郁政華

(上海市機械施工集團(tuán)有限公司，上海 200072)

1 工程概況

浦東足球場項目位于浦東新區(qū)金滇路以東、錦繡東路規(guī)劃綠地以南、規(guī)劃金湘路以西、規(guī)劃金葵路以北地塊。項目建筑高度為41.8m，總建筑面積139 304m2，其中地上64 186m2，地下75 118m2。足球場看臺采用鋼結(jié)構(gòu)框架結(jié)構(gòu)體系+預(yù)制混凝土看臺板，鋼屋蓋采用輪輻式索承網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，通過立柱支承在下部鋼結(jié)構(gòu)看臺上，如圖1所示。屋蓋平面長軸為211m，短軸為173m，根據(jù)看臺形式，形成輕微的馬鞍形，高差為2.5m，立面高度為4.5～26.9m。項目總用鋼量約1.6萬t，其中地下室勁性柱約1 500t，看臺部分約1萬t，屋蓋部分約4 500t。

圖1 浦東足球場效果

浦東足球場屋蓋采用國際首創(chuàng)中置壓環(huán)輪輻式張拉結(jié)構(gòu)體系，將常規(guī)放置在外圈柱頂?shù)膲毫Νh(huán)向內(nèi)移動，形成橢圓形中置壓環(huán)。這既適應(yīng)了浦東足球場矩形外輪廓的建筑要求，又通過中置壓環(huán)滿足了結(jié)構(gòu)優(yōu)化的要求，為索承網(wǎng)格結(jié)構(gòu)增添了活力。

屋蓋受力體系如圖2所示，屋蓋8根環(huán)索、46根徑向索及受壓桿件V撐外肢、徑向梁、中置壓環(huán)梁組成自平衡體系，屋蓋剛度主要由預(yù)應(yīng)力提供，其在施工過程中為可變結(jié)構(gòu)。

圖2 屋蓋受力體系示意

2 鋼屋蓋施工流程優(yōu)化

傳統(tǒng)大跨度鋼結(jié)構(gòu)自身剛度較大，設(shè)置臨時支撐及預(yù)變形措施，能很好地控制結(jié)構(gòu)的應(yīng)力及變形，卸載后，結(jié)構(gòu)完成態(tài)易滿足設(shè)計初始態(tài)要求。而輪輻式張拉結(jié)構(gòu)在施工過程中為可變結(jié)構(gòu)，其剛度及變形均通過預(yù)應(yīng)力張拉實現(xiàn)，結(jié)構(gòu)剛度與預(yù)應(yīng)力大小直接相關(guān)。結(jié)構(gòu)達(dá)到互鎖狀態(tài)后，鋼屋蓋方才具有穩(wěn)定性；但隨著預(yù)應(yīng)力張拉，屋蓋體系剛度及位形具有不可逆性。因此，須對鋼屋蓋施工流程、張拉流程進(jìn)行分析，通過不斷與設(shè)計初始態(tài)對比，確定最優(yōu)施工流程。

優(yōu)化前鋼屋蓋施工流程為：①安裝立柱、徑向梁、壓環(huán)梁；安裝柱頂圈梁、次梁；安裝V撐外肢，并臨時固定；②安裝內(nèi)懸挑梁、次梁；③在看臺鋪設(shè)環(huán)索、徑向索；提升環(huán)索，與V撐外肢固定；④張拉徑向索；⑤安裝V撐內(nèi)肢；⑥卸載懸挑梁臨時支撐；⑦安裝屋面與馬道，卸載臨時支撐。

采用ANSYS有限元軟件建立模型，分析各工況下索力、結(jié)構(gòu)應(yīng)力及位形。主要對比分析內(nèi)容為：①臨時支撐卸載時機，即張拉前卸載還是屋面施工完成后卸載；②內(nèi)懸挑梁安裝時機，即張拉前安裝還是張拉后安裝。

通過施工模擬對比分析，可得：①結(jié)構(gòu)在張拉前卸載，完成態(tài)結(jié)構(gòu)應(yīng)力小于設(shè)計初始態(tài)，結(jié)構(gòu)位形與設(shè)計要求相去甚遠(yuǎn)；②張拉前安裝內(nèi)懸挑梁，內(nèi)懸挑梁在徑向索張拉工況下產(chǎn)生附加應(yīng)力，在卸載工況下，變形較大且不可逆，難以滿足設(shè)計對結(jié)構(gòu)應(yīng)力、位形的要求。

因此，對施工流程進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。調(diào)整后的施工流程為：①安裝柱、壓環(huán)梁及其外側(cè)圈梁(不含8個合龍段)；②鋪設(shè)環(huán)索、徑向索；提升環(huán)索，與V撐外肢固定；③張拉徑向索；④安裝壓環(huán)梁外側(cè)的合龍段圈梁、屋面支撐和柱間支撐；⑤安裝V撐內(nèi)肢和徑向懸挑梁；⑥安裝壓環(huán)梁內(nèi)側(cè)的圈梁、屋面支撐及V撐橫梁；⑦安裝屋面與馬道，卸載胎架。

通過施工模擬分析，優(yōu)化后的施工完成態(tài)與設(shè)計初始態(tài)，在索力、結(jié)構(gòu)應(yīng)力、位形上的數(shù)值結(jié)果基本一致，施工流程可行。

3 施工機械選型、布置優(yōu)化

大跨度鋼結(jié)構(gòu)通常采用跨內(nèi)(外)節(jié)間綜合法、跨內(nèi)(外)大流水施工。其中，節(jié)間綜合法在施工過程中能及時安裝主構(gòu)件間連系梁、交叉撐等，形成節(jié)間穩(wěn)定體系，因此應(yīng)用廣泛。大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工中，由于行走式塔式起重機、履帶式起重機及大型汽車式起重機布置靈活，應(yīng)用廣泛。實際工程中，根據(jù)項目特點擇優(yōu)選型、布置。施工機械選型、布置不僅影響項目成本，且影響施工效率及工期。

前期策劃階段，制定跨外節(jié)間綜合法施工技術(shù)路線，結(jié)合施工技術(shù)路線，在跨外布置2臺行走式塔式起重機作為主力機械，跨內(nèi)布置2臺履帶式起重機作為輔助設(shè)備。

本項目足球場看臺采用鋼結(jié)構(gòu)框架結(jié)構(gòu)體系+預(yù)制混凝土看臺板，因此在看臺結(jié)構(gòu)施工階段，在跨外首層樓板上對稱布置2臺M440D型塔式起重機進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)框架結(jié)構(gòu)施工，跨內(nèi)布置2臺150t履帶式起重機進(jìn)行預(yù)制混凝土看臺板施工。

輪輻式索承網(wǎng)格結(jié)構(gòu)施工階段，保留跨外2臺行走式M440D型塔式起重機，用于吊裝屋蓋立柱、聯(lián)系次構(gòu)件；在跨內(nèi)布置1臺600t履帶式起重機，用于吊裝徑向梁、壓環(huán)梁構(gòu)件，1臺150t履帶式起重機用于吊裝臨時支撐及內(nèi)懸挑等次構(gòu)件。

看臺施工階段，為實現(xiàn)行走式塔式起重機上首層樓板作業(yè)，前置工況為首層樓板施工完成，且強度達(dá)到100%，這就意味著，地下室勁性柱施工階段結(jié)束后，首層樓板分塊施工階段(4個多月)，鋼結(jié)構(gòu)無法正常連續(xù)施工，土建施工進(jìn)度嚴(yán)重制約鋼結(jié)構(gòu)主體結(jié)構(gòu)施工。屋蓋施工階段，由于屋蓋構(gòu)件偏重，尤其是中置壓環(huán)梁及徑向梁構(gòu)件，外圍行走式塔式起重機利用率不高，而跨內(nèi)600t履帶式起重機作為實際的主力機械，工效不足，無法滿足屋蓋的分區(qū)快速施工，且無法配合后續(xù)索施工。

綜上所述，確定在跨外布置2臺行走式塔式起重機作為主力機械，跨內(nèi)布置2臺主力履帶式起重機、2臺輔助履帶式起重機，跨外布置2臺小型汽車式起重機作為輔機的跨內(nèi)綜合安裝方案。

看臺結(jié)構(gòu)施工階段，在跨內(nèi)場芯底板上對稱布置2臺300t履帶式起重機進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)框架結(jié)構(gòu)施工，跨外布置2臺100t汽車式起重機進(jìn)行輔助吊裝，如圖3所示。

圖3 優(yōu)化后看臺施工階段機械選型及布置

輪輻式索承網(wǎng)格結(jié)構(gòu)施工階段，保留跨外2臺行走式M440D型塔式起重機，用于吊裝屋蓋立柱、聯(lián)系次構(gòu)件；跨內(nèi)布置1臺600t履帶式起重機，用于吊裝徑向梁、壓環(huán)梁構(gòu)件，1臺150t履帶式起重機用于吊裝臨時支撐及內(nèi)懸挑等次構(gòu)件，如圖4所示。

圖4 優(yōu)化后屋蓋施工階段機械選型及布置

方案優(yōu)化后，可解決土建頂板施工對鋼結(jié)構(gòu)連續(xù)施工的制約，大大縮短施工工期。同時，充分發(fā)揮大型履帶式起重機起重能力大的優(yōu)勢，滿足后續(xù)屋蓋重型構(gòu)件的安裝要求。150t履帶式起重機輔助機械也可滿足后續(xù)預(yù)制看臺板、臨時支撐及索施工的配合需要。其在設(shè)備選型上最為經(jīng)濟(jì)。

4 鋼屋蓋構(gòu)件分段優(yōu)化

鋼屋蓋主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件由壓環(huán)梁、徑向梁、內(nèi)懸挑結(jié)構(gòu)、V撐內(nèi)肢、V撐外肢及聯(lián)系次構(gòu)件等組成，如圖5所示。

圖5 屋蓋主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件

徑向梁(截面形式B1 400×700)共46榀，構(gòu)件跨度為25.3～41.8m，壓環(huán)梁(截面形式B1 500×1 500)共46榀，長8.2～11.3m，壓環(huán)梁分段間采用法蘭螺栓連接。

輪輻式張拉索的軸力變化直接影響徑向梁、壓環(huán)梁構(gòu)件的加工和安裝精度。為確保結(jié)構(gòu)成型后索力值接近設(shè)計初始態(tài)，要求中置壓環(huán)、徑向梁每段構(gòu)件長度偏差<±3mm，所有因素疊加產(chǎn)生的綜合誤差≤±10mm。

傳統(tǒng)的輪輻式結(jié)構(gòu)安裝方法為：先形成閉合內(nèi)壓環(huán)，再安裝徑向梁，然后補相鄰徑向梁間的柱頂圈梁及次梁。該施工方案導(dǎo)致構(gòu)件分段數(shù)量多，安裝精度難控制。根據(jù)跨度數(shù)值，不可避免地要將徑向梁分成2～3段，以滿足構(gòu)件實際運輸需求。構(gòu)件分段數(shù)量決定臨時支撐胎架設(shè)計數(shù)量，大量臨時支撐會增加施工成本，降低施工效率，同時也制約后續(xù)預(yù)制看臺板施工。因此，在實際施工中，須對構(gòu)件分段進(jìn)行優(yōu)化。

通過對比優(yōu)化方案，最終確定由徑向梁、壓環(huán)梁、V撐外肢組合吊裝的方案，T字組合構(gòu)件共46榀，構(gòu)件重52.52～68.47t。

圖6 T字組合構(gòu)件

T字組合構(gòu)件在地面設(shè)置胎架擴大組榀，可大大降低臨時支撐的投入，避免高空焊接帶來的質(zhì)量與安全風(fēng)險，同時也大大提高構(gòu)件的組拼質(zhì)量，對構(gòu)件的精度控制尤為重要。T字組合構(gòu)件拼裝精度要求如下。

1)徑向梁牛腿的距離節(jié)點中心偏差±3mm，牛腿的翹曲或扭轉(zhuǎn)偏差 ±3mm。

2)徑向梁本體長度偏差±3mm，徑向梁本體扭曲偏差 ±5mm。

3)壓環(huán)梁截面尺寸偏差≤0.3mm，壓環(huán)牛腿距離節(jié)點中心偏差±3mm，牛腿翹曲或扭曲偏差≤3mm。

4)壓環(huán)梁法蘭面平面度偏差≤0.3mm，垂直度偏差≤1.5mm，法蘭面接觸面不小于總面積的90%。

T字組合構(gòu)件吊裝充分利用600t履帶式起重機的起重能力，大大提高施工效率。內(nèi)懸挑徑向梁與V撐內(nèi)肢組合吊裝，避免內(nèi)側(cè)臨時支撐的使用，降低施工成本。

5 結(jié)語

浦東足球場項目看臺采用鋼結(jié)構(gòu)框架結(jié)構(gòu)體系+預(yù)制混凝土看臺板，鋼屋蓋采用輪輻式索承網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)體系在大跨度結(jié)構(gòu)類型中是一種全新嘗試。由于沒有可借鑒的案例指導(dǎo)施工，項目團(tuán)隊在施工前期進(jìn)行了大量富有成果的研究、探索、試驗及實踐。本文中涉及的鋼屋蓋施工流程優(yōu)化、施工機械選型布置優(yōu)化以及鋼屋蓋構(gòu)件分段優(yōu)化，均只是施工前期策劃過程中的冰山一角。現(xiàn)場實施證明如下。

1)鋼屋蓋施工流程優(yōu)化成功實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)由零應(yīng)力態(tài)向設(shè)計完成態(tài)的轉(zhuǎn)換，張拉卸載完成后，通過應(yīng)力及位移監(jiān)測，結(jié)構(gòu)的位形及索應(yīng)力均滿足設(shè)計要求。

2)施工機械選型、布置優(yōu)化，成功解決了土建主體結(jié)構(gòu)施工對鋼結(jié)構(gòu)施工工序上的制約難題，在看臺樓板施工階段，大型履帶式起重機提前進(jìn)入場芯進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)施工，縮短了近2個月的工期。

3)鋼屋蓋構(gòu)件分段優(yōu)化，大大提高了構(gòu)件的拼裝精度，利用大型設(shè)備進(jìn)行構(gòu)件組合吊裝，提高了施工效率。同時，也減少了場內(nèi)臨時支撐的設(shè)置，降低了施工成本。

通過施工技術(shù)優(yōu)化應(yīng)用，最終為上海人民呈現(xiàn)了——“白瓷碗”版華麗的公共體育設(shè)施，也為鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)增加了首例中置壓環(huán)梁輪輻式索承網(wǎng)格結(jié)構(gòu)施工的經(jīng)典案例。