深圳宝安体育场屋盖系统钢结构施工技术

　　摘要：深圳宝安体育场屋盖系统为车辐式张拉[1]结构，用钢量小，施工速度快，造型轻盈。但大量的销轴连接、外压环采用超大法兰端板通过高强螺栓[2]对接，加之索结构定尺定长的设计，对钢结构的制作和安装精度提出了极高的要求。本文针对该工程的这一特点，对如何确保钢结构的顺利施工及精度控制进行了研究和讨论。
　　关键词：外压环；张拉；精度
　　
　　一工程概况
　　深圳宝安体育场作为2011年深圳大学生运动会比赛场馆（图1），工程总用地面积为12.3565万m2，总建筑面积为10.0491万m2，地下室2.6625万m2，设计座位4万个，设计使用年限为50年。宝安体育场屋盖系统采用先进的张拉索膜结构，立面柱子交错布置形成“竹林”效果，既承受屋盖的重量，又有节节高的寓意。宝安体育场由柔性屋盖结构与支承柱组成。柔性屋盖结构由外压环、内拉（索）环以及连接内外环的索桁架组成，两个轴的长度为237m×230m。环平面投影尺寸为129m×122m。外环梁最高点和最低点之间高差为9.65m；钢箱梁[3]截面呈“目”字形，尺寸1.8m×1.1m且水平放置。由于外环梁轴线并非在一平面内，径向索力作用使环梁下的支承柱部分承受拉力作用。柔性索桁架共36榀，其上下弦布置呈内凹形，最大跨度54m，由飞柱、上下弦索以及连接上下弦的竖向拉索组成。飞柱18m，采用圆钢管截面。内环采用两层柔性索，每层水平放置3根，分别连接在索桁架飞柱的上下两端。整个屋盖结构基本是一个张拉成型自平衡受力体系，放置在36根环形布置的支承柱上。支承柱并非竖直放置，而是向外侧倾斜，均为圆形钢管制成，支承柱中包括8根A字形柱，即由两个分肢组成，在与外环梁连接处交会。A字型柱在整体屋盖结构中主要提供抗侧刚度。
　　1效果图
　　
　　a)深圳宝安体育场效果图b)平面尺寸
　　图1深圳宝安体育场
　　屋盖造型呈马鞍面并覆盖白色PTFE膜，类似片片“白云”。“竹林”与“白云”（图1a）的有机结合使整个建筑显得非常轻盈通透，无压迫感。
　　2主要剖面图及其主要参数
　　宝安体育场的屋盖是双层车辐式张拉结构，由柔性屋盖结构与支承柱组成。柔性屋盖结构由外压环体系（包括压环箱梁及支撑柱）、内拉（索）环以及连接内外环的索桁架组成（图2a）。外环梁是一个位于马鞍面上的空间曲梁，钢结构最高点标高35.2m；外环梁为单层钢箱梁，内设加劲板，截面呈倒放的“目”字形。由于外环梁轴线并非在一平面内，径向索力作用使环梁下的支承柱部分承受拉力作用。柔性索桁架共36榀，其上下弦布置呈内凹形，最大跨度54m，由飞柱、上下弦索以及连接上下弦的竖向拉索组成。外压环外侧由起装饰作用的幕墙柱、幕墙环梁组成（图2b），与外压环一起形成“竹林”的效果。
　　
　　a)结构整体剖面示意图b)钢结构剖面图
　　图2结构剖面图
　　飞柱（图2aFlyingcolumn）高18m，采用圆钢管截面。内环（图3a）采用两层柔性索，每层水平放置3根，分别连接在索桁架飞柱的上下两端；两个相邻径向索桁架之间还布置有多道环向索以及圆管截面的钢拱，钢拱上覆PTFE膜。整个屋盖结构基本是一个自平衡受力体系，支撑在36根环形布置的主结构柱上。主结构柱并非竖直放置，而是向外侧倾斜，均为圆形钢管制成，支承柱中包括8根A字形柱，即由两个分肢组成，在与外环梁连接处交会。A字型柱在整体屋盖结构中主要提供抗侧刚度。
　　
　　图3屋盖主结构单元示意图
　　3主要构件及节点形式
　　3.1压环箱梁箱体翼缘与腹板之间焊缝如下图所示，箱体与法兰端板之间的焊缝为二级焊缝。
　　
　　a)压环箱梁端部b)压环箱梁法兰端板
　　
　　c)压环箱梁截面尺寸d)压环箱梁组合焊缝
　　图4压环箱梁
　　压环箱梁长度长，重量重，加之法兰端板与箱体之间的角度变化不一而巨大的法兰端板之间采用高强螺栓连接（图4a、b），要求法兰端板之间贴合紧密，还要保证压环箱梁的角度和合拢精度。另外，索结构定长索的采用，也在客观上提高了对钢结构安装精度的要求，因此压环箱梁的制作和安装精度控制对宝安体育场屋盖系统工程施工的成败至关重要。
　　
　　图5主结构柱A型与压环箱梁连接节点图6法兰端板定位示意图
　　3.2主结构柱A型（图5）与压环箱梁之间节点形式复杂，采用超大法兰端板通过高强螺栓连接，既要保证端板贴合紧密，又要确保钢柱之间的角度正确，稍有不对，要么柱脚无法安装，要么柱顶节点无法准确对位，制作安装难度大。
　　宝安体育场屋盖结构独特的马鞍面的造型、竹林柱的支承效果，使得车辐式张拉结构的设计与施工具有较大的难度。同时由于这类结构“形”与“力”的紧密相关性，造就了其结构设计与施工之间的紧密相关性。
　　
　　二钢结构施工
　　1安装总体思路
　　针对本工程精度要求高，国内相关经验缺乏的现状，我们根据以往其他钢结构工程施工的经验，为保证钢结构安装的安全和质量，结合现场实际与索结构施工工艺流程（图7）进行方案比对，确定了“分区施工、流水作业，先内后外、先主后次，分段吊装、高空成型，大型吊机、场外作业”的施工总体思路，有序组织，合理穿插，确保工程快速、顺利进行并满足设计和规范规定的质量要求，为下道工序——索膜张拉创造有利的条件。
　　钢结构安装前，对结构进行电脑模拟计算，设计承载力满足施工荷载及便于施工操作的临时支撑胎架，并结合计算结果对局部结构进行加固处理。使结构在交付给索膜专业时保证其空间稳定性。钢结构卸载采用双轴对称同步卸载，胎架拆除后，移交给索膜专业使用。
　　具体吊装顺序详见本文正文第3.2条。
　　
　　a)展开拉索b)千斤顶就位c)张拉上径向索及飞柱安装
　　
　　d)下径向索及环索安装e)张拉下径向索f)张拉成型
　　图7索结构施工工艺流程
　　2钢结构制作
　　2.1技术要求
　　本工程特殊的精度要求——对于压环箱梁转角的偏差受到连接压环和柱的影响，最大的转角偏差应小于0.5mm/1000mm，所有的因素叠加所产生的综合制作误差不应该超过±10mm，钢结构安装的总误差不应超过±20mm。对于该类结构，这种安装精度要求是非常苛刻的。为了保证构件的加工质量，我们对压环箱梁制定了专门的制作工艺，并进行了工厂预拼装（图8）。每个压环箱梁制作精度均须满足要求，每四分之一区共九段压环箱梁总长度满足要求后，构件方能出厂。
　　2.2压环箱梁制作关键技术
　　压环箱梁为箱型多腹板环梁，并且作为本工程主要受力构件，其加工难点为保证空间箱型法兰精确连接。法兰端板的定位按照以下步骤及方案进行控制：
　　（1） 箱体上下翼缘的中心线上，距端部3000m位置，检查该点到端板四个角点的距离：L1，L2，L3，L4四条线的长度，其长度误差控制在±2mm。（如上图6所示）
　　（2） 构件整体长度允许偏差±1mm；
　　（3） 柱身扭曲≤±3mm；
　　（4） 端板端铣之前不平整度控制在2mm;
　　（5） 法兰板之间（端板）要求顶紧连接，允许局部（小于25%）间隙小于1mm。
　　（6） 穿孔率100%
　　2.3预拼装
　　为了达到宝安体育场屋盖钢结构安装的精度要求，我们按照该工程的相关技术要求，在加工厂对压环箱梁的制作质量进行了严格的控制，其中最为重要的一项为压环箱梁预拼装（图10）。
　　压环箱梁共36段，关于X、Y轴对称，预拼装每9段为一个拼装单元，每次拼装数据合格后需预留一段作为下一个拼装单位的起始点。
　　
　　
　　
　　
　　a)预拼装方法b)预拼装现场照片
　　图8压环箱梁预拼装
　　每一段压环箱梁均经过严格的预拼装检查，构件长度，法兰端部相对于压环箱梁梁身的转角，每四份之一区的压环箱梁总长度均经测量，处于受控状态后方可出厂。
　　3安装精度控制措施
　　由于本工程单个构件长度长，重量重，尤其压环箱梁长度易受到温度变化的影响，不均匀光照会导致法兰端板角度有偏差，导致压环箱梁安装累计误差的增长，影响后续箱梁的安装精度；且大量铰接连接的钢柱，对压环箱梁的空间定位影响较大；而支撑胎架高度高，整体性及刚度较小。这些因素都使得如何采取有效措施控制钢结构的安装精度成为本工程质量控制的重点和难点。
　　根据以往钢结构安装的经验，结合我们对本工程相关图纸及技术要求的理解。我们采取了如下三点主要措施来保证压环箱梁的安装精度和顺利合拢。
　　3.1压环箱梁留设活口
　　
　　a)活口布置图及吊装顺序图b)活口详图
　　图9压环箱梁活口
　　如图11所示，在压环箱梁的高点和低点共四个位置留设活口(图9a)，有利于减小或消除安装过程中各种综合因素对压环箱梁的安装带来的累积误差。具体方法为每四分之一区的压环箱梁安装完成后，通过与之相连的下一段压环箱梁上（类似于抽屉构造的活口，如图10b）可微调的端头板来消除或减小这个累积误差，既满足法兰端板的贴合度，保证高强螺栓的穿孔精度，又使得后续区域的压环箱梁的累积误差不会继续增加。
　　3.2合理安排吊装顺序
　　由于压环箱梁下端的钢柱均为倾斜放置，且没有一个上下端全部采用刚接连接，如安装顺序安排不合理，会造成压环箱梁的安装精度受到其他构件安装的影响。综合考虑，我们将与压环箱梁直接连接的钢柱和其它不直接影响压环箱梁安装精度的构件分开考虑。总体上让压环箱梁先安装，调整到位，满足空间定位的精度要求后及时合拢，合拢后再安装钢柱和其他构件。
　　
　　图10主结构吊装顺序照片（局部）
　　3.3简单准确的测量方法
　　由于本工程测量定位要求高，且测量的重复次数多，加之正在要测量的压环箱梁索膜孔中心是无法直接测量得到的，因此必须采取恰当的方法使得测量及准确又方便，还可随时监测钢结构的空间位移等。
　　
　　a)压环箱梁控制点b)压环箱梁控制点
　　图11压环箱梁布置图及反光片实物照片
　　结合上述条件的限制和相应的施工及技术要求，我们采取了将索孔中心点向外引的方法，即引至C1点(图13b)，具体做法为将50*50*5的角钢焊接在索孔耳板一侧，在距离索孔中心140mm的地方贴反光片，作为监测压环箱梁安装精度的主要控制点，并在模型中找到这点的坐标。
　　通过上述三种主要措施，钢结构合拢后，业主、监理、第三方、索膜单位及我们共同对压环箱梁的安装精度进行了测量，36段压环箱梁安装精度完全满足设计要求的±20mm范围内。
　　3.4创新的安装方法
　　本工程的钢柱倾斜，角度变化不一，根据对比，我们放弃了对钢柱采用格构式支撑胎架以及采用单个钢管对钢柱进行侧向支撑的方案，仅在压环箱梁两端采用格构式支撑胎架进行临时支撑，主结构柱则直接与柱脚支座和压环箱梁连接，不需要临时支撑措施。外圈的幕墙柱采用双向缆风绳的方法对钢柱进行临时固定，分两步就位的方法进行安装。还提高了钢柱安装的效率，降低了施工成本，使本工程的工期得到了极大的提前。
　　
　　a)原支撑胎架方案b)实际支撑胎架
　　图12临时支撑系统
　　三结束语
　　针对深圳宝安体育场钢结构的特点，我们采取了上述极具针对性的措施，优质高效地完成了深圳宝安体育场屋盖系统钢结构工程的施工，并给索结构的顺利施工创造了有利条件。工程进度满足合同要求，工程质量满足设计和国家相关规范要求，安全管理成功达到了合同中的约定。尤其是钢结构安装精度成功满足本工程技术要求，得到了本工程相关科研院所、后续施工单位、业主及监理的认可。
　　本文针对这种用钢量小、现场焊接少，销轴及法兰端板高强螺栓连接较多、钢结构整体安装精度要求特别高，且后续有定长索张拉的钢结构工程提出了一些参考方案，填补了国内关于张拉成型自平衡体系中钢结构施工的技术空白。
　　
　　参考文献
　　[1]郭彦林，江鑫磊，田广宇。车辐式张拉结构张拉过程模拟分析及张拉方案研究[J]。施工技术，2009年第38卷第3期。
　　[2]GB50017-2003钢结构设计规范[S]
　　[3]陈绍蕃，钢结构设计原理[M].02版，北京：科学出版社，1998

《深圳宝安体育场屋盖系统钢结构施工技术》

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