中國建筑金屬結(jié)構(gòu)協(xié)會
建筑鋼結(jié)構(gòu)分會主辦
摘 要：在大型體育場館類工程中采用可開啟式鋼結(jié)構(gòu)屋面系統(tǒng)在我國還是首次使用，如何解決大跨度支撐桁架系統(tǒng)的安裝，同時在大跨度桁架系統(tǒng)上安裝可開閉系統(tǒng)，保證桁架、可開閉系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)。本文通過分析其施工安裝，為今后在同類工程施工中提供經(jīng)驗、借鑒。
關(guān)鍵詞：可開閉屋蓋；大跨度桁架系統(tǒng)；施工安裝
1. 工程概況
本工程鋼屋蓋共分兩部分：固定屋蓋和活動屋蓋。屋蓋的幾何形狀為球冠，固定屋蓋采用拱支網(wǎng)殼，網(wǎng)殼為單層網(wǎng)殼。固定屋蓋中的主拱、副拱、斜拱和內(nèi)圈桁架的上弦軸線的節(jié)點位于半徑為204m的球面上，主拱、副拱、斜拱和內(nèi)圈桁架的下弦軸線節(jié)點位于半徑為200m的球面上。活動屋蓋采用由移動臺車多點支撐的多跨單層網(wǎng)殼，其單層網(wǎng)殼桿件軸線節(jié)點位于半徑為206.8m的球面上，臺車的軌道位于固定屋蓋的主拱上弦上。
固定鋼屋蓋由6榀主拱桁架、10榀次拱拱桁架、2榀斜桁架、2榀內(nèi)圈桁架和單層網(wǎng)殼組成。
主拱桁架最大跨度262 m，矢高55.4m，其主要受力特征為坦拱結(jié)構(gòu)，以承受軸向力為主，主拱桁架中部約100m范圍（最大）無側(cè)向支撐。主拱桁架中距約40m，主拱與次拱桁架中距約20m。
主拱桁架支撐著整個屋蓋的大部分重量，又作為滑移軌道的支撐結(jié)構(gòu)，斜桁架作為次拱結(jié)構(gòu)的上部支撐，起著調(diào)整各主拱桁架間的內(nèi)力分配，同時作為主拱桁架的側(cè)向支撐，傳遞側(cè)向水平荷載、提高整體結(jié)構(gòu)的側(cè)向穩(wěn)定性；次拱桁架起到分散主拱桁架受力與拱腳推力、減少屋面檁條跨度的作用；內(nèi)圈桁架作為活動屋蓋完全閉合時的收邊支撐桁架，調(diào)整主拱桁架間的內(nèi)力分配，加強屋蓋剛度，同時起到建筑美學(xué)作用；屋面單層網(wǎng)殼可加強屋面剛度，承擔并均化屋蓋面荷載。
活動鋼屋蓋共兩片，每片屋蓋平面呈月牙形，為一薄殼結(jié)構(gòu)內(nèi)嵌于周邊的鋼桁架上，結(jié)構(gòu)面外剛度差。由機械傳動與控制系統(tǒng)支撐于固定屋蓋的六條軌道上，每片屋蓋的支撐總輪數(shù)為22個。每片活動屋蓋的移動由4個牽引點、共16根鋼纜繩牽拉。
圖1 屋蓋示意圖(開閉屋蓋施工安裝)
2. 總體安裝思路
根據(jù)對本工程結(jié)構(gòu)和施工場地的分析，確定以下的開閉系統(tǒng)的安裝方法和流程。
2.1 總體安裝思路設(shè)想
2.1.1拱架安裝
兩臺400t履帶吊看臺內(nèi)外行駛，分段吊裝。
1） 桿件全部在工廠加工、預(yù)拼裝后編號散件運輸，現(xiàn)場拼裝。
2） 現(xiàn)場拼裝采用設(shè)置拼裝胎架，根據(jù)桿件編號進行整體拼裝，拼裝按吊裝分段要求在分段點弦桿上設(shè)置耳板連接裝置，使構(gòu)件拼裝成整體后易于分段。
3） 在拱架分段處下方搭設(shè)臨時高空支撐平臺，來滿足分段安裝的要求，同時也解決分段拱架的高空定位要求。
4） 主、副拱、斜拱的吊裝選擇兩臺400t履帶吊機，分別在場內(nèi)、場外吊機行走路線上吊裝斜拱外側(cè)分段拱架，主拱的中間分段采用兩臺400t履帶吊機雙機臺吊。
2.1.2固定屋蓋安裝
利用400t履帶吊機進行分塊吊裝
1） 與拱架相連的固定屋蓋部分吊裝，在拱架吊裝完成后，吊機退出比賽場后進行。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點，屋蓋可分成六邊形分塊。利用400t履帶吊機跨外行駛，依次進行分塊吊裝。
2） 固定屋蓋安裝完成，進行支撐分步卸載。
3） 分步卸載完成，拱架恢復(fù)到設(shè)計弧度后進行軌道梁、軌道的安裝。
2.1.3 活動屋蓋安裝：采用分片累計滑移
1） 根據(jù)活動屋蓋的臺車分布，活動屋蓋分成四個分區(qū)進行拼裝和累計滑移。
2） 拼裝平臺設(shè)在全開狀態(tài)的最接近拱腳的分區(qū)范圍。進行平臺的塔設(shè)，滑移輔助軌道的安裝。活動屋蓋安裝安裝將采用在體育場東西兩面同時進行“分片滑移法”安裝就位，選用兩臺150t履帶吊機進行輔助安裝。
3. 拱架的施工吊裝方法
3.1 安裝支撐架的設(shè)置
拱架分段吊裝方案的實施，必須要有大量的支撐胎架來保證，在拱架每一個分段處下方搭設(shè)臨時高空支撐平臺，來滿足分段安裝的要求，同時也解決分段拱架的高空定位要求。
本工程施工中要設(shè)置大量的臨時支撐，支撐的設(shè)置位置如圖2、圖3所示。支撐胎架采用格構(gòu)式鋼管組合結(jié)構(gòu)，上部設(shè)有操作平臺、支撐胎架、微調(diào)用千斤頂。高空地面支撐架承重后需要在四周設(shè)置纜風(fēng)繩增加其穩(wěn)定性，纜風(fēng)固定于混凝土看臺上或地面錨固；過樓面支撐設(shè)置分兩種情況，一種在樓板上預(yù)留支撐孔的，無須再設(shè)置攬風(fēng)繩，另一種是在樓面遇到梁或柱而無法在樓面留孔的，須設(shè)置纜風(fēng)繩，同時加固梁或柱。
3.2 拱架吊裝方法總述
拱架吊裝的難度在于：構(gòu)件重量大、吊裝高度高，受土建看臺影響大。如何克服上述困難是本工程鋼結(jié)構(gòu)吊裝的重點。
主要吊裝思路：主拱架分為五段，采用400t大型履帶吊場、場外分段吊裝和場內(nèi)雙機抬吊相結(jié)合的方式進行。
圖2 過樓面支撐設(shè)置(開閉屋蓋施工安裝)
圖3 地面支撐設(shè)置(開閉屋蓋施工安裝)
3.3主要階段分區(qū)安裝作業(yè)
根據(jù)工程特點，根據(jù)構(gòu)件特征及選擇的吊裝方案，將本鋼屋蓋工程分成五個施工區(qū)。（如圖4）
圖4 施工分區(qū)示意圖(開閉屋蓋施工安裝)
3.4吊裝構(gòu)件分段
主拱：以斜拱為界，將主拱桁架分為內(nèi)外兩部分，內(nèi)部雙機抬吊不再分段，最大重量約175t，外部等分為兩段最大重量92.5t。
副拱：在與斜拱相連部分留1m左右桿件最后與斜拱連接固定，余下單側(cè)拱架按照1：2的比例分為兩段，其中較大的一段有一端落地。副拱最大重量56.2t。
斜拱和內(nèi)圈桁架:以主拱為界分段。
3.5 吊機選擇
根據(jù)主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件的分段及重量情況，以及桁架吊裝要求的工作半徑，選用兩臺400t履帶式起重機作為吊裝的主要機械，場內(nèi)、場外各布置一臺。兩臺吊機的機械配置情況如下：場外吊機主臂63m，超起配重200t。場內(nèi)吊機主臂63m，所有吊裝工作中，吊機的最大工作半徑約34m。
400t履帶式起重機性能（按吊裝最不利值）
3.6吊點位置的選擇
吊點位置和吊點數(shù)，根據(jù)桁架形狀，截面，長度，起重機性能等具體情況確定。
由于桁架截面為三角形，為了保證分段桁架在吊裝過程中的穩(wěn)定形，空中姿態(tài)的可調(diào)節(jié)性，并防止分段桁架發(fā)生變形，采用四個吊點，分別位于距離分段桁架兩端1/3處，兩側(cè)吊點相距15m左右。
3.7 拱架安裝的順序
第一步——外圍主拱、副拱以及斜拱的安裝.根據(jù)土建及場地情況首先進行東部結(jié)構(gòu)的施工。施工中采用兩臺400t履帶式起重機，場內(nèi)場外各一臺，同時從場地南端或北端開始向前推進。待安裝完一個分區(qū)鋼結(jié)構(gòu)后再轉(zhuǎn)入下一分區(qū)鋼結(jié)構(gòu)的施工。吊機在繞場一周后完成整個第一階段的安裝任務(wù)。從而減少了吊機的往復(fù)運動，使施工進度更加緊湊。
施工一區(qū)～施工四區(qū)安裝內(nèi)容基本相同，具體以施工一區(qū)安裝為例進行說明，施工一區(qū)主拱及斜拱的安裝共分13個安裝分段進行安裝。
第二步——中間主拱及內(nèi)拱的安裝.
中間部分桁架包括主拱的中間部分及內(nèi)拱兩部分。中間部分桁架的安裝由兩臺400t履帶吊抬吊。在吊裝過程中，吊機從場地一端開始進行吊裝，在完成榀主拱的吊裝，然后在進行兩榀內(nèi)拱的吊裝，最終完成全部后續(xù)主拱及內(nèi)拱的吊裝。
3.8 施工一區(qū)的安裝方法
3.8.1 分段吊裝高空對接的解決
在拱架分段處下方搭設(shè)臨時高空支撐平臺，解決分段拱架的高空定位要求,分段拱架間高空采用耳板連接裝置來對鋼拱架實施空中對接，在整榀拱架安裝完成，進行檢測無誤后，實施最終焊接。（耳板連接裝置見圖5）
圖5 高空對接節(jié)點(開閉屋蓋施工安裝)
構(gòu)件吊裝后在高空中的上下之間的微調(diào)采用設(shè)置在高空支架上的豎向千斤頂來完成，側(cè)向主要利用支撐架上的拼裝胎架來保證構(gòu)件的相對位置，在利用設(shè)置在胎架兩側(cè)千斤頂調(diào)整側(cè)向位移，調(diào)整到構(gòu)件的安裝預(yù)計位置進行整體的焊接工作。
3.8.2 施工五區(qū)的安裝
中間部分桁架包括主拱的中間部分及內(nèi)拱兩部分。中間部分桁架的安裝由兩臺400t履帶吊抬吊完成。在吊裝過程中，吊機從場地一端開始進行吊裝，在主拱吊裝完成后，把副拱與斜拱的連接桿安裝上去，使斜拱與副拱形成整體；在完成榀主拱的吊裝，然后在進行兩榀內(nèi)拱的吊裝，以此類推，完成后續(xù)主拱及內(nèi)拱的吊裝。
吊裝由兩臺400噸吊機從南向北退著吊裝。
整個安裝區(qū)安裝主要過程共分14個安裝步驟進行吊裝。
3.8.3 主拱ZG-C、D中間分段吊裝
吊裝采用雙機抬吊，單臺吊機性能選擇：
雙機抬吊時，根據(jù)起重機的能力進行合理的負荷分配（每臺起重機的負荷不宜超過其安全負荷量的85％）并在操作時要統(tǒng)一指揮。兩臺起重機的駕駛員應(yīng)互相密切配合，防止一臺起重機失重而使另一臺起重機超載。在整個抬吊過程中，兩臺起重機的吊鉤滑車組均應(yīng)保持鉛垂狀態(tài)。
4 鋼結(jié)構(gòu)固定屋蓋網(wǎng)殼安裝
固定屋蓋的安裝，主要解決的難題是，如何分塊使其單層網(wǎng)殼整體吊裝的變形受到控制，如何分塊使拱與網(wǎng)殼連接的相貫面順利對接、安裝就位。
4.1 固定屋蓋（網(wǎng)殼）的概況
本工程固定屋蓋采用單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，支撐在主拱、副拱、斜拱和內(nèi)圈桁架之間，傳遞屋面檁條荷載和加強屋蓋平面剛度。
鋼管與拱架上弦連接采用相貫焊接，鋼管之間連接采用兩種方式，八根鋼管相貫處采用“梅花”形連接點，其余相貫焊接。
4.2 固定屋蓋（網(wǎng)殼）的施工
分析結(jié)構(gòu)特點，采用高空散裝，支撐架消耗量太大。分片安裝，分片無法直接就位。因此采用六邊形分塊吊裝，補裝余留構(gòu)件的安裝思路，進行固定屋蓋網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)安裝。
主拱、副拱吊裝完成，400t履帶吊退出場外后，開始進行單層網(wǎng)殼的安裝，因網(wǎng)殼覆蓋面積大，節(jié)點數(shù)量眾多且采用鋼管相貫節(jié)點形式，高空焊接作業(yè)量大，節(jié)點空間定位難度較大。因此，采用自制吊藍工作承臺配合已施工完成的拱架部分作為施工平臺，保證高空作業(yè)安全，自制吊藍應(yīng)與已安裝的拱架結(jié)構(gòu)連接牢固，以確保工作平臺的穩(wěn)定性和安全性。
根據(jù)施工進度要求，單層網(wǎng)殼的安裝可從一端向另外一側(cè)推進，以減少吊機往復(fù)行走時間。由于網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的特殊性，部分中間接點成“梅花”形連接，高空施工難度大，為了減少高空的拼裝工作量，降低高空作業(yè)難度，同時為了加快施工進度及保證構(gòu)件的安裝質(zhì)量，擬考慮將固定網(wǎng)殼在每一個主拱與副拱之間的整體結(jié)構(gòu)分成1～4塊不等的六邊形構(gòu)件進行吊裝，其它桿件以安裝的六邊形和邊桁架、拱架進行拼裝，由于能組成整體吊裝六邊形的數(shù)量有限，為了保證“梅花”形連接點的質(zhì)量，在地面焊接成行，在兩邊增加吊裝臨時加固桿件，也采用整體吊裝。
吊裝時要注意構(gòu)件兩邊與拱架是相貫節(jié)點連接，安裝時應(yīng)緩緩下降，等一邊相貫就位后，再將另一端就位，臨時固定，調(diào)整好整體弧度、位置后，施焊固定。
根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的分塊及重量情況，以及構(gòu)件吊裝的工作半徑，選用一臺400t履帶式起重機作為吊裝的主要機械，在場外布置。所有吊裝工作中，吊機的最大工作半徑約76m（吊裝中間兩拱之間構(gòu)件時達到此值），構(gòu)件組合成“梅花”形構(gòu)件重量為9.6t，加上吊鉤、拉索等重計1.1t，總重量在10.7t。即在工作半徑76m時，起吊高度在48米，起吊重量為10.7t。吊機的機械配置情況如下：最大主臂91m，超起配重200t。
固定網(wǎng)殼分塊吊裝性能要求
5 活動屋蓋鋼結(jié)構(gòu)的施工
5.1活動屋蓋的特點分析
活動鋼屋蓋是整個開合屋蓋關(guān)鍵部分，其結(jié)構(gòu)形式為單層網(wǎng)殼。整個單層網(wǎng)殼呈月牙形，由兩片完全對稱的網(wǎng)殼組成。網(wǎng)殼由人字斜桿組成菱形網(wǎng)格，并在南北向加設(shè)連桿，使網(wǎng)格成三角形。網(wǎng)殼東西向邊界為三角形截面封邊桁架，所有單層網(wǎng)殼桿件軸線節(jié)點均位于半徑為206.8m的球面上。活動屋蓋由移動臺車多點支撐，臺車軌道位于固定屋蓋的主拱上。軌道共有對稱的6道，南北邊兩道不設(shè)牽引裝置，僅在中間4道設(shè)牽引。臺車支點共44個，每片22個。
活動屋蓋的投影長度201.92m，閉合后的寬度120.466m，沿徑向的最大高差8.86m，沿環(huán)向的最大高差27.481，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)由大直徑鋼管相貫連接組成，鋼管最大直徑Φ630×30位于活動屋蓋的對接直邊，中間部分為Φ450×12～16，收邊采用Φ351以下的鋼管組成的三角形桁架。
5.2安裝方案的選定及總體思路和流程
根據(jù)施工的總體安排和結(jié)構(gòu)的特點。開啟屋蓋的安裝應(yīng)在固定屋蓋全部安裝完成，支撐卸載，并經(jīng)過結(jié)構(gòu)變形觀測和幾何尺寸復(fù)測，滿足機械變形協(xié)調(diào)和補償?shù)囊髼l件下開始安裝的。
考慮到各種因素，優(yōu)化后的施工方案采用分片累積滑移的施工方法。
5.2.1總體安裝思路和流程.
固定屋蓋全部安裝完成，支撐卸載，并經(jīng)過結(jié)構(gòu)變形觀測和幾何尺寸復(fù)測。滿足開啟屋蓋安裝要求。
安裝軌道梁并進行焊接和直線度、標高調(diào)整。
開啟屋蓋鋼結(jié)構(gòu)件在工廠下料、彎制。分段長度約10m。
開啟系統(tǒng)的動力和控制機械在工廠制作和調(diào)試。將開啟屋蓋分成四片進行累積滑移。滑移將利用開閉系統(tǒng)的臺車和軌道進行。
滑移的拼裝平臺盡量靠近柱腳，拼裝節(jié)點設(shè)在主拱和副拱位置，支撐架支撐在主、副拱上弦平面上。
在拼裝平臺上組裝第一滑移單元的屋蓋網(wǎng)殼和在相應(yīng)位置安裝開閉系統(tǒng)機械臺車，臺車與結(jié)構(gòu)
圖6 分區(qū)示意圖(開閉屋蓋施工安裝)
臨時固定進行第一單元滑移。滑移牽引也將利用開閉系統(tǒng)的牽引裝置。
逐步累積進行三次滑移，最后一個滑移單元直接就地組裝。此時的結(jié)構(gòu)位置即是活動屋蓋開啟的位置。
結(jié)構(gòu)滑移過程中，兩邊角部結(jié)構(gòu)因沒有主拱支撐，處于懸臂狀態(tài)，變形很大。需要在此處的副拱上增加支撐點和滑移軌道。
5.2.2活動屋蓋的分片拼裝
在擬定的滑移單元位置搭設(shè)拼裝平臺。拼裝平臺采用腳手架鋼管支撐,支撐在下部看臺樓面上，固定屋蓋網(wǎng)殼只起維護作用不作支撐點用。
根據(jù)混凝土看臺和固定屋蓋的結(jié)構(gòu)的布置，活動屋蓋的吊機只能站在拱腳外圍吊裝。吊裝采用一臺150t履帶吊，構(gòu)件散件吊裝，在拼裝平臺上拼裝成滑移單元。
滑移單元的拼裝的順序是：從中央向兩邊分片推進。
分片安裝先安裝直桿，再安裝相貫斜管。安裝相應(yīng)位置的臺車并臨時固定。安裝副拱滑移支撐。進行單元滑移。滑移后，重復(fù)上述步驟拼裝下一單元屋蓋。一半屋蓋安裝完成后，進行屋蓋的開閉系統(tǒng)調(diào)試。吊機和拼裝平臺轉(zhuǎn)移至另外半邊進行活動屋蓋的滑移施工。
5.2.3分片累計滑移.
滑移的滑動裝置采用開啟屋蓋的臺車，牽引裝置臨時卷揚機牽引裝置。
滑移單元在拼裝平臺上拼裝完成，焊接成為整體。并與相應(yīng)位置的臺車進行臨時固定。臨時固定應(yīng)滿足兩個條件：一是滿足承載力要求，二使方便拆除。因此采用臨時螺栓間隔固定臺車與鋼結(jié)構(gòu)的連接法蘭。
圖7 牽引臺車設(shè)置示意(開閉屋蓋施工安裝)
將滑移單元落放在臺車和軌道上，為了控制結(jié)構(gòu)的變形，在角部的副拱上增加一個支點。該支點只作豎向支撐用，下部設(shè)有滾輪，跟隨滑移單元一同滑移，但不作為牽引點。
在牽引機構(gòu)的牽引下，滑移單元作等標高同步滑移。滑移結(jié)構(gòu)滑移一個臺車間距后，停滑并進行限位。讓出拼裝平臺，進行下一滑移單元的拼裝、滑移。
最后一個單元直接拼裝就位，無需滑移。
6. 結(jié)語
通過該工程的施工實踐，為今后在類似采用大跨度桁架結(jié)構(gòu)、特別是開閉屋蓋系統(tǒng)工程施工提供經(jīng)驗、借鑒；
同時標志著我國對空間開閉結(jié)構(gòu)體系的工程技術(shù)已經(jīng)進入了世界先進水平。
參考文獻
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