關(guān)鍵技術(shù)分析

5.1 柱腳預(yù)埋件安裝

鋼柱通過預(yù)埋件與混凝土結(jié)構(gòu)相連，在鋼柱柱腳處混凝土結(jié)構(gòu)澆筑前進(jìn)行定位，將預(yù)埋件與主體結(jié)構(gòu)鋼筋定位錨固（圖6）。在混凝土澆筑的過程中，對預(yù)埋件進(jìn)行位置及標(biāo)高的復(fù)核，確保定位準(zhǔn)確。

圖6 預(yù)埋件錨固示意

5.2 支撐裝置安裝

外立面斜向搖擺柱安裝過程中采用格構(gòu)式支撐胎架作為豎向支撐裝置，并輔以纜風(fēng)繩增強整體側(cè)向穩(wěn)定性。

1）格構(gòu)式支撐胎架基礎(chǔ)：胎架下基礎(chǔ)為混凝土基礎(chǔ)加架體底座鋼埋件（圖7），部分落于外圍地面區(qū)域，部分落于7 m平臺區(qū)域，其中7 m平臺區(qū)域基礎(chǔ)下部結(jié)構(gòu)板下方設(shè)置有液壓回頂裝置（圖8），保證樓板承重能力滿足要求。

圖7 胎架基礎(chǔ)示意

圖8 液壓回頂裝置示意

2）支撐裝置主要包括格構(gòu)式支撐架和與主體結(jié)構(gòu)相連的纜風(fēng)繩，其中格構(gòu)式支撐胎架與基礎(chǔ)預(yù)埋件連接固定，纜風(fēng)繩為在支撐架中上部1/3范圍內(nèi)均勻布置的2道φ14 mm鋼絲繩，一端連接在支撐架體上，另一端固定在主體混凝土結(jié)構(gòu)上（圖9）。

圖9 支撐裝置示意

5.3 斜向搖擺柱安裝

斜向搖擺柱利用起重設(shè)備兩點起吊，其中吊裝過程姿態(tài)以及傾斜角度采用柱頂所連接φ18 mm的纜風(fēng)繩進(jìn)行調(diào)整，過程中利用測量儀器實時核對柱頂坐標(biāo)。安裝過程中首先將柱底板鉸支座焊接于預(yù)埋件上，固定好一端后再進(jìn)行角度調(diào)整，搖擺柱傾斜角度調(diào)整完畢后安裝水平鋼拉桿，將搖擺柱外斜角度固定，確保安裝精度（圖10）。

圖10 搖擺柱安裝示意

5.4 十字加勁板看臺鋼柱安裝

1）測量設(shè)備定點校正，將固端支座焊接于預(yù)埋鋼板上，為防止鋼柱吊裝過程中落于支座時因力的作用導(dǎo)致支座偏移，沿支座外徑均勻焊接4個臨時加固件，加固件底端焊接于預(yù)埋板上。

2）鋼柱通過柱頂臨時吊耳采用單機旋吊法吊裝，吊裝過程利用柱身所布置的纜風(fēng)繩調(diào)整定位，防止鋼柱偏擺，與網(wǎng)架碰撞。鋼柱就位后通過固定纜風(fēng)繩以及柱底定位焊雙重措施臨時固定。

3）鋼柱內(nèi)部十字加勁板與支座采用單面全熔透焊接方法，具體方式為在柱腳位置開2個相對1/4圓弧缺口，完成1/2加勁板的焊接，同步在另外一側(cè)加焊接襯墊。然后將1/4圓弧缺口位置采用同材質(zhì)進(jìn)行鋼管柱與支座的補焊。同理完成剩下1/4十字加勁板焊接。

6 有限元分析

6.1 支撐胎架分析

支撐架分析采用有限元分析軟件MIDAS Gen2018。支撐架弦桿及轉(zhuǎn)換梁用梁單元模擬，支撐架腹桿采用桁架單元模擬。支撐架基本組合尺寸為2.5 mh 2.5 m，高度為30 m。計算荷載取值：支撐架自重系數(shù)取1.1；支承荷載標(biāo)準(zhǔn)值取1 000 kN；考慮豎向支承荷載偏心產(chǎn)生的附加彎矩作用，取 100 mm和D/20兩者的較小值，其中D為支撐架邊長；考慮支撐架頂部操作平臺的上人荷載，取2.0 kN/m2；取當(dāng)?shù)厥暌挥龌撅L(fēng)壓0.2 kN/m2，風(fēng)壓高度變化系數(shù)為1.39，風(fēng)振系數(shù)取1.5，體形系數(shù)為1.62，風(fēng)荷載折算為線荷載施加在支撐架立桿上。

6.1.1 支撐架變形情況

由支撐架位移云圖（圖11）可知，支撐架在標(biāo)準(zhǔn)作用下，水平向最大位移為7.1 mm，豎向位移為4.9 mm。支撐架高度為30 m，7.1/30 000=1/4 225＜1/250。支撐架水平向變形較小，且結(jié)構(gòu)網(wǎng)架分塊落位后，能約束支撐架水平位移，同時豎向變形也較小，能夠滿足安裝精度要求。

圖11 支撐架位移云圖

6.1.2 應(yīng)力情況

根據(jù)圖12計算結(jié)果，支撐架構(gòu)件最大應(yīng)力比為0.49＜1.0，為頂部平臺梁，其中立桿最大應(yīng)力比為0.3，腹桿最大應(yīng)力比為0.4，滿足承載力要求。

圖12 應(yīng)力比云圖

6.2 斜向搖擺柱分析

搖擺柱均采用整根吊裝進(jìn)行施工，借助有限元分析軟件MIDAS Gen Ver.860進(jìn)行吊裝分析。選取吊裝質(zhì)量最大的斜柱進(jìn)行分析，斜柱長約29.85 m，吊裝狀態(tài)鋼柱與地面呈70e 傾斜，吊裝質(zhì)量約15 t。由分析可知，質(zhì)量最大的搖擺柱在吊裝過程中的最大變形為1.43 mm，能滿足剛度要求；吊裝過程中的應(yīng)力比為0.02＜0.90，能夠滿足承載力要求。

7 施工過程監(jiān)測

施工監(jiān)測是施工過程中的一個重要環(huán)節(jié)，其結(jié)果不僅能體現(xiàn)結(jié)構(gòu)安裝質(zhì)量，還能為結(jié)構(gòu)分析提供參考依據(jù)。支撐結(jié)構(gòu)施工監(jiān)測對象主要為臨時支撐裝置和鋼柱。

格構(gòu)式支撐架監(jiān)測內(nèi)容主要包括架體的應(yīng)力、支座和基礎(chǔ)變形。施工過程中架體應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)超出允許范圍時，應(yīng)立即停止施工并進(jìn)行加固處理。支撐架在施工過程中，風(fēng)速對支撐架穩(wěn)定性影響較大，需實時監(jiān)測風(fēng)速，當(dāng)風(fēng)速超出設(shè)計承載力時，需停止施工，待風(fēng)速穩(wěn)定在設(shè)計值以下，方可繼續(xù)施工。

通過對鋼柱施工過程中的監(jiān)測，可及時獲取各施工階段變形情況，將監(jiān)測所獲得的數(shù)據(jù)與事先經(jīng)過理論計算所獲得的變形數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，及時調(diào)整施工和安裝變形誤差，保證施工的正常進(jìn)行和建筑尺寸的準(zhǔn)確。

8 結(jié)語

本文針對大開口索穹頂體系中的支撐結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)形式的特點，結(jié)合實際情況，對支撐體系施工中的安裝方案、預(yù)埋件安裝、臨時支撐及加固撐裝置安裝、斜向搖擺柱安裝、十字加勁板鋼柱安裝、過程監(jiān)測等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，結(jié)合以往工程經(jīng)驗并在施工全過程模擬計算分析的基礎(chǔ)上選用了合理的施工方案。工程的順利實施驗證了其可行性和準(zhǔn)確性，可為類似支撐體系施工提供參考。