郑州市奥林匹克体育中心项目包括体育场、体育馆、游泳馆及商业部分 (见图1) , 总建筑面积58.4万m²。该项目是河南省最大体育场馆项目, 项目建成后将作为第十一届全国少数民族运动会主会场。

体育馆屋盖平面近似为矩形, 南北向约为122m, 东西向约为150m, 北侧悬挑长度为22m, 东侧悬挑长度为20m。屋盖钢结构采用正放四角锥网架结构 (见图2) 。网架支撑于下部环形看台钢筋混凝土柱上。

1) 本项目场地狭小, 一场两馆及商业合为一体, 同时施工工期紧, 体育馆东侧、北侧及西侧地下室已施工完成, 周边施工材料输送及周转困难。

2) 大型起重机站位不佳, 周边最近起重机占位距中心点水平距离超过500t起重机覆盖范围。

1) 累积误差控制 构件截面尺寸大、质量大、数量多, 需进行分段处理, 分段构件的加工尺寸偏差及堆放、焊接等变形造成的各种误差积累, 给现场安装带来不利影响。因此, 现场拼装工作量较大, 拼装精度的控制是工程重点。

2) 临时支撑措施布置 体育馆屋盖南北向悬挑长度为22m, 东西向悬挑长度为20m, 钢屋盖下部为混凝土看台结构, 施工过程需大量支撑措施。因此, 临时支撑设置是本工程难点。

3) 滑移轨道梁布置 体育馆屋盖下弦节点南北向、东西向均有较大高差, 屋面网架结构支撑于混凝土环梁支座上, 但环梁高差较大, 南侧环梁支座标高为23.100m, 北侧环梁支座整体较南侧高, 且呈西低东高趋势, 标高在25.625～28.258m, 南北两侧高差2.225～5.158m (见图3) 。施工中如依托环梁布置滑移轨道, 滑移中侧移风险很大, 滑移同步控制不易实现, 整体施工难度非常大。因此, 滑移轨道布置是本工程难点。

体育馆屋盖为四角锥空间网架结构, 外形接近方形, 平面尺寸东西方向约150m, 南北方向约122m, 最大高度为6m, 整个网架自西向东、自南向北向上略微倾斜, 屋盖结构由体育馆外围的一周混凝土柱对其支撑, 柱顶通过活动铰支座与钢网架结构连接, 网架支座标高为21.600m (西南角) ～28.632m (东北角) , 屋盖东侧与北侧为悬挑结构。

根据本施工区域的特点和施工条件, 可采用的方案有: (1) 拼装平台散装+同步累积滑移; (2) 逐层提升+悬挑区分块吊装。

1) 拼装平台散装+同步累积滑移 优点: (1) 受现场场地限制较小, 与土建交叉作业少; (2) 措施胎架用量大大减少, 安装费用相对较低; (3) 滑移施工所需时间相对较短, 保证工期要求。缺点: (1) 支撑胎架部分高度较大, 独立胎架稳定性需采取加固措施; (2) 屋盖呈倾斜状, 滑移施工技术要求高, 施工难度较大。

2) 逐层提升+悬挑区分块吊装 优点:高空作业少, 利于安装质量及安全保障。缺点: (1) 胎架用量较大, 独立胎架需拉设缆风绳; (2) 悬挑区域由于网架下部混凝土楼板限制需分块吊装, 需大型机械设备; (3) 下部看台结构复杂, 需多次提升, 将影响工期; (4) 施工期间下部其他作业受到较大影响。

综上所述, “拼装平台散装+同步累积滑移”安装方法胎架措施用量少, 施工速度快, 受结构造型及场地限制小, 交叉作业少。

根据体育馆结构特点, 采用拼装平台散装+同步累积滑移施工工艺, 自西向东滑移。整个屋盖东高西低、北高南低, 根据屋盖下混凝土柱顶高度分布及屋盖下弦节点标高分布, 通过设置滑移临时支撑, 对下部支点找平, 使结构满足滑移施工要求。

根据体育馆屋盖结构特点和工期计划, 拟将钢屋盖分为8个滑移单元 (见图4) 和1个原位拼装单元, 其中第1～8单元进行滑移。原位拼装单元位于屋盖最西侧, 待第1～8滑移单元滑移完成后进行拼装, 滑移区域每2～3榀主桁架为1个滑移单元, 共滑移8次。

本工程网架滑移轨道系统主要由滑移轨道、轨道梁及滑移支撑胎架组成, 其中滑移轨道用于提供滑移所需的水平反力, 滑移梁及滑移支撑胎架用于承受整个滑移过程中的自重荷载及水平反力。滑移梁一部分支撑在滑移支撑架上, 一部分支撑在混凝土楼面上。体育馆滑移共布置3条滑移轨道, 如图5所示。

为保证滑移过程安全可控, 首先需保证单一轨道的水平, 且应对3条轨道间的高差进行调整使高差降低;其次各轨道要有可靠支撑, 以满足支撑强度及侧向刚度。

为克服屋面网架支座整体北高南低、北侧支座东高西低且高差较大及北侧网架悬挑长度大的问题, 施工中采取如下措施。

1) 北侧轨道设置时放弃利用斜向环梁而结合现场楼面结构并增加点式胎架作为北侧轨道的基础, 根据网架下部标高调节轨道高度, 使北侧轨道与南侧轨道的标高差减小至可接受范围, 实际施工中, 北侧轨道较中间及南侧轨道高1.0m。

2) 为实现措施1) 中的效果, 施工中利用倒三角撑 (见图6) 对3条轨道处的网架下支点找平, 进行高差调整。

3) 为防止网架中心不平衡导致的滑移支座侧移, 在支座设计时设置防侧移限位, 施工中进行监测, 如有偏差及时调整。

滑移拼装平台设立在体育馆西侧, 平台长度约122m, 宽度拟定为16m, 为钢框架结构, 拟设立3排型钢柱, 型钢柱间由连系梁连接, 平台顶面拟采用H294×200×8×12及H100×100×6×8型钢拼装, 型钢平面位置布置在网架上、下弦节点处, 在第1～8单元滑移完成后, 在拼装平台上完成第9单元原位拼装工作。

滑移顶推支座用于安装爬行器, 承受爬行器的水平推力及网架结构自重荷载, 顶推支座设置在网架临时支撑底部。

本工程共配置9台TLPG-1000型液压爬行器, 每条轨道安装3台。每台爬行器额定顶推力为1 000kN, 单条轨道上的爬行器可提供的最大滑移推力为3 000kN。经计算, 中间一条轨道的支座反力最大, 为2 169kN。千斤顶滑移推力大于网架整体滑移时所需的最大滑移推进力, 满足滑移工况要求。

待滑移轨道和拼装平台布置完成后, 开始在拼装平台进行各单元网架的拼装工作。由2层楼面上的2台50t汽车式起重机和体育馆西侧2台塔式起重机配合拼装。对50t汽车式起重机行走工况下混凝土结构承载力、梁承载力进行验算, 满足承载力要求。

滑移前准备工作

1) 经过系统、全面检查无误后, 现场滑移作业总指挥检查并发令后, 才能进行正式滑移作业。

2) 液压滑移过程中, 注意观测设备系统压力、荷载变化情况等, 并做好记录工作。

3) 滑移过程中, 通过钢卷尺配合测量各牵引点位移的准确值, 并与激光测距仪测量数据进行复核, 以辅助监控滑移单元滑移过程的同步性。

4) 滑移过程中密切注意滑道、液压顶推器、液压泵源系统、计算机控制系统、传感检测系统等的工作状态。

第1个滑移单元钢结构安装完成, 检查无异常, 电气系统调试结束后进行滑移作业。首先调节相应的泵站压力进行40%加载, 开始滑移至所有顶推点爬行器油缸推不动为止, 检查是否有异常情况, 确认无误后, 继续进行理论值的60%, 80%, 90%, 100%加载。确认胎架约束全部解除且顶推点已移位。所有滑靴 (支座) 开始滑移后, 暂停滑移, 全面检查各设备正常运行情况:如滑移支座滑移量、滑靴挡板是否卡位、爬行器夹紧装置、滑移轨道及原结构受力变化情况等, 确认一切正常后, 继续进行滑移施工。

试滑移阶段一切正常情况下, 开始正式推进滑移。整个滑移过程中应随时进行以下检查。

1) 钢结构跨度大, 滑移距离长, 滑移时, 通过预先在各条轨道两侧标出的刻度随时复核每个支座滑移的同步性。

2) 跟踪检查滑靴挡板与轨道卡位状况、爬行器夹紧装置与轨道夹紧状况、支座滑移量等工况。

3) 滑移过程中, 确保轨道压板压紧轨道。

4) 确保轨道旁障碍物的随时清理。

本工程中安全不同步值取15mm, 调节不同步值取10mm, 即滑移点不同步值>10mm时, 系统停止, 检查滑移通道是否存在障碍, 待情况明确后启动系统单点单动功能, 直至所有顶推点不同步值在10mm内继续滑移。在实际操作中, 重点关注不同步值, 如发现滑移过程中某点滑移不同步值有加大趋势时, 即可通过调节该顶推点对应泵站流量改变该顶推点的滑移速度, 使之向有利于缩小不同步值的方向进行。总之, 如不同步值<10mm且有增大趋势时, 必须通过软调节泵站流量改善不同步状况;如不同步值>10mm, 则查明原因后采用单点动作实现控制。

本工程采用激光测距和人工观测相结合的方法控制同步, 滑移过程中, 用激光测距仪每4s对轨道同一时刻同时测量, 同时计算机根据测量数据对油泵发出指令, 调整爬行器顶推速度, 实现爬行器同步。爬行器1个行程结束, 停止顶推, 观测人员根据事先在滑道梁上做好的标记进行测量, 如发现不同步, 采取单点动作, 同步后开始下一行程的顶推。

整体同步滑移至距离就位点200mm时, 降低滑移速度, 配合人工测量所有滑移点的相对距离 (相对于就位位置) , 然后根据结构姿态确定相应的控制参数, 相对距离大的点滑移速度加快, 相对距离小的点滑移速度减慢, 在动态过程中使整个钢结构逐渐接近就位位移。由于整个滑移过程的滑移距离相差控制在10mm以内, 各点速度调节相差不会太大。

继续整体滑移至距离就位位置相差15mm时暂停, 再次配合测量人员测量所有滑移点的相对距离, 然后根据测量结果分组调节相应滑移点的滑移速度, 采取先到就位点截止的控制方式进行单独调节, 直至所有滑移点达到要求值。

网架滑移就位后, 进行网架卸载, 先卸载北侧轨道, 再卸载南侧轨道, 最后卸载中间轨道。卸载时, 采用千斤顶将整条轨道上的滑移支座顶住, 再将滑移支座拆除, 最后下落千斤顶, 该侧轨道荷载转移至原结构支座上, 即完成该条轨道卸载, 进行下一条轨道卸载。

将网架与下部临时支撑结构进行整体建模计算, 将每次滑移定义为1个施工阶段。

采用SAP2000软件进行计算, 验算强度时, 荷载分项系数取1.4;验算变形时, 荷载分项系数取1.0, 网架结构计算如下。

分别对每次滑移过程中跨中最大挠度进行计算, 计算结果显示, 最大挠度出现在第2次滑移及全部滑移就位时, 模拟分析如图8所示。

滑移过程中网架最大挠度28mm<跨度/250=58 779/250=235mm, 满足要求。

滑移过程中网架约40根杆件应力比超标, 对其进行替换加强, 经设计复核, 替换后的杆件最大应力比约为0.936<1, 满足施工要求。

经计算, 北侧轨道滑移网架最大支点反力约658kN, 中间轨道滑移网架最大支点反力约2 169kN, 南侧轨道滑移网架最大支点反力约205kN。

采用SAP2000对滑移梁结构进行建模计算, 水平力取竖向力的5%, 荷载分项系数取1.4。

1) 北侧滑移梁该侧轨道网架最大支点反力约为658kN, 滑移梁最大跨度为10.8m, 截面为H840×533×26×35, 材质为Q345B。分别对梁弯矩、梁跨中下挠及滑移梁应力比进行模拟, 模拟结果显示:北侧滑移梁最大下挠11.2mm, 滑移梁最大应力比约0.65<1, 满足施工要求。

2) 中间滑移梁中间滑移梁采用三角桁架结构, 分为加强段和非加强段2部分。加强段最大跨度为9.9m, 跨中荷载标准值为2 169kN, 对滑移梁进行模拟。模拟结果显示:加强段滑移梁跨中下挠约11.4mm, 杆件最大应力比约0.73<1, 满足施工要求。非加强段最大跨度为11.2m, 跨中荷载标准值为1 200kN。模拟结果显示:非加强段滑移梁跨中下挠11.6mm, 杆件最大应力比约0.71<1, 满足施工要求。

3) 南侧滑移梁该侧轨道网架最大支点反力约为205kN, 滑移梁最大跨度为11.6m, 截面为H640×400×20×30, 材质为Q345B, 经对滑移梁模拟可知:南侧滑移梁最大下挠约11.7mm, 滑移梁最大应力比约0.54<1, 满足施工要求。

体育馆屋盖采用钢网架结构, 跨度大、节点多, 对钢网架节点处杆件进行应力、应变监测, 对屋盖进行振动模态监测。根据体育馆结构分析, 参照既有同类型结构监测经验及现有结构监测技术水平, 确定该体育馆监测方案如下。

1) 结构关键构件应力、应变监测

采用光纤光栅应变传感器对体育馆施工期钢网架屋盖应变进行监测, 主要将应变传感器布置在网架上弦、下弦及腹杆等应力、应变较大的关键部位, 共96个传感器。

2) 结构变形监测

采用全站仪对体育馆屋顶施工阶段进行变形监测。针对体育馆屋顶结构形式, 主要将变形监测点选在钢网架跨中及悬挑处, 共布设12个监测点, 监测位置如图10所示。

3) 监测频率 根据施工方案对应力、应变及结构变形进行监测, 如每个滑移单元制作完成、滑移前、滑移后、轨道荷载转移至胎架千斤顶、千斤顶卸载后等时间节点, 同时在单元滑移及千斤顶卸载过程中进行连续观测。

4) 监测结果 经对施工过程监测, 结构关键构件应力、应变及结构变形均在设计要求范围内, 且与模拟分析基本吻合, 方案实施效果良好。

网架高空累积滑移法解决了屋面网架结构工程施工受场地限制的技术难题, 减少高空拼接工作量, 保证施工进度和质量, 大大提高施工安全性;同时, 该方法减少了胎架安装使用量, 避免大型起重机的使用, 节省施工费用和缩短工期。

本项目网架高空累积滑移法的成功关键之处在于: (1) 施工方案的正确选用及方案的详细编制是工程顺利开展的前提; (2) 施工前的准确计算、对工况的仿真分析、施工过程的精确控制及施工监测工作的严格开展是方案实施的重要保证; (3) 对于方案具体实施方面, 合理划分滑移单元、科学设置滑移轨道、采用先进的滑移设备及系统、选择优秀的施工队伍等都为确保施工的顺利开展提供了支撑和保障。