1、工程概況
國家網(wǎng)球中心新館地處綠色掩映的奧林匹克森林公園內(nèi)，為北京地區(qū)最大，具有國際先進水平的網(wǎng)球比賽場館，總建筑面積約51199?，總用地面積約17公頃。賽時觀眾總數(shù)為13598人。為滿足賽事要求及多種功能需要，工程采用了可開啟式活動屋蓋,見圖1。
本工程主體建筑地上8層，周邊附屬用房1層,地下1層。建筑高度最高點為50米。屋蓋結(jié)構(gòu)為大跨度焊接球網(wǎng)架結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)平面為投影直徑136.7m的圓形，結(jié)構(gòu)總用鋼量為2000多噸。
本工程屋蓋結(jié)構(gòu)主要由三部分組成：1、分布于場館周圍支承柱上的20個鑄鋼支座；2、支承上部開啟屋蓋的兩道軌道桁架；3、焊接球組成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。
2. 工程重點難點分析
2.1.屋面網(wǎng)架桿件眾多，現(xiàn)場安裝周期較短。
2.2.施工場地狹小，拼裝場地相對分散。
2.3.在整個
鋼結(jié)構(gòu)安裝過程中，與土建單位相互交叉施工，影響吊車進行構(gòu)件吊裝。
2.4.為實現(xiàn)整體屋蓋曲面效果，構(gòu)件安裝定位、測量控制是整個安裝過程的難點。
2.5.高空焊接質(zhì)量也是保證工程施工質(zhì)量的關(guān)鍵。
2.6.屋蓋為焊接球網(wǎng)架，臨時支架數(shù)量較多，且下方有混凝土看臺結(jié)構(gòu)，保證混凝土看臺結(jié)構(gòu)的安全性也是本工程實施的重點。
3、 現(xiàn)場拼裝及吊裝方案
3.1 安裝方案的選定
本工程鋼結(jié)構(gòu)屋蓋施工具有以下特點：
（1）整個鋼結(jié)構(gòu)工程占地面積大，構(gòu)件數(shù)量較多，施工吊裝作業(yè)面大。
（2）鋼結(jié)構(gòu)吊裝工期緊迫。
（3）屋蓋結(jié)構(gòu)重量重,所需吊裝設(shè)備作業(yè)半徑較大，安裝高度達40多米，安裝難度大。
（4）屋蓋下部為已完成的混凝土看臺結(jié)構(gòu)，分布面積較大，對吊機的選擇提出了要求，另外
鋼結(jié)構(gòu)安裝對混凝土施工形成交叉作業(yè)，故施工協(xié)調(diào)要求高。
（5）本工程局部為三層網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，其在安裝階段和整體成型后的空間剛度相差懸殊，對吊裝方法提出了嚴格要求。
現(xiàn)場條件的限制較多，基于這種情況，排除了對下部混凝土施工有很大影響的搭設(shè)滿堂手架的方案，我們選擇了將屋蓋劃分成若干拼裝單元，在地面組拼完成，再采用大型履帶吊車從場外吊裝，結(jié)合高空嵌補散裝的安裝方案，即“分區(qū)施工、分塊吊裝”。此方案既能保證施工質(zhì)量又能滿足施工進度，同時也可減少對其他專業(yè)工程施工的影響。
3.2現(xiàn)場拼裝方案
3.2.1. 現(xiàn)場拼裝主要內(nèi)容
根據(jù)本工程的結(jié)構(gòu)特點，結(jié)合現(xiàn)場擬定的吊裝方案，現(xiàn)場拼裝分如下兩種：
1、 軌道桁架分段的拼裝；
2、 焊接球網(wǎng)架分塊的拼裝。
3.2.2.軌道桁架分段的拼裝
每道軌道桁架重約200噸，分段按吊裝起重量進行劃分，北區(qū)軌道桁架劃分為9個分段，南區(qū)劃分成8個分段，分段重量及編號如下圖2所示：
軌道桁架每三個吊裝分段在一起進行預(yù)拼裝，檢查對接無誤后，做好對接標記，將前兩個吊裝分段移走后，以第三個吊裝分段為媒介對后續(xù)拼裝單元進行定位和精度控制，即“3+1”拼裝形式。通過此方法可以達到構(gòu)件的整體精度控制要求。
軌道桁架的拼裝在專用平臺上進行，在平臺上劃出上下弦桿、腹桿中心線，設(shè)置支撐胎架，胎架采用鋼管立柱加懸挑定位牛腿的形式設(shè)置，然后吊裝上、下弦桿件，分別從中間向兩端進行定位組裝。
上下弦桿件組裝后，進行腹桿的組裝，完成后即進行焊接，焊接采用CO2氣體保護焊，焊接從中心向兩端對稱焊接，先焊下弦后焊上弦，保證桁架產(chǎn)生向上的撓度，焊后UT探傷并進行局部矯正。
桁架分段組裝完成后進行自檢，并交監(jiān)理方驗收檢查，檢查合格后利用拼裝機械將桁架分段移至安裝位置附近準備吊裝，下圖3。
3.2.3.焊接球網(wǎng)架分塊的拼裝
網(wǎng)架部分共劃分成34個分塊，北區(qū)10塊，南區(qū)8塊，東區(qū)8塊，西區(qū)8塊，分塊如圖4所示：
3.2.4、雙層網(wǎng)架拼裝
拼裝胎架設(shè)置時先根據(jù)網(wǎng)架坐標轉(zhuǎn)化后的投影點鋪設(shè)鋼路基板，放設(shè)投影線、標高線及支點位置，形成田字形控制網(wǎng)，然后豎胎架直桿，設(shè)置懸挑定位牛腿及斜撐。胎架設(shè)置應(yīng)與相應(yīng)的網(wǎng)架設(shè)計、分段重量及高度進行全方位優(yōu)化選擇，另外胎架高度最低處應(yīng)滿足全位置焊接所需的高度，驗收合格后方可使用。
將網(wǎng)架下弦層桿件吊上胎架進行定位，定位后用卡馬固定，桿件焊接從中間向兩端進行。然后進行網(wǎng)架上弦層桿件的定位組裝及焊接。
網(wǎng)架上下弦桿件定位組裝后，進行腹桿的安裝，從中部向兩側(cè)對稱進行，通過調(diào)整上下弦間距進行安裝，定位后檢查，合格后對腹桿與上下弦桿焊接，焊接采用CO2氣體保護焊，焊接采用雙數(shù)焊工從中心向兩側(cè)對稱施焊，先焊下弦桿件，后焊上弦桿件，如圖5焊后進行UT探傷。
3.2.5、三層網(wǎng)架拼裝
三層網(wǎng)架的拼裝同樣在專用平臺上進行，三層網(wǎng)架下層和中層網(wǎng)架的拼裝參照雙層網(wǎng)架分塊單元的拼裝工藝流程。拼裝完成后，進行上層網(wǎng)架焊接球節(jié)點及腹桿的定位焊接。將上層網(wǎng)架單個焊接球節(jié)點與相連腹桿劃分成一個小單元進行整體定位組裝，如下圖6所示：
根據(jù)已經(jīng)定位好的球節(jié)點，進行上層弦桿間嵌補桿的定位組裝，檢查合格后，對弦桿、腹桿與焊接球進行焊接。
網(wǎng)架分塊單元組裝焊接結(jié)束后，拆除定位焊，使網(wǎng)架單元呈自由狀態(tài)，通過全站儀測量采集數(shù)據(jù)與設(shè)計理論數(shù)據(jù)值進行比較，確定網(wǎng)架組裝焊接的誤差，并填寫測量記錄，作為吊裝定位依據(jù)。
3.3現(xiàn)場吊裝方案
3.3.1.臨時支撐設(shè)計
(1).支撐布置:臨時支撐在整個結(jié)構(gòu)吊裝過程中起著承重作用，吊裝完成后，又通過臨時支撐對結(jié)構(gòu)進行卸載，所以支撐的設(shè)置顯得尤為重要。根據(jù)方案每個吊裝單元設(shè)置四個臨時支撐，如圖7共182根。
(2).支撐設(shè)計:結(jié)合本工程吊裝分段重量重，安裝高度高，下部為混凝土看臺的結(jié)構(gòu)特點，臨時支撐采用格構(gòu)式結(jié)構(gòu)。胎架的最大受力為35t(極限承載力為60t)，此時胎架水平變形20mm，豎向變形5mm，滿足受力要求。為增加支撐穩(wěn)定性，相鄰支撐通過橫向桁架連接，形成門架式支撐體系。對于部分高度較高的支撐拉設(shè)纜風繩。見圖8
(3).支撐下部結(jié)構(gòu)加固:臨時支撐下端與混凝土看臺連接處須保證混凝土結(jié)構(gòu)不被破壞,對設(shè)置在混凝土柱上的支撐不必進行另外加強，對設(shè)置在混凝土板上的支撐支通過加設(shè)轉(zhuǎn)換鋼梁進行受力轉(zhuǎn)換，將支撐的受力傳至斜看臺梁上，確保結(jié)構(gòu)及吊裝安全。
3.3.2. 機械設(shè)備的配置要求
根據(jù)選定的方案及網(wǎng)架、桁架的分塊重量，結(jié)合現(xiàn)場的施工條件，吊裝機械選用400噸履帶吊（48米主臂+60米副臂工況），其最大起重量為49噸，起重半徑最大為74米。按此工況對照每一分塊單元的重量，HJ1-HJ17為軌道桁架，最大吊裝分塊是HJ10和HJ17，重38.4t；X1-X4、D1-D4為雙層網(wǎng)架，最大吊裝分塊是X1和D1，重22.7t；其余分塊為三層網(wǎng)架，最大分塊是X5和D5，重40.6t。每一分塊單元的重量均在吊車的起吊能力之內(nèi)，滿足施工要求，同時也說明了對網(wǎng)架和桁架的分塊的合理性。
吊裝前對現(xiàn)場路面采用C20混凝土或碎石進行硬化處理。
3.3.3. 安裝順序
吊裝從西北側(cè)開始起吊。吊車行走路線如圖9所示：
履帶吊繞結(jié)構(gòu)外側(cè)道路進行吊裝時需注意以下要求：1、整體結(jié)構(gòu)施工階段，場地四周共布置四臺塔吊，分別位于結(jié)構(gòu)的東南西北四個角點。履帶吊位于塔吊附近吊裝時，應(yīng)協(xié)調(diào)塔吊，避免履帶吊臂桿與塔吊臂桿沖突。2、由于履帶吊在結(jié)構(gòu)外側(cè)吊裝，結(jié)構(gòu)安裝時履帶吊車司機無法目測場內(nèi)安裝情況，故安裝過程中應(yīng)配備經(jīng)驗豐富的起重司機和場內(nèi)指揮人員，保證安裝的順利進行。
3.3.4. 吊裝分塊吊點的設(shè)置
三層網(wǎng)架分塊是不規(guī)則形狀，吊裝前吊點的選擇帶來了不少難度，對此我們先在CAD模型中確定分塊的重心位置，根據(jù)重心的位置選擇合理的吊點。
在吊裝過程中，根據(jù)已選定的吊點系上吊裝繩索，移出胎架后待分塊處于平衡時再起吊，分塊不能處于平衡時，則對吊點位置進行調(diào)整。
3.3.5. 吊裝驗算分析
為保證吊裝時分塊、支撐及下部混凝土結(jié)構(gòu)的安全，選擇典型的吊裝分塊進行吊裝、落架驗算見圖10~12。
（1） 吊裝分塊HJ10
吊裝驗算
結(jié)論：網(wǎng)架分塊最大豎向變形10.04mm，去除繩索向下伸長約9mm，網(wǎng)架自身變形10.04-9=1.04mm，1.04/8000，滿足變形要求。網(wǎng)架分塊最大組合應(yīng)力12.35Mpa，滿足強度要求。網(wǎng)架分塊應(yīng)力比小于1，滿足穩(wěn)定要求。
落架驗算見圖13~15
結(jié)論：網(wǎng)架分塊最大豎向變形0.21mm，0.21/8000=1/40000，滿足變形要求。網(wǎng)架分塊最大組合應(yīng)力10.72Mpa，滿足強度要求。網(wǎng)架分塊應(yīng)力比小于1，滿足穩(wěn)定要求。
（2）吊裝分塊D5
吊裝驗算見圖16~18
結(jié)論：網(wǎng)架分塊最大豎向變形28.48mm，28.48/18000=1/632，滿足變形要求。網(wǎng)架分塊最大組合應(yīng)力70.04Mpa，滿足強度要求。網(wǎng)架分塊應(yīng)力比小于1，滿足穩(wěn)定要求。
結(jié)論：網(wǎng)架分塊最大豎向變形2.73mm，2.73/18000=1/6593，滿足變形要求。網(wǎng)架分塊最大組合應(yīng)力-38.96Mpa，滿足強度要求。網(wǎng)架分塊應(yīng)力比小于1，滿足穩(wěn)定要求。
3.3.6. 構(gòu)件起拱
本工程跨度達80米，且有重約500噸的活動屋蓋支承在軌道桁架上，結(jié)構(gòu)會有一定的變形，見圖22。根據(jù)計算得到變形值如；D1=D2=5.95mmD3=D4=49.20mm
由圖中可知，變形值最大的部位在南北桁架和東西網(wǎng)架的中間位置，根據(jù)圖中計算出的變形值確定每塊吊裝單元的起拱值，吊裝時根據(jù)起拱值進行起拱。
3.3.7.吊裝定位要求
所有準備工作完成后，按照計劃進行第一榀桁架的吊裝，全程采用全站儀進行定位，完成后進行下一榀桁架的吊裝，兩榀桁架吊裝完成后進行中間嵌補桿件的安裝，確保已吊裝單元能形成整體穩(wěn)定體系。
同樣的每一榀網(wǎng)架吊裝完成后進行嵌補桿件的安裝，按計劃依次進行。最后選擇合理條件進行整體合攏，見圖23~25。
4． 結(jié)構(gòu)卸載分析
鋼結(jié)構(gòu)整體合攏以后，在混凝土后澆帶澆注完畢且強度達到80%設(shè)計強度時，進行整體卸載工作。根據(jù)計算模擬卸載前和最終成形后的變形，來確定大體的卸載思路，見圖26~28。
工程卸載共分為3個區(qū)，一區(qū)為外圈形成的區(qū)域，二區(qū)為中間四個支撐形成的區(qū)域，其余部分為三區(qū)。
一區(qū)在合攏工作完成后，將支座擱置在設(shè)計位置，不進行完全固定；2區(qū)四個大柱子嵌補桿件安裝完成后即進行完全固定。整體卸載后，一區(qū)16個支座在自重變形作用下，將有部分支座出現(xiàn)拉力，支座先不固定可將此拉力完全釋放掉，支座變形完成后再將1區(qū)16個支座進行完全固定。卸載時一區(qū)處支點一次到位全部卸載，二區(qū)支點一次到位全部卸載，三區(qū)支點分三步循環(huán)卸載。三區(qū)分為左右支撐點和上下支撐點四個小分塊，卸載時先卸載左右支撐點，再卸載上下支撐點，循環(huán)3次完成三區(qū)胎架卸載工作，每一個小分塊內(nèi)的支撐點卸載時采用“等比同步”卸載，如圖29~31
通過全過程的卸載分析，可得知結(jié)構(gòu)卸載過程中的應(yīng)力變化情況，為結(jié)構(gòu)卸載安全提供計算依據(jù)。
將結(jié)構(gòu)卸載過程中典型部位的應(yīng)力和應(yīng)變情況繪出圖表，同時跟蹤支撐反力的變化，以得到支撐在卸載過程中出現(xiàn)的最大反力，為支撐設(shè)計提供依據(jù)。如下圖所示，
經(jīng)過以上卸載分析表明，按上述順序進行支撐卸載，在卸載過程中，主體結(jié)構(gòu)緩慢受力，變形均勻，沒有出現(xiàn)受力及變形突變情況，典型部位屋蓋的應(yīng)力變化從40Mpa逐漸增加到160MPa，豎向撓度從2mm逐漸增加到50mm，最大反力為35t，胎架最大應(yīng)力190MPa，滿足強度要求，胎架變形較小，剛度要求亦可滿足。在工程實際卸載過程中也驗證了此方法的安全、可靠、可行，見圖32~33。
5.結(jié)語
國家網(wǎng)球中心新館采用開啟式活動屋蓋，結(jié)構(gòu)跨度大，給施工帶來了不少難度，本文闡述了網(wǎng)架工程的拼裝、吊裝及卸載技術(shù)方案，對國內(nèi)首座大跨度開啟式屋蓋網(wǎng)架工程的安裝技術(shù)進行了較為全面、系統(tǒng)的研究和論證，為國內(nèi)此類工程的安裝提供了先例。同時本工程高質(zhì)量、高效率按時完工，也充分證明了我公司在同類工程中的技術(shù)實力和管理水平。
6.參考文獻
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[3] 《重慶袁家崗體育場網(wǎng)殼罩棚
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[4] 侯兆欣，張海軍，季小蓮等，新加坡MEGA會展中心大跨度
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作者簡介：周永明（1973-），江蘇滬寧鋼機股份有限公司設(shè)計所所長， 工程師、一級建造師
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