沈佳勇

(中國(guó)鐵建國(guó)際集團(tuán)有限公司，北京 100039)

1 工程概況

盧賽爾體育場(chǎng)是2022年世界杯主場(chǎng)館，承擔(dān)小組賽、閉幕式、半決賽和決賽等重大賽事活動(dòng)。場(chǎng)館建筑面積19萬m2，觀眾容量92 100人。體育場(chǎng)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)為鋼結(jié)構(gòu)和鋁板幕墻，屋面為大跨度索膜結(jié)構(gòu)，體系復(fù)雜，建筑宏偉，極具挑戰(zhàn)，為卡塔爾城市地標(biāo)。

體育場(chǎng)外觀呈碗狀，邊緣為馬鞍形，鋼結(jié)構(gòu)壓環(huán)標(biāo)高為61.035～ 76.600m，投影面積 75 000m2。結(jié)構(gòu)俯視呈圓形，直徑約309m，屋蓋中間有圓形開孔，直徑122m，東西兩側(cè)設(shè)置有天眼，如圖1所示。

圖1 盧賽爾體育場(chǎng)屋面結(jié)構(gòu)俯視

整個(gè)體育場(chǎng)屋面索膜結(jié)構(gòu)荷載全部傳遞到由拉壓環(huán)和徑向索形成的雙層輪輻式主索網(wǎng)，如圖2所示。屋面主索網(wǎng)重約2 320t，采用雙層輪輻式張力結(jié)構(gòu)。不同于國(guó)內(nèi)常用的只有單個(gè)拉環(huán)或壓環(huán)的雙層環(huán)張力結(jié)構(gòu)，本項(xiàng)目的雙層輪輻式主索網(wǎng)張力結(jié)構(gòu)采用了雙層拉環(huán)和雙層壓環(huán)，并與48榀魚腹式徑向索桁架連接而成。每榀魚腹式徑向索桁架由4根徑向索與交叉節(jié)點(diǎn)板及4根撐桿連接而成。其魚腹式交叉索網(wǎng)跨度達(dá)到274m，是世界上同類型中最大跨度的索網(wǎng)屋面單體建筑。

圖2 索網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意

2 提升方案比選

結(jié)合本工程實(shí)際情況，遵循方案的可行性、安全性和經(jīng)濟(jì)性選定最終實(shí)施的方案。

2.1 方案1 滿堂式支架加兩階段徑向索提升

本項(xiàng)目首先考慮傳統(tǒng)的滿堂式支架方案。通過滿堂式支架平臺(tái)鋪設(shè)上下環(huán)索并安裝環(huán)索索夾、環(huán)索撐桿及其交叉索和交叉節(jié)點(diǎn)板，然后先提升徑向索CS2，CS3(穩(wěn)定索)直至就位并穿銷軸錨固，期間完成徑向撐桿安裝。接著再提升徑向索CS1，CS4(承重索)直至就位并穿銷軸錨固。

根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際，滿堂式支架的搭設(shè)面積約50 000m2， 高度2～70m，雖然高出20m時(shí)可考慮采用鋼結(jié)構(gòu)框架，但是分析此方案施工荷載對(duì)預(yù)制看臺(tái)板的作用發(fā)現(xiàn)，在看臺(tái)板設(shè)計(jì)期間需額外考慮該部分作用，且方案本身對(duì)支架模板的需用量巨大，經(jīng)濟(jì)性上沒有優(yōu)勢(shì)，而且滿堂式支架對(duì)看臺(tái)板的占用時(shí)間長(zhǎng)，影響看臺(tái)板上其他專業(yè)作業(yè)，所以未被采用。

2.2 方案2 3階段徑向索提升

該方案第1階段提升徑向索CS2，CS3(穩(wěn)定索)帶上環(huán)索，直至就位并穿銷軸錨固；第2階段提升徑向索CS1(承重索)直至就位并穿銷軸錨固，期間需要完成撐桿安裝；第3階段提升徑向索CS4(承重索)直至與交叉節(jié)點(diǎn)板連接并完成銷軸安裝。

2.3 方案3 上環(huán)索提升加兩階段徑向索提升

該方案第1階段利用臨時(shí)工裝鋼絞線提升上環(huán)索至17m高空；第2階段提升徑向索CS1，CS4(承重索)直至就位并穿銷軸錨固，期間需要完成撐桿安裝；第3階段提升徑向索CS2，CS3(穩(wěn)定索)直至就位并穿銷軸錨固。

2.4 方案2，3優(yōu)缺點(diǎn)分析

2.4.1優(yōu)點(diǎn)分析

1)方案2 ①不需要額外的環(huán)索提升工裝、千斤頂及鋼絞線，只需要每個(gè)軸線的雙頂工裝、千斤頂及鋼絞線； ②省去了壓環(huán)上環(huán)索提升所需要加強(qiáng)設(shè)計(jì)的拱桿耳板； ③省去了上環(huán)索索夾提升所需要加強(qiáng)設(shè)計(jì)的拱桿耳板； ④徑向撐桿安裝時(shí)，上徑向索已經(jīng)張拉到位，不需要額外的纜風(fēng)繩，而且徑向撐桿會(huì)更穩(wěn)定。

2)方案3 ①不需要在交叉節(jié)點(diǎn)板上增加提升耳板； ②不會(huì)出現(xiàn)徑向索CS3的索頭在提升的低空階段與交叉節(jié)點(diǎn)板沖突而扳扭索頭及索體的問題。

2.4.2缺點(diǎn)分析

1)方案2 ①交叉節(jié)點(diǎn)板上增加提升耳板困難，且不切割影響美觀，切割則涉及高空操作，而且節(jié)點(diǎn)板被動(dòng)受力很大，不允許用割槍切割；②CS3與交叉節(jié)點(diǎn)板的沖突存在對(duì)索及其錨具的面外彎矩，可能導(dǎo)致索跳絲和索頭損壞的風(fēng)險(xiǎn)。

2)方案3 ①環(huán)索提升工裝、千斤頂及鋼絞線需要額外的成本支出； ②壓環(huán)和環(huán)索索夾上拱桿耳板需要額外設(shè)計(jì)和加強(qiáng)，產(chǎn)生額外成本； ③徑向撐桿安裝不穩(wěn)定，且需要額外的纜風(fēng)繩固定。

綜合考慮方案2，3的優(yōu)缺點(diǎn)，并結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況，方案2在交叉節(jié)點(diǎn)板上增加提升耳板的方案不易實(shí)現(xiàn)，方案3需要額外增加的成本經(jīng)過測(cè)算滿足預(yù)算要求，而且比較容易實(shí)現(xiàn)。最終選擇方案3進(jìn)行徑向索提升。

3 關(guān)鍵施工技術(shù)

主索網(wǎng)整體提升按照方案3實(shí)施，整個(gè)施工過程分成9個(gè)工序。

1)工序1 徑向索鋪設(shè)和環(huán)索支撐架安裝。鋪設(shè)徑向索CS3，CS4和環(huán)索提升臨時(shí)鋼絞線并用纜風(fēng)繩固定，以防止滑落。安裝壓環(huán)上CS1銷軸安裝的操作平臺(tái)和球場(chǎng)內(nèi)環(huán)索支撐架，如圖3a所示。

圖3 施工流程示意

2)工序2 上環(huán)索系統(tǒng)鋪設(shè)和安裝，包括上環(huán)索鋪設(shè)、索夾吊裝及環(huán)索入槽后精調(diào)、索頭連接、安裝索蓋及其螺栓緊固、鋼絞線擠壓錨固并與環(huán)索提升叉耳及千斤頂工裝連接、叉耳與壓環(huán)承重索耳板和上環(huán)索夾的拱桿耳板分別連接、穩(wěn)定索CS3的固定端索頭與上環(huán)索夾連接，如圖3b所示。

3)工序3 上環(huán)索提升至高空17m位置。上環(huán)索提升并脫離環(huán)索支撐架，上環(huán)索繼續(xù)提升直至各軸線達(dá)到仿真模擬的位形位置，采用全站儀掃描法實(shí)測(cè)后與模擬的位形擬合，針對(duì)偏差較大軸線進(jìn)行微調(diào)，如圖3c所示。

4)工序4 下環(huán)索系和環(huán)索撐桿及交叉索安裝。下環(huán)索鋪設(shè)、索夾吊裝及環(huán)索入槽后精調(diào)、索頭連接、安裝索蓋及其螺栓緊固、安裝環(huán)索撐桿、安裝交叉索，如圖3d所示。

5)工序5 提升環(huán)索工裝至下環(huán)索系脫離支撐架。鋼絞線擠壓錨固并與承重索提升叉耳及千斤頂工裝連接、叉耳與壓環(huán)上的工裝耳板連接、鋪設(shè)承重索CS1并與提升工裝連接、吊裝交叉節(jié)點(diǎn)板到支撐架并分別與CS1固定端和CS3及CS4可調(diào)端的索頭連接、CS4的固定端索頭與下環(huán)索夾連接，提升上環(huán)索系并通過撐桿和交叉索帶動(dòng)下環(huán)索系脫離支撐架，如圖3e所示。

6)工序6 交叉節(jié)點(diǎn)板和徑向索CS4脫離看臺(tái)板。為了緩解CS4提升過程中對(duì)預(yù)制看臺(tái)板墻體的水平推力，承重索提升至交叉節(jié)點(diǎn)板脫離看臺(tái)板后，需要交叉提升承重索和上環(huán)索工裝直至CS4陸續(xù)脫離看臺(tái)板，如圖3f所示。

7)工序7 徑向索撐桿安裝。當(dāng)48個(gè)軸線的CS4索全部脫離看臺(tái)后，開始從外場(chǎng)向內(nèi)場(chǎng)對(duì)稱安裝徑向索撐桿ST4～ST1，每根撐桿用2根環(huán)向纜風(fēng)繩固定，每根撐桿頂部用吊帶與環(huán)索鋼絞線連接，避免撐桿安裝過程中傾覆，如圖3g所示。

8)工序8 承重索提升就位并安裝銷軸。完成所有撐桿安裝后，提升承重索直至CS1索頭距壓環(huán)耳板2.5m左右處，拆除上環(huán)索提升工裝及鋼絞線，避免與CS1提升工裝沖突，后繼續(xù)提升CS1直至就位并安裝銷軸。上環(huán)索提升工裝未拆除前，在承重索提升期間，需要穿插提升上環(huán)索工裝以便隨時(shí)對(duì)環(huán)索系和徑向撐桿起到纜風(fēng)繩的作用，確保提升過程中的整體穩(wěn)定，如圖3h所示。

9)工序9 穩(wěn)定索提升就位并安裝銷軸。CS1完成銷軸安裝后，拆除其提升工裝，工裝叉耳與CS2的工裝耳板連接，千斤頂及反力架與CS2可調(diào)端索頭連接，CS2固定端索頭與交叉節(jié)點(diǎn)板連接，完成所有連接并檢查無誤后開始提升CS2直至就位并安裝銷軸，如圖3i所示。

4 施工過程全景模擬仿真計(jì)算及提升工裝選擇

采用Midas軟件建模加載并分析計(jì)算，按照工序分別對(duì)上環(huán)索、承重索和穩(wěn)定索在單軸線提升工裝失效、單軸線快于其余軸線、兩相鄰軸線快于其余軸線等施工過程中可能出現(xiàn)的情況進(jìn)行模擬計(jì)算，分析各種可能出現(xiàn)的不利工裝及其可能組合進(jìn)行模擬加載，確定最不利荷載工況組合及其索力，并記錄關(guān)鍵工序?qū)?yīng)的索力及上環(huán)索位形。考慮到屋面主索網(wǎng)的對(duì)稱性，所有分析計(jì)算只考慮1/4屋面對(duì)應(yīng)軸線。

4.1 上環(huán)索提升時(shí)最不利工況組合及其工裝選擇

通過全景模擬仿真計(jì)算可以確定，上環(huán)索提升工裝的最大荷載出現(xiàn)在工序5，下環(huán)索系安裝完成并通過環(huán)索撐桿和交叉索連接為一體，然后提升環(huán)索工裝使得下環(huán)索系脫離環(huán)索支撐架的過程中。

圖4 上環(huán)索提升工裝示意

4.2 承重索提升時(shí)最不利工況組合及其工裝選擇

承重索提升工裝的最大荷載出現(xiàn)在工序8，CS1銷軸中心到耳板中心的距離接近0.5m左右時(shí)，單軸繼續(xù)提升至穿銷軸的過程中，會(huì)使該軸線索力最大。

圖5 徑向索提升工裝示意

4.3 穩(wěn)定索提升時(shí)最不利工況組合及其工裝選擇

穩(wěn)定索提升工裝的最大荷載出現(xiàn)在工序9，CS2銷軸中心到耳板中心的距離接近0.2m時(shí)，單軸繼續(xù)提升至穿銷軸的過程中，會(huì)使該軸線索力最大。

4.4 液壓提升系統(tǒng)選擇

本項(xiàng)目所采用的液壓提升系統(tǒng)為智能同步液壓提升系統(tǒng)，是由工具錨具、主提升千斤頂、智能液壓泵站、智能主控操作站等組成的一種鋼絞線提升、引力系統(tǒng)，如圖6所示。該液壓提升系統(tǒng)具有平穩(wěn)、多站點(diǎn)同步，安裝方便，安全可靠等特點(diǎn)。千斤頂夾持鋼絞線由機(jī)械夾具夾持，提升過程中出現(xiàn)異常故障警報(bào)、油壓異常、位移同步超差現(xiàn)象時(shí)，錨具均可正常工作。

圖6 智能同步液壓提升系統(tǒng)

5 施工監(jiān)測(cè)與精度控制

5.1 提升過程中位形和索力監(jiān)測(cè)

提升過程中位形主要采用全站儀掃描法監(jiān)測(cè)，在智能主控操作站設(shè)置對(duì)應(yīng)工序設(shè)計(jì)索力所對(duì)應(yīng)的油表壓力值，同時(shí)，在各液壓提升泵站安排熟練技術(shù)工人操作。針對(duì)提升階段的全景模擬仿真計(jì)算，確定各階段提升過程中各相鄰軸線可允許的最大位移偏差及其對(duì)應(yīng)的索力，實(shí)際提升過程中嚴(yán)格按照該數(shù)值控制，確保提升工裝的結(jié)構(gòu)安全和整個(gè)屋面主索網(wǎng)的穩(wěn)定性。

在上環(huán)索提升過程中，各軸線的最大索力控制在250kN內(nèi)，對(duì)應(yīng)壓力油表讀數(shù)應(yīng)為4.8MPa(單個(gè)頂活塞面積為52 050mm2)，因此在智能主控操作站設(shè)置最大油表壓力值為5MPa，提前預(yù)警提升工裝故障導(dǎo)致的過大索力，并指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)提升操作人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題。上環(huán)索提升至17m左右時(shí)，采用全站儀掃描法實(shí)測(cè)上環(huán)索各索夾的空間位置，與模擬的理論索夾空間位置擬合比對(duì)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)偏差較大的軸線并指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整位形。工序8對(duì)應(yīng)承重索提升過程中，在承重索CS1索頭距壓環(huán)耳板2.5m前，各軸線的最大索力控制在1 250kN以內(nèi)，對(duì)應(yīng)壓力油表讀數(shù)應(yīng)為12MPa(雙頂?shù)幕钊娣e為104 100mm2)，智能主控操作站設(shè)置最大油表壓力值為12MPa，提前預(yù)警該工序提升工裝故障導(dǎo)致的過大索力，并指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)提升操作人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題。同時(shí)，采用全站儀掃描法實(shí)測(cè)下環(huán)索各索夾的空間位置，與模擬的理論索夾空間位置擬合比對(duì)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)偏差較大的軸線并指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整位形。

5.2 提升就位時(shí)位形和索力監(jiān)測(cè)

工序8對(duì)應(yīng)承重索提升就位時(shí)，各軸線的就位索力最大值為1 731MPa。工序9對(duì)應(yīng)穩(wěn)定索提升就位時(shí)，各軸線的就位索力最大值1 715MPa。采用全站儀掃描法測(cè)得對(duì)應(yīng)下環(huán)索索夾位形數(shù)據(jù)并與設(shè)計(jì)位形擬合后如圖7所示。

圖7 下環(huán)索位形擬合

5.3 主索網(wǎng)精度控制

主索網(wǎng)全部提升就位并完成CS2的銷軸安裝后，環(huán)索到位后的水平偏差滿足設(shè)計(jì)要求的50mm，豎向偏差滿足設(shè)計(jì)要求的100mm，索力偏差滿足設(shè)計(jì)要求的0.1倍設(shè)計(jì)索力的偏差范圍。

6 結(jié)語

通過盧賽爾體育場(chǎng)雙層輪輻式全張力屋面索網(wǎng)提升方案比選，采用上環(huán)索提升加兩階段徑向索提升方案，并進(jìn)行模擬計(jì)算，嚴(yán)格按照計(jì)算結(jié)果進(jìn)行施工，并同步監(jiān)測(cè)索力和位形，保障安裝精度。通過全過程施工控制可得到如下結(jié)論。

1)大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的施工方案選擇很關(guān)鍵，方案選擇的合理與否，直接決定該結(jié)構(gòu)的施工安全、經(jīng)濟(jì)和進(jìn)度。同時(shí)，選定方案后需要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際和資源情況等進(jìn)一步優(yōu)化工序安排。本項(xiàng)目選定上環(huán)索提升加兩階段徑向索提升方案，最早的版本是考慮CS1就位后在高空安裝徑向撐桿，經(jīng)過專家論證后，優(yōu)化為承重索脫離看臺(tái)后在低空安裝徑向撐桿，降低了安裝風(fēng)險(xiǎn)，減小了對(duì)吊裝設(shè)備的需求，提高了安裝工效。

2)大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的施工仿真分析對(duì)于施工安全的保證非常重要，對(duì)施工順序、施工造價(jià)甚至施工圖設(shè)計(jì)會(huì)產(chǎn)生較大影響，通過仿真分析施工過程中的不安全因素，合理調(diào)整設(shè)計(jì)施工方案。

3)提升工裝及其提升設(shè)備的選擇對(duì)施工的影響至關(guān)重要。本項(xiàng)目采用的提升工裝科學(xué)合理，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔且安全方便。

4)施工監(jiān)測(cè)和精度控制方面，本項(xiàng)目嚴(yán)格按照全景模擬仿真計(jì)算結(jié)果從提升開始直至安裝就位全過程進(jìn)行索力和位形監(jiān)測(cè)，并科學(xué)選擇全站儀掃描法進(jìn)行全過程的輔助監(jiān)測(cè)和校核，避免過程中出現(xiàn)精度失控和潛在安全問題。