0 引言

　　 近年来随着我国工程建设水平不断提高,大跨度空间钢结构也在不断朝着现代化、复杂化的方向蓬勃发展。大跨度复杂空间钢结构的工程建设水平已经成为衡量一个地区建设技术水平的重要依据。

　　 目前国内大跨度钢结构的施工方法主要有高空散装法 ^[1]、分条分块吊装法 ^[2]、高空滑移法 ^[3]等,杭州奥体博览中心体育场 ^[4]采用大型履带式起重机跨内外吊装法进行大悬挑椭圆环形钢罩棚结构的安装; 吉林市人民大剧院钢结构 ^[5]采用卧式连续拼装法来安装重型主拱并结合三维建模来搭设组装胎架; 滨湖会展中心 ^[6]在主桁架下弦交叉节点设置格构式支撑,实施屋盖钢结构的安装和施工; 北京五棵松体育文化中心篮球馆 ^[7]采用高空累积滑移的施工方法进行巨型钢结构桁架的安装。

　　 蚌埠奥体中心体育场创新性地运用了调谐质量阻尼器(TMD)减振技术和龙鳞金属屋面板,并且整体钢结构具有结构造型复杂,为了确保大悬挑预应力罩棚钢结构的施工安全性,同时为了保障结构在使用阶段的稳定性、适用性和耐久性,本文研究了体育场罩棚钢结构的高空拼接过程、TMD减振系统的设置、大悬挑罩棚钢结构的预应力张拉、龙鳞金属屋面板的模块化施工、施工全过程监测等一系列施工新技术 ^[8]。

1 工程概况

　　 蚌埠奥体中心项目位于安徽省蚌埠市龙子湖旁,由体育场、体育馆、多功能综合馆、体校和景观塔组成(图1)。体育场整体造型呈现出蛟龙戏珠的优美造型,总建筑面积为144 751m²。

　　 图1 蚌埠奥体中心效果图  

　　  

　　 蚌埠奥体中心体育场的平面形状呈圆形,直径为258m,建筑面积为41 400m²,由上部罩棚钢结构和下部混凝土看台组成。其中体育场东侧为大罩棚钢结构,西侧为小罩棚钢结构,罩棚最高约55m,最低约10m,钢结构罩棚表面铺设铝锰镁金属板,展现出蛟龙层层鳞片的建筑美学形态 ^[8]。

　　 如图2所示,大罩棚钢结构和小罩棚钢结构之间相互独立,通过型钢混凝土柱与混凝土看台连接,上部钢结构罩棚采用大悬挑预应力实腹型钢梁-三向多点圆管支撑的结构体系,主要由径向工字形钢梁、水平环向联系杆和斜向支撑杆组成 ^[8],首先利用斜向支撑杆连接径向钢梁与型钢混凝土柱,再使用多道环向联系杆及水平支撑杆将径向钢梁连接成整体。

　　 图2 罩棚钢结构的构造  

　　  

　　 罩棚钢结构钢材均采用Q345B,共有76根径向变截面H型钢梁,钢梁截面最大高度为3 000mm,最小高度为1 000mm,径向钢梁长度最短为2 111mm,最长为60 876mm; 西侧大罩棚圆钢管水平支撑、斜向支撑截面尺寸主要为ϕ800×18,东侧小罩棚圆钢管支撑截面尺寸主要为ϕ800×18和ϕ800×25; 环向联系梁的主要截面尺寸有ϕ400×18,ϕ600×25,ϕ800×18,ϕ800×25,ϕ800×80,马道构件主要截面尺寸为ϕ200×10,ϕ150×10 ^[8]。

2 蚌埠奥体中心体育场施工技术难点

　　 蚌埠奥体中心体育场的大悬挑预应力罩棚钢结构的施工全过程主要包括:工厂制作、现场焊接、高空拼接、预应力张拉、卸载成型等多个施工阶段。其施工技术难点可以归纳如下:

　　 (1)构件规格和数量繁多,现场焊接量巨大。大罩棚钢结构、小罩棚钢结构的构件规格多达30种,数量多达950件。构件之间采用对接或相贯焊进行连接,焊接方式涉及平焊、横焊、立焊和仰焊,焊接工作量大且多为高空作业,对焊接质量要求极高。

　　 (2)铸钢节点复杂、类型多。不同截面的构件之间进行焊接连接时易造成应力集中,不利于构件受力。本工程为了克服应力集中的影响,在径向钢梁与圆钢管斜向支撑的连接处和斜向支撑与型钢柱的连接处使用大型铸钢节点,实现不同截面构件之间的连接。

　　 (3)空间弯曲构件的制作和定位难度大。径向钢梁采用变截面H型钢梁,构件外形尺寸较大,同榀钢梁的截面最大高差达2m; 不同曲率拼接段的加工精度大,现场的操作很难满足高空中的定位安装,作业难度较大。

　　 (4)温度应力影响大,拼装精度控制难度大。罩棚钢结构通过下部的三向多点圆管支撑在型钢混凝土柱上,支座伸缩冗余量不大,施工过程中结构受到自重和温度变化影响均会产生变形,安装精度控制难度大。

　　 (5)减振系统安装工艺要求高。本工程在径向钢梁的悬挑端处共设置了44个调谐质量阻尼器(TMD),每个阻尼器自重达1t左右,需要大型起重机械精确吊装至指定安装节点,不得随意磕碰,对于施工安全要求性高。

　　 (6)预应力整体张拉难度大。预应力拉索用索夹具和锚具沿着空间弯曲径向H型钢梁下翼缘固定,整体呈曲线形态。分段张拉时拉索的受力情况和平衡条件复杂,对预应力的张拉技术要求高。

　　 (7)卸载技术要求高。罩棚钢结构的主要构件拼装到位后,需要拆除临时支撑胎架。本工程卸载点多达45个,卸载过程复杂且易造成结构的损坏,需要分步逐级卸载。

　　 (8)龙鳞金属屋面板模块化施工技术要求高。大罩棚钢结构、小罩棚钢结构为空间双曲面造型,每块金属屋面板均需要相对独立定位,对于龙鳞金属屋面板模块化施工精度要求高。

　　 (9)施工监测技术要求高。施工全过程包括安装和卸载两个主要施工阶段,对钢结构整体建模进行有限元仿真模拟,并且对关键构件进行全过程应力和变形监测,以保证施工安全。

3 蚌埠奥体中心体育场罩棚钢结构施工方法

　　 结合本工程的结构特点,综合考虑施工现场条件、工程质量、施工安全、进度要求等因素,体育场的罩棚钢结构采用高空分段拼装+胎架分级卸载进行施工。根据施工节奏,将大、小罩棚钢结构划分为A区～H区8个施工区域,预应力张拉C区根据张拉顺序划分为C1区～C5区5个区域,罩棚钢结构的施工区域划分如图3所示。为保证外侧环形道路的通畅,将小罩棚钢结构的A区段和大罩棚钢结构的E区段预留在施工过程的最后进行拼装,4排格构式临时支撑从内向外依次为①～④ ^[8]。

　　 从(52)轴线按照顺时针方向对小罩棚钢结构的径向钢梁、斜向支撑杆和环向联系杆进行拼装,待小罩棚钢结构部分径向钢梁卸载完成后,将相应的临时支撑移至西区的混凝土看台上进行安装,再按照顺时针方向从(11)轴线对大罩棚钢结构进行拼装。整个施工顺序如图4所示,具体钢构件拼装、预应力张拉和逐步卸载过程见表1 ^[8]。

　　 罩棚钢结构安装工序 表1

位置	施工工况	具体施工方法
小罩棚 钢结构	1	安装B区径向钢梁、斜向支撑和环向联系杆→等距卸载B区③号临时支撑→等距卸载B区①号和②号临时支撑
	2	安装C1区径向钢梁、斜向支撑和环向联系杆→等距卸载C1区③号临时支撑→C1区预应力施工
	3	安装C2区径向钢梁、斜向支撑和环向联系杆→等距卸载C2区③号临时支撑→C2区预应力施工
	4	安装C3区径向钢梁、斜向支撑和环向联系杆→等距卸载C3区③号临时支撑→C3区预应力施工
	5	安装C4区径向钢梁、斜向支撑和环向联系杆→等距卸载C4区③号临时支撑→C4区预应力施工
	6	安装C5区径向钢梁、斜向支撑和环向联系杆→等距卸载C5区③号临时支撑→C5区预应力施工
	7	预应力施工张拉完毕后,拆除①号和②号临时支撑
	8	安装D区径向钢梁、斜向支撑和环向联系杆→等距卸载D区③号临时支撑→等距卸载D区①号临时支撑
	9	安装A区径向钢梁、斜向支撑和环向联系杆→等距卸载A区①号临时支撑
	10	等距卸载全区④号临时支撑
大罩棚 钢结构	1	安装G区径向钢梁、斜向支撑和环向联系杆
	2	安装E区径向钢梁、斜向支撑和环向联系杆
	3	等距卸载⑧～(15)轴③号临时支撑和④号临时支撑→逐个拆除⑧～(15)轴①号临时支撑
	4	等距卸载(16)～(20)轴①号临时支撑、③号临时支撑和④号临时支撑→等距卸载(21)～(27)轴①号临时支撑和④号临时支撑
	5	安装H区径向钢梁、斜向支撑和环向联系杆
	6	等距卸载G区③号临时支撑→等距卸载G区④号临时支撑→逐个拆除G区①号临时支撑和②号临时支撑
	7	等距卸载H区①号临时支撑和②号临时支撑→等距卸载H区③号临时支撑和④号临时支撑
	8	安装合拢构件

 

　　  

　　 图3 罩棚钢结构施工区域划分图  

　　  

　　 通过MIDAS Gen有限元软件分析可以得到罩棚钢结构施工全过程的应力和位移云图,部分典型施工工况下罩棚钢结构的应力和位移云图如图5所示,罩棚钢结构在施工过程中的杆件应力最大值为133.08 N/mm²,悬挑端与根部位移极差值为15.92 mm ^[8],满足《钢结构设计标准》(GB 50017—2017)的要求。有效验证了蚌埠奥体中心体育场罩棚钢结构所采用的施工方法和施工顺序可以满足设计的要求,能够保证结构施工全过程的安全性 ^[8]。

　　 图4 蚌埠奥体中心体育场罩棚钢结构的主要施工顺序  

　　  

4 蚌埠奥体中心体育场施工关键技术

4.1 调谐质量阻尼器的应用

　　 TMD由质量块、弹簧、阻尼器三大部分构成,TMD根据预定位置放置于每榀径向钢梁悬挑端端部腹板两侧的U形钢槽上,U形钢槽和钢梁腹板通过焊接固定,TMD的底板和U形钢槽都有预留M20螺栓孔。先使用汽车吊将44套TMD吊装至指定U形钢槽上,再使用M20螺栓将TMD和U形钢槽连接成整体,待全部钢结构安装完毕,打开锁定螺栓,解锁TMD减振系统,最后再进行TMD减振系统的调试。TMD减振系统的安装与调试过程见图6。

　　 蚌埠奥体中心体育场大悬挑预应力罩棚钢结构的振动频率范围为0.8～3.0Hz,结构的自身振动频带较宽,仅布设单个调谐质量阻尼器无法达到最佳的减振效果。为了有效地控制宽频带的外部风荷载对大悬挑预应力罩棚钢结构的影响,本工程在大罩棚钢结构、小罩棚钢结构上共设置了44套5种不同频率的调谐质量阻尼器减振系统,TMD的具体参数如表2所示。

　　 TMD参数 表2

编号	m/t	f/Hz	ζ	K /(kN/m)	C /(kN·s/m)
TMD-1	1	0.80	0.08	25.3	0.80
TMD-2	1.5	1.00	0.08	59.2	1.51
TMD-3	1.5	1.25	0.08	92.5	1.88
TMD-4	1	1.75	0.08	120.9	1.76
TMD-5	1.5	2.00	0.08	236.9	3.02

 

　　 注:m为质量; f为自振频率; ζ为阻尼比; K为弹簧刚度; C为阻尼系数。

　　  

　　 在小罩棚钢结构中设置了16套TMD,布置在(36)～(44)轴之间径向钢梁悬挑端两侧,分别为6套TMD-1和10套TMD-4; 在大罩棚钢结构中设置了28套TMD,布置在(74)～(80)轴和①～⑨轴之间径向钢梁悬挑端两侧,分别为6套TMD-2、8套TMD-3、4套TMD-4和10套TMD-5。TMD的具体布置情况如图7所示。

　　 图5 蚌埠体育场罩棚钢结构主要施工过程的应力和位移云图  

　　  

　　 图6 TMD减振系统的安装与调试过程  

　　  

　　 图7 TMD平面布置图  

　　  

　　 图8 最不利节点的加速度响应 

　　  

　　 根据有限元模型计算结果,罩棚钢结构的最不利节点在0.8Hz正弦激励荷载作用下的加速度响应如图8所示。由图8可知,设置调谐质量阻尼器减振系统之前,罩棚钢结构的动力响应剧烈,加速度幅值较大,无法满足舒适度的要求; 设置TMD减振系统之后,罩棚钢结构的动力响应得到了大幅度地降低,基本满足舒适度的要求。

4.2 大悬挑罩棚钢结构的预应力张拉

　　 为了减少小罩棚钢结构径向钢梁的悬挑程度和倾斜程度对于结构安全性和稳定性的影响,在(35)～(46)轴之间的径向钢梁上翼缘下部两侧各设置一道预应力拉索,以减小径向钢梁卸载的竖向位移,预应力拉索两端分别固定在外支撑铸钢节点和悬挑侧梁端,预应力拉索布置剖面图如图9所示,施工位置为小罩棚钢结构(35)～(46)轴之间的径向钢梁的预应力专项工程施工工况如下:

　　 1)预应力钢索加工:钢索调直、应力下料、多余切割、钢索编束、钢索预张拉、钢索防护; 2)预应力张拉前准备工作:索长测量方案、准备张拉工作台面、标定张拉设备和定测量工具、现场环境准备、安装撑杆; 3)运输拉索至指定地面; 4)使用展索小车地面进行地面展索; 5)使用卷扬机和定滑轮开展预应力拉索提升施工;6)安装就位柱端索头; 7)中间索夹安装及悬挑端索头就位,预应力拉索整体安装就位完成; 8)张拉悬挑端索头并且将柱端钢索固定; 9)张拉完毕拧紧中间索夹; 10)结构监测和补张施工、预应力张拉结束。

　　 图9 预应力拉索布置剖面图  

　　  

　　 张拉工况设计根据计算软件给出的最终张拉力值来设计,设计图纸采用专业软件进行三维实体放样,最终的工装设计图纸需要使用Proe软件进行复核验算。张拉工装整体三维示意图如图10所示。

　　 图10 张拉工装整体三维示意图  

　　  

　　 预应力钢索在进行张拉过程中应保证不产生偏心; 油泵压力超张拉钢索设计拉力5%停止加压。张拉时控制给油速度并且给油时间不应低于0.5min,预应力张拉流程见图11。

　　 部分悬挑端测点竖向位移 表3

测点		施工工况
		1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
35-R-1	计算值/mm	-13.0	-13.6	-12.4	-1.4	-20.4	-38.9	-98.5	-91.1	-94.1	-97.5
	实测值/mm	-11.9	-14.4	-14.3	-9.4	-26.4	-43.1	-96.6	-96.1	-100.1	-107.1
	误差	9.2%	5.6%	13.3%	85.1%	22.7%	9.7%	2.0%	5.2%	6.0%	9.0%
40-L-1	计算值/mm	-15.6	-27.7	15.9	13.9	-41.3	-109.0	-95.5	-89.2	-93.8	-92.9
	实测值/mm	-17.1	-30.2	17.1	17.8	-38.7	-112.1	-103.4	-94.2	-98.7	-102.8
	误差	8.8%	8.3%	7.0%	21.9%	6.7%	2.8%	7.6%	5.3%	5.0%	9.6%

 

　　 注:误差=│(计算值-实际值)/实际值│×100%; 负号表示竖直向下;施工工况1～10为小罩棚钢结构的施工工况,具体见表1。

　　  

　　 图11 预应力张拉流程 

　　  

　　 预应力的施加准确与否将直接影响结构的使用,本方案张拉遵从“对称张拉、同时张拉”等两个原则,选用4台100t千斤顶进行张拉作业,张拉前应对千斤顶和仪表进行标定,标定时应由千斤顶主动顶加载试验设备,本工程最大索预张拉力为175t,拉索张拉采用一端张拉、一端固定,张拉端放置在悬挑端,固定端放置在柱根端,张拉从中间往两边同时同步进行张拉,根据仿真验算和结构监测再进行补张施工,在施加荷载时,需充分考虑由于结构变形引起预应力索的受力变化,本工程预应力张拉施工的重难点在于:

　　 (1)体育场径向钢梁属于分段式空间弯曲构件,具有空间弧度,布置在径向钢梁下翼缘两侧的预应力索形态上呈曲线。

　　 (2)大悬挑预应力罩棚钢结构的特殊形式会影响结构在施工安装期间的稳定性,使结构发展成一个具有高度整体坍塌风险的“机构”,只有当预应力拉索张拉绷紧将屋盖吊起后才是承力的稳定结构。

　　 从小罩棚钢结构的变形测点中选取了处于预应力张拉范围内((35)～(46)轴)的2个测点进行竖向变形的模拟值和实测值的对比,对比情况如表3所示。

　　 根据部分测点的对比图可知:构件竖向变形模拟值与实测值变化趋势基本保持一致,且二者吻合程度较好; 当工况5开始张拉预应力时,小罩棚钢结构的竖向变形有明显增大的趋势; 当工况7预应力张拉完毕,小罩棚钢结构的竖向变形逐渐减小,施工阶段最大竖向变形为-110mm。

　　 构件竖向变形模拟值与实测值之间误差基本保持在15%以内,部分个别工况下的误差超过15%,也属于在《钢结构设计标准》(GB 50017—2017)的允许范围内,较好地验证了预应力张拉施工过程的安全性和合理性 ^[8]。

4.3 龙鳞金属屋面板的模块化施工

　　 金属屋面板模块化施工是将金属屋面板的主要构件在工厂制造完成,运输到现场,经机械化安装后,制造出满足预定功能的龙鳞板屋盖。模块化施工可以大量节约人工、降低造价、缩短工期。本工程模块化施工可以分为三个部分:金属屋面板制造工业化、金属屋面板构件安装产业化和整个施工过程集成化 ^[9]。

　　 蚌埠体育中心金属屋面系统包括:金属屋面、轻钢薄壁镀锌檩条、穿孔镀锌压型钢板、装饰铝单板、铝镁锰板等,如图12所示。

　　 图12 金属屋面板构造效果图  

　　  

　　 本工程龙鳞金属屋面板模块化施工技术的重难点在于:

　　 (1)本工程所采用的龙鳞金属屋面板为国内首例,龙鳞金属屋面板的施工体量大、造型复杂,精度掌控难度大。

　　 (2)罩棚钢结构屋面穿出物众多,板件节点连接复杂,防雨性能要求高。

　　 (3)保证金属屋面板在水平运输和垂直运输过程中不损坏、不变形的难度大。

　　 金属屋面板模块化施工具体流程如图13所示,通过对金属屋面板板材加工的模块化控制,可以有效地减少大体量金属屋面板施工的不稳定性以及罩棚钢结构屋面的安全性。

　　 图13 金属屋面板模块化施工流程  

　　  

5 蚌埠奥体中心体育场施工全过程监测

　　 由于构件的应力和位移在施工过程中一直处于变化状态,为了保障结构的健康运营需要对各榀径向钢梁的标高、主要构件的轴向应力、钢梁悬挑端与悬挑端根部的竖向位移值等数值进行监测把控。

　　 本工程遵循“合理性、可实施性、经济性”的原则进行了监测装置的布设,在小罩棚钢结构的径向钢梁上选取了18个应力监测点和10个变形监测点; 在大罩棚上选取了24个应力监测点和8个变形监测点,具体布设情况如图14和图15所示。

　　 图14 应力监测点布置 

　　  

　　 图15 变形监测点布置   

　　  

　　 本工程采用的监测系统主要由传感器、发射器、接受器三大子系统组成,可通过无线电信号实现监测数据连续采集、自动存储,可以有效地解决测点所在构件高度太高数据线长度不够等监测难题。无线监测系统工作原理如图16所示 ^[8]。

　　 图16 无线监测系统工作原理   

　　  

　　 大、小罩棚钢结构各选取了2个测点,并对其进行20个施工工况下应力的对比分析,对比情况如图17所示。

　　 图17 部分测点应力对比分析  

　　  

　　 根据部分测点的对比图可知:应力模拟值与实测值变化趋势基本保持一致,吻合程度较好。绝大多数工况下的计算值与实测值之间误差能够保持在10%以内,个别工况下的误差超过10%,但是由于应力值较小,可以近似看作其具有一致性,较好地验证了施工过程的安全性和合理性 ^[8]。

6 结语

　　 大跨度复杂空间钢结构的施工技术类型较多,需要结合工程实际情况综合分析后选择合理、经济、高效的方案,以满足复杂的现场条件和工期要求。

　　 本文主要对蚌埠奥体中心体育场罩棚钢结构的现场施工关键技术进行深入分析,介绍了体育场罩棚钢结构的高空拼接过程、TMD减振系统应用、大悬挑罩棚钢结构的预应力张拉、龙鳞金属屋面板模块化施工、施工全过程监测等系列施工步骤。工程实践和监测结果均表明这一系列施工新技术具有高效、合理、安全等特点,可以有效保障工程质量和施工安全。