沈佳勇

(中國鐵建國際集團有限公司，北京 100039)

1 工程概況

盧賽爾體育場是2022年世界杯主場館，承擔小組賽、閉幕式、半決賽和決賽等重大賽事活動。場館建筑面積19萬m2，觀眾容量92 100人。體育場外圍護結(jié)構(gòu)為鋼結(jié)構(gòu)和鋁板幕墻，屋面為大跨度索膜結(jié)構(gòu)，體系復雜，建筑宏偉，極具挑戰(zhàn)，為卡塔爾城市地標。

體育場外觀呈碗狀，邊緣為馬鞍形，鋼結(jié)構(gòu)壓環(huán)標高為61.035～ 76.600m，投影面積 75 000m2。結(jié)構(gòu)俯視呈圓形，直徑約309m，屋蓋中間有圓形開孔，直徑122m，東西兩側(cè)設置有天眼，如圖1所示。

圖1 盧賽爾體育場屋面結(jié)構(gòu)俯視

整個體育場屋面索膜結(jié)構(gòu)荷載全部傳遞到由拉壓環(huán)和徑向索形成的雙層輪輻式主索網(wǎng)，如圖2所示。屋面主索網(wǎng)重約2 320t，采用雙層輪輻式張力結(jié)構(gòu)。不同于國內(nèi)常用的只有單個拉環(huán)或壓環(huán)的雙層環(huán)張力結(jié)構(gòu)，本項目的雙層輪輻式主索網(wǎng)張力結(jié)構(gòu)采用了雙層拉環(huán)和雙層壓環(huán)，并與48榀魚腹式徑向索桁架連接而成。每榀魚腹式徑向索桁架由4根徑向索與交叉節(jié)點板及4根撐桿連接而成。其魚腹式交叉索網(wǎng)跨度達到274m，是世界上同類型中最大跨度的索網(wǎng)屋面單體建筑。

圖2 索網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意

2 提升方案比選

結(jié)合本工程實際情況，遵循方案的可行性、安全性和經(jīng)濟性選定最終實施的方案。

2.1 方案1 滿堂式支架加兩階段徑向索提升

本項目首先考慮傳統(tǒng)的滿堂式支架方案。通過滿堂式支架平臺鋪設上下環(huán)索并安裝環(huán)索索夾、環(huán)索撐桿及其交叉索和交叉節(jié)點板，然后先提升徑向索CS2，CS3(穩(wěn)定索)直至就位并穿銷軸錨固，期間完成徑向撐桿安裝。接著再提升徑向索CS1，CS4(承重索)直至就位并穿銷軸錨固。

根據(jù)項目實際，滿堂式支架的搭設面積約50 000m2， 高度2～70m，雖然高出20m時可考慮采用鋼結(jié)構(gòu)框架，但是分析此方案施工荷載對預制看臺板的作用發(fā)現(xiàn)，在看臺板設計期間需額外考慮該部分作用，且方案本身對支架模板的需用量巨大，經(jīng)濟性上沒有優(yōu)勢，而且滿堂式支架對看臺板的占用時間長，影響看臺板上其他專業(yè)作業(yè)，所以未被采用。

2.2 方案2 3階段徑向索提升

該方案第1階段提升徑向索CS2，CS3(穩(wěn)定索)帶上環(huán)索，直至就位并穿銷軸錨固；第2階段提升徑向索CS1(承重索)直至就位并穿銷軸錨固，期間需要完成撐桿安裝；第3階段提升徑向索CS4(承重索)直至與交叉節(jié)點板連接并完成銷軸安裝。

2.3 方案3 上環(huán)索提升加兩階段徑向索提升

該方案第1階段利用臨時工裝鋼絞線提升上環(huán)索至17m高空；第2階段提升徑向索CS1，CS4(承重索)直至就位并穿銷軸錨固，期間需要完成撐桿安裝；第3階段提升徑向索CS2，CS3(穩(wěn)定索)直至就位并穿銷軸錨固。

2.4 方案2，3優(yōu)缺點分析

2.4.1優(yōu)點分析

1)方案2 ①不需要額外的環(huán)索提升工裝、千斤頂及鋼絞線，只需要每個軸線的雙頂工裝、千斤頂及鋼絞線； ②省去了壓環(huán)上環(huán)索提升所需要加強設計的拱桿耳板； ③省去了上環(huán)索索夾提升所需要加強設計的拱桿耳板； ④徑向撐桿安裝時，上徑向索已經(jīng)張拉到位，不需要額外的纜風繩，而且徑向撐桿會更穩(wěn)定。

2)方案3 ①不需要在交叉節(jié)點板上增加提升耳板； ②不會出現(xiàn)徑向索CS3的索頭在提升的低空階段與交叉節(jié)點板沖突而扳扭索頭及索體的問題。

2.4.2缺點分析

1)方案2 ①交叉節(jié)點板上增加提升耳板困難，且不切割影響美觀，切割則涉及高空操作，而且節(jié)點板被動受力很大，不允許用割槍切割；②CS3與交叉節(jié)點板的沖突存在對索及其錨具的面外彎矩，可能導致索跳絲和索頭損壞的風險。

2)方案3 ①環(huán)索提升工裝、千斤頂及鋼絞線需要額外的成本支出； ②壓環(huán)和環(huán)索索夾上拱桿耳板需要額外設計和加強，產(chǎn)生額外成本； ③徑向撐桿安裝不穩(wěn)定，且需要額外的纜風繩固定。

綜合考慮方案2，3的優(yōu)缺點，并結(jié)合項目實際情況，方案2在交叉節(jié)點板上增加提升耳板的方案不易實現(xiàn)，方案3需要額外增加的成本經(jīng)過測算滿足預算要求，而且比較容易實現(xiàn)。最終選擇方案3進行徑向索提升。

3 關鍵施工技術(shù)

主索網(wǎng)整體提升按照方案3實施，整個施工過程分成9個工序。

1)工序1 徑向索鋪設和環(huán)索支撐架安裝。鋪設徑向索CS3，CS4和環(huán)索提升臨時鋼絞線并用纜風繩固定，以防止滑落。安裝壓環(huán)上CS1銷軸安裝的操作平臺和球場內(nèi)環(huán)索支撐架，如圖3a所示。

圖3 施工流程示意

2)工序2 上環(huán)索系統(tǒng)鋪設和安裝，包括上環(huán)索鋪設、索夾吊裝及環(huán)索入槽后精調(diào)、索頭連接、安裝索蓋及其螺栓緊固、鋼絞線擠壓錨固并與環(huán)索提升叉耳及千斤頂工裝連接、叉耳與壓環(huán)承重索耳板和上環(huán)索夾的拱桿耳板分別連接、穩(wěn)定索CS3的固定端索頭與上環(huán)索夾連接，如圖3b所示。

3)工序3 上環(huán)索提升至高空17m位置。上環(huán)索提升并脫離環(huán)索支撐架，上環(huán)索繼續(xù)提升直至各軸線達到仿真模擬的位形位置，采用全站儀掃描法實測后與模擬的位形擬合，針對偏差較大軸線進行微調(diào)，如圖3c所示。

4)工序4 下環(huán)索系和環(huán)索撐桿及交叉索安裝。下環(huán)索鋪設、索夾吊裝及環(huán)索入槽后精調(diào)、索頭連接、安裝索蓋及其螺栓緊固、安裝環(huán)索撐桿、安裝交叉索，如圖3d所示。

5)工序5 提升環(huán)索工裝至下環(huán)索系脫離支撐架。鋼絞線擠壓錨固并與承重索提升叉耳及千斤頂工裝連接、叉耳與壓環(huán)上的工裝耳板連接、鋪設承重索CS1并與提升工裝連接、吊裝交叉節(jié)點板到支撐架并分別與CS1固定端和CS3及CS4可調(diào)端的索頭連接、CS4的固定端索頭與下環(huán)索夾連接，提升上環(huán)索系并通過撐桿和交叉索帶動下環(huán)索系脫離支撐架，如圖3e所示。

6)工序6 交叉節(jié)點板和徑向索CS4脫離看臺板。為了緩解CS4提升過程中對預制看臺板墻體的水平推力，承重索提升至交叉節(jié)點板脫離看臺板后，需要交叉提升承重索和上環(huán)索工裝直至CS4陸續(xù)脫離看臺板，如圖3f所示。

7)工序7 徑向索撐桿安裝。當48個軸線的CS4索全部脫離看臺后，開始從外場向內(nèi)場對稱安裝徑向索撐桿ST4～ST1，每根撐桿用2根環(huán)向纜風繩固定，每根撐桿頂部用吊帶與環(huán)索鋼絞線連接，避免撐桿安裝過程中傾覆，如圖3g所示。

8)工序8 承重索提升就位并安裝銷軸。完成所有撐桿安裝后，提升承重索直至CS1索頭距壓環(huán)耳板2.5m左右處，拆除上環(huán)索提升工裝及鋼絞線，避免與CS1提升工裝沖突，后繼續(xù)提升CS1直至就位并安裝銷軸。上環(huán)索提升工裝未拆除前，在承重索提升期間，需要穿插提升上環(huán)索工裝以便隨時對環(huán)索系和徑向撐桿起到纜風繩的作用，確保提升過程中的整體穩(wěn)定，如圖3h所示。

9)工序9 穩(wěn)定索提升就位并安裝銷軸。CS1完成銷軸安裝后，拆除其提升工裝，工裝叉耳與CS2的工裝耳板連接，千斤頂及反力架與CS2可調(diào)端索頭連接，CS2固定端索頭與交叉節(jié)點板連接，完成所有連接并檢查無誤后開始提升CS2直至就位并安裝銷軸，如圖3i所示。

4 施工過程全景模擬仿真計算及提升工裝選擇

采用Midas軟件建模加載并分析計算，按照工序分別對上環(huán)索、承重索和穩(wěn)定索在單軸線提升工裝失效、單軸線快于其余軸線、兩相鄰軸線快于其余軸線等施工過程中可能出現(xiàn)的情況進行模擬計算，分析各種可能出現(xiàn)的不利工裝及其可能組合進行模擬加載，確定最不利荷載工況組合及其索力，并記錄關鍵工序?qū)乃髁吧檄h(huán)索位形?？紤]到屋面主索網(wǎng)的對稱性，所有分析計算只考慮1/4屋面對應軸線。

4.1 上環(huán)索提升時最不利工況組合及其工裝選擇

通過全景模擬仿真計算可以確定，上環(huán)索提升工裝的最大荷載出現(xiàn)在工序5，下環(huán)索系安裝完成并通過環(huán)索撐桿和交叉索連接為一體，然后提升環(huán)索工裝使得下環(huán)索系脫離環(huán)索支撐架的過程中。

圖4 上環(huán)索提升工裝示意

4.2 承重索提升時最不利工況組合及其工裝選擇

承重索提升工裝的最大荷載出現(xiàn)在工序8，CS1銷軸中心到耳板中心的距離接近0.5m左右時，單軸繼續(xù)提升至穿銷軸的過程中，會使該軸線索力最大。

圖5 徑向索提升工裝示意

4.3 穩(wěn)定索提升時最不利工況組合及其工裝選擇

穩(wěn)定索提升工裝的最大荷載出現(xiàn)在工序9，CS2銷軸中心到耳板中心的距離接近0.2m時，單軸繼續(xù)提升至穿銷軸的過程中，會使該軸線索力最大。

4.4 液壓提升系統(tǒng)選擇

本項目所采用的液壓提升系統(tǒng)為智能同步液壓提升系統(tǒng)，是由工具錨具、主提升千斤頂、智能液壓泵站、智能主控操作站等組成的一種鋼絞線提升、引力系統(tǒng)，如圖6所示。該液壓提升系統(tǒng)具有平穩(wěn)、多站點同步，安裝方便，安全可靠等特點。千斤頂夾持鋼絞線由機械夾具夾持，提升過程中出現(xiàn)異常故障警報、油壓異常、位移同步超差現(xiàn)象時，錨具均可正常工作。

圖6 智能同步液壓提升系統(tǒng)

5 施工監(jiān)測與精度控制

5.1 提升過程中位形和索力監(jiān)測

提升過程中位形主要采用全站儀掃描法監(jiān)測，在智能主控操作站設置對應工序設計索力所對應的油表壓力值，同時，在各液壓提升泵站安排熟練技術(shù)工人操作。針對提升階段的全景模擬仿真計算，確定各階段提升過程中各相鄰軸線可允許的最大位移偏差及其對應的索力，實際提升過程中嚴格按照該數(shù)值控制，確保提升工裝的結(jié)構(gòu)安全和整個屋面主索網(wǎng)的穩(wěn)定性。

在上環(huán)索提升過程中，各軸線的最大索力控制在250kN內(nèi)，對應壓力油表讀數(shù)應為4.8MPa(單個頂活塞面積為52 050mm2)，因此在智能主控操作站設置最大油表壓力值為5MPa，提前預警提升工裝故障導致的過大索力，并指導現(xiàn)場提升操作人員及時發(fā)現(xiàn)問題。上環(huán)索提升至17m左右時，采用全站儀掃描法實測上環(huán)索各索夾的空間位置，與模擬的理論索夾空間位置擬合比對，及時發(fā)現(xiàn)偏差較大的軸線并指導現(xiàn)場調(diào)整位形。工序8對應承重索提升過程中，在承重索CS1索頭距壓環(huán)耳板2.5m前，各軸線的最大索力控制在1 250kN以內(nèi)，對應壓力油表讀數(shù)應為12MPa(雙頂?shù)幕钊娣e為104 100mm2)，智能主控操作站設置最大油表壓力值為12MPa，提前預警該工序提升工裝故障導致的過大索力，并指導現(xiàn)場提升操作人員及時發(fā)現(xiàn)問題。同時，采用全站儀掃描法實測下環(huán)索各索夾的空間位置，與模擬的理論索夾空間位置擬合比對，及時發(fā)現(xiàn)偏差較大的軸線并指導現(xiàn)場調(diào)整位形。

5.2 提升就位時位形和索力監(jiān)測

工序8對應承重索提升就位時，各軸線的就位索力最大值為1 731MPa。工序9對應穩(wěn)定索提升就位時，各軸線的就位索力最大值1 715MPa。采用全站儀掃描法測得對應下環(huán)索索夾位形數(shù)據(jù)并與設計位形擬合后如圖7所示。

圖7 下環(huán)索位形擬合

5.3 主索網(wǎng)精度控制

主索網(wǎng)全部提升就位并完成CS2的銷軸安裝后，環(huán)索到位后的水平偏差滿足設計要求的50mm，豎向偏差滿足設計要求的100mm，索力偏差滿足設計要求的0.1倍設計索力的偏差范圍。

6 結(jié)語

通過盧賽爾體育場雙層輪輻式全張力屋面索網(wǎng)提升方案比選，采用上環(huán)索提升加兩階段徑向索提升方案，并進行模擬計算，嚴格按照計算結(jié)果進行施工，并同步監(jiān)測索力和位形，保障安裝精度。通過全過程施工控制可得到如下結(jié)論。

1)大型復雜結(jié)構(gòu)的施工方案選擇很關鍵，方案選擇的合理與否，直接決定該結(jié)構(gòu)的施工安全、經(jīng)濟和進度。同時，選定方案后需要結(jié)合現(xiàn)場實際和資源情況等進一步優(yōu)化工序安排。本項目選定上環(huán)索提升加兩階段徑向索提升方案，最早的版本是考慮CS1就位后在高空安裝徑向撐桿，經(jīng)過專家論證后，優(yōu)化為承重索脫離看臺后在低空安裝徑向撐桿，降低了安裝風險，減小了對吊裝設備的需求，提高了安裝工效。

2)大型復雜結(jié)構(gòu)的施工仿真分析對于施工安全的保證非常重要，對施工順序、施工造價甚至施工圖設計會產(chǎn)生較大影響，通過仿真分析施工過程中的不安全因素，合理調(diào)整設計施工方案。

3)提升工裝及其提升設備的選擇對施工的影響至關重要。本項目采用的提升工裝科學合理，設計簡潔且安全方便。

4)施工監(jiān)測和精度控制方面，本項目嚴格按照全景模擬仿真計算結(jié)果從提升開始直至安裝就位全過程進行索力和位形監(jiān)測，并科學選擇全站儀掃描法進行全過程的輔助監(jiān)測和校核，避免過程中出現(xiàn)精度失控和潛在安全問題。