近年来大型钢结构场馆建筑如雨后春笋, 层出不穷, 为获得更好的建筑外观设计和结构受力体系, 许多钢结构都采取斜交网格结构体系, 福州海峡奥林匹克体育中心采用双向斜交斜放空间网格结构体系 (见图1) , 充分利用钢结构的强度高、跨度大、用量少等优点, 很好地表现了结构的轻盈、飘逸等特点。建筑造型以“海螺”为主要元素, 充分体现其表皮的褶皱形象, 营造一个富有海洋气息的灵动空间。

双向斜交斜放空间网格结构体系特点为: (1) 采取管网架结构在空间上弯扭, 实现结构造型及结构外形的平滑过渡; (2) 双向斜交斜放结构没有清晰明显的主次关系, 悬挑结构没有一一对应的支承点; (3) 围护结构外形明朗, 对空间造型有良好的找形功能。

主体育场地上4层, 混凝土看台最高点标高30.780m, 罩棚悬挑最大长度71.2m, 最高点标高52.826m;罩棚采用双向斜交斜放网架空间结构体系, 分东、西2个罩棚 (见图2) 。罩棚杆件共29种规格, 最大为φ750×35、最小为φ127×6。

钢罩棚网架结构由主单元网架、次单元网架及腹杆组成。主、次单元网架间通过斜腹杆与之连接形成弯扭贝壳式曲线造型。主、次单元网架结构通过大型斜支撑杆件支撑, 斜支撑杆件底部连接于成品铰支座上, 成品铰支座焊接于V形混凝土柱顶部的倒插柱上, 组成网架悬挑结构受力体系 (见图3) 。

东罩棚和西罩棚完全相互独立, 因此, 东、西罩棚采取完全独立的方式施工。罩棚结构主要采用地面散件拼装、分段整体吊装、嵌补杆件散件高空拼装的方式进行安装。

临时支撑措施安装施工的同时, 按照吊装顺序在地面拼装罩棚网架单元。1个施工区的临时支撑措施完成后, 按顺时针方向吊装罩棚结构吊装单元及嵌补杆件 (见图4) 。

吊装单元分段技术是将钢结构整体划分若干适于制作、运输、拼装、吊装、结构成型、相对较小段或块的零散结构的一种方法, 是钢结构施工最基本的技术之一。

除整体提升 (顶升) 、整体滑移 (非累积滑移) 等施工方法外, 钢结构施工都涉及吊装单元分段问题。根据罩棚结构特点、考虑起重设备的起重能力, 将罩棚结构在径向划分为4段, 在环向划分成31个吊装单元分区 (见图5) , 相邻吊装单元间的次向连系杆件采用高空散件安装。

双向斜交斜放空间网架结构的墙面或屋面都属于管网架形成的双层平面网架结构, 在屋面和墙面相交处结构弯曲约90°, 造成此处墙面单元2为典型弯扭构件, 且为管网架式弯扭构件。

现场采用50t履带式起重机对每片网架进行地面拼装, 25t汽车式起重机配合拼装。通过先拼装铸钢节点、弦杆, 再拼装腹杆工艺进行地面拼装成型, 措施如图6所示。

顶面网架吊装单元截面近似呈直角三角形, 网架单元自重通过主网架单元的下弦杆和次网架单元的弦杆传递至下部临时支撑措施结构上。网架吊装单元的固定措施包含3部分:主网架单元下弦杆的支撑、次网架单元支撑点转换措施、次网架单元弦杆竖向支撑, 支撑措施具体设计如图7所示。

型钢支架1主要由下部型钢支撑架体和上部瓦片状支撑措施、卸载砂箱和调节千斤顶组成 (见图8) 。瓦片状支撑措施保证主网架单元下弦杆受均布荷载, 避免发生局部受压破坏。

型钢支架2由底部节和顶部节2部分组成 (见图9) , 底部节和顶部节通过法兰连接点连接, 顶部节根据每个吊装单元杠杆支撑的端部实际高度进行调整。

罩棚结构最大悬挑长度为71.2m, 最大顶点标高为52.826m。罩棚结构仅通过内、外环支座支撑, 故在施工过程中需搭设临时支撑措施 (见图10) , 方可进行罩棚结构的安装, 待罩棚结构安装完成后再拆除临时支撑措施。

为减小罩棚结构的卸载工作量及难度并减少卸载点, 根据挠度计算分析, 在罩棚结构安装完成后并在第1, 2道临时支撑措施卸载前, 将第3, 4道临时支撑措施予以分级卸载并拆除。

砂箱采用承受环向内压力较好的圆钢管作为外筒, 配以紧密的圆形活塞, 外筒底部开排砂口, 排砂口设有开关灵活的阀门。砂箱内填充流动性好、承载力大的钢砂。当砂箱内的钢砂通过排砂口排出后, 砂箱内的钢砂体积减小, 活塞随之向内收缩, 砂箱高度从H₁减小至H₂, 使结构和临时支撑脱离。砂箱卸载原理如图11所示。

主体育场屋面板面积约60 000m², 其中扇形弯弧板约20 000m², 占比较大。扇形弯弧板主要集中在顶面桁架两端, 特点是一端大、一端小, 空间上呈弯弧、平面上呈扇形展开, 造型复杂, 且有不规则弯弧, 弯弧半径按结构形式要求为1 200mm, 远小于行业内经验及规范要求的铝镁锰合金面板弯弧半径极限值2 300mm, 损耗率高。

主体育场屋面板有直板、扇形弯弧板、腰鼓板等面板形式, 各面板形式自身造型不同且分区布置, 腰鼓板主要集中在结构顶面桁架处, 扇形弯弧板主要集中在顶面桁架两端, 共同配合形成“海螺”造型 (见图12) 。

由于屋面扇形弯弧板对材料延伸率要求高, 为此, 针对各生产厂家提供材料进行化学成分评估, 使其满足延伸率要求。

根据屋面工程试验结果, 各不等弯弧半径对材料有不同的伸长率要求。屋面试验面板原材料伸长率要求如表1所示。

由表1可知, 弯弧半径为1 000～1 500mm时, 面板延伸率需在4.3%～6.5%。

传统的弯弧设备要求弯弧以手工为主, 且弯弧过程为一次弯弧到位, 起弧点和终弧点均人工放线估测, 准确性无法完全保证。

革新后的弯弧设备在原传统设备基础上增加了数控面板, 改变原来半机械半手工的弯弧方式为全机械弯弧, 通过数控面板与操作人员之间的交流, 精确定位扇形弯弧板的起弧点和终弧点。

经过现场多次试验验证后, 最终采取的弯弧工艺为:采取分边分步弯弧, 即先弯公扣边再弯母扣边, 公、母扣两边各分6次弯弧, 弯弧的各项尺寸、角度及起弯点和终弯点均在弯弧设备中由人工输入确定, 实行全机器控制弯弧。分边分步多道弯弧工艺流程为: (1) 以15m为弯弧半径, 对扇形弯弧板公扣边进行第1次弯弧; (2) 以15m为弯弧半径, 对扇形弯弧板母扣边进行第1次弯弧; (3) 以8m为弯弧半径, 对扇形弯弧板公扣边进行第2次弯弧; (4) 以8m为弯弧半径, 对扇形弯弧板母扣边进行第2次弯弧; (5) 以6m为弯弧半径, 对扇形弯弧板公扣边进行第3次弯弧; (6) 以6m为弯弧半径, 对扇形弯弧板母扣边进行第3次弯弧; (7) 以3m为弯弧半径, 对扇形弯弧板公扣边进行第4次弯弧; (8) 以3m为弯弧半径, 对扇形弯弧板母扣边进行第4次弯弧; (9) 以1.2m为弯弧半径, 对扇形弯弧板公扣边进行第5次弯弧; (10) 以1.2m为弯弧半径, 对扇形弯弧板母扣边进行第5次弯弧; (11) 弯弧机松开, 扇形弯弧板弯矩释放, 板身理论反弹; (12) 以1.2m为弯弧半径, 对扇形弯弧板公扣边进行第6次弯弧; (13) 以1.2m为弯弧半径, 对扇形弯弧板母扣边进行第6次弯弧。

经过工艺改进, 在扇形弯弧板压制过程中, 损耗率由5.25%降低至2%;弯弧出板过程中, 损耗率由20.7%降至8%。

安装流程为:放线→运输就位安装→咬合→板边修剪→收边泛水安装→洞口防水处理→屋面清理→自检整改→报验。

1) 通过研究拼装、安装、卸载等过程, 形成一套以无主次网格结构吊装单元划分技术、三维弯扭空间管网格地面拼装成型及精度控制技术、双向斜交斜放空间网格钢结构高空原位安装措施设计及稳定性控制技术、超高格构式支撑体系设计及同级不等值集群式卸载技术为主的双向斜交斜放空间网格钢结构综合建造技术, 解决了双向斜交斜放空间网格结构在三维弯扭状态下的高空高精度原位安装问题。

2) 经过对超小半径铝镁锰扇形屋面板制作工艺的优化, 有效降低屋面板损耗率, 经济效益显著。