1、工程概況
國(guó)家網(wǎng)球中心新館地處綠色掩映的奧林匹克森林公園內(nèi)，為北京地區(qū)最大，具有國(guó)際先進(jìn)水平的網(wǎng)球比賽場(chǎng)館，總建筑面積約51199?，總用地面積約17公頃。賽時(shí)觀眾總數(shù)為13598人。為滿足賽事要求及多種功能需要，工程采用了可開(kāi)啟式活動(dòng)屋蓋,見(jiàn)圖1。
本工程主體建筑地上8層，周邊附屬用房1層,地下1層。建筑高度最高點(diǎn)為50米。屋蓋結(jié)構(gòu)為大跨度焊接球網(wǎng)架結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)平面為投影直徑136.7m的圓形，結(jié)構(gòu)總用鋼量為2000多噸。
本工程屋蓋結(jié)構(gòu)主要由三部分組成：1、分布于場(chǎng)館周圍支承柱上的20個(gè)鑄鋼支座；2、支承上部開(kāi)啟屋蓋的兩道軌道桁架；3、焊接球組成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。
2. 工程重點(diǎn)難點(diǎn)分析
2.1.屋面網(wǎng)架桿件眾多，現(xiàn)場(chǎng)安裝周期較短。
2.2.施工場(chǎng)地狹小，拼裝場(chǎng)地相對(duì)分散。
2.3.在整個(gè)
鋼結(jié)構(gòu)安裝過(guò)程中，與土建單位相互交叉施工，影響吊車進(jìn)行構(gòu)件吊裝。
2.4.為實(shí)現(xiàn)整體屋蓋曲面效果，構(gòu)件安裝定位、測(cè)量控制是整個(gè)安裝過(guò)程的難點(diǎn)。
2.5.高空焊接質(zhì)量也是保證工程施工質(zhì)量的關(guān)鍵。
2.6.屋蓋為焊接球網(wǎng)架，臨時(shí)支架數(shù)量較多，且下方有混凝土看臺(tái)結(jié)構(gòu)，保證混凝土看臺(tái)結(jié)構(gòu)的安全性也是本工程實(shí)施的重點(diǎn)。
3、 現(xiàn)場(chǎng)拼裝及吊裝方案
3.1 安裝方案的選定
本工程鋼結(jié)構(gòu)屋蓋施工具有以下特點(diǎn)：
（1）整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)工程占地面積大，構(gòu)件數(shù)量較多，施工吊裝作業(yè)面大。
（2）鋼結(jié)構(gòu)吊裝工期緊迫。
（3）屋蓋結(jié)構(gòu)重量重,所需吊裝設(shè)備作業(yè)半徑較大，安裝高度達(dá)40多米，安裝難度大。
（4）屋蓋下部為已完成的混凝土看臺(tái)結(jié)構(gòu)，分布面積較大，對(duì)吊機(jī)的選擇提出了要求，另外
鋼結(jié)構(gòu)安裝對(duì)混凝土施工形成交叉作業(yè)，故施工協(xié)調(diào)要求高。
（5）本工程局部為三層網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，其在安裝階段和整體成型后的空間剛度相差懸殊，對(duì)吊裝方法提出了嚴(yán)格要求。
現(xiàn)場(chǎng)條件的限制較多，基于這種情況，排除了對(duì)下部混凝土施工有很大影響的搭設(shè)滿堂手架的方案，我們選擇了將屋蓋劃分成若干拼裝單元，在地面組拼完成，再采用大型履帶吊車從場(chǎng)外吊裝，結(jié)合高空嵌補(bǔ)散裝的安裝方案，即“分區(qū)施工、分塊吊裝”。此方案既能保證施工質(zhì)量又能滿足施工進(jìn)度，同時(shí)也可減少對(duì)其他專業(yè)工程施工的影響。
3.2現(xiàn)場(chǎng)拼裝方案
3.2.1. 現(xiàn)場(chǎng)拼裝主要內(nèi)容
根據(jù)本工程的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)擬定的吊裝方案，現(xiàn)場(chǎng)拼裝分如下兩種：
1、 軌道桁架分段的拼裝；
2、 焊接球網(wǎng)架分塊的拼裝。
3.2.2.軌道桁架分段的拼裝
每道軌道桁架重約200噸，分段按吊裝起重量進(jìn)行劃分，北區(qū)軌道桁架劃分為9個(gè)分段，南區(qū)劃分成8個(gè)分段，分段重量及編號(hào)如下圖2所示：
軌道桁架每三個(gè)吊裝分段在一起進(jìn)行預(yù)拼裝，檢查對(duì)接無(wú)誤后，做好對(duì)接標(biāo)記，將前兩個(gè)吊裝分段移走后，以第三個(gè)吊裝分段為媒介對(duì)后續(xù)拼裝單元進(jìn)行定位和精度控制，即“3+1”拼裝形式。通過(guò)此方法可以達(dá)到構(gòu)件的整體精度控制要求。
軌道桁架的拼裝在專用平臺(tái)上進(jìn)行，在平臺(tái)上劃出上下弦桿、腹桿中心線，設(shè)置支撐胎架，胎架采用鋼管立柱加懸挑定位牛腿的形式設(shè)置，然后吊裝上、下弦桿件，分別從中間向兩端進(jìn)行定位組裝。
上下弦桿件組裝后，進(jìn)行腹桿的組裝，完成后即進(jìn)行焊接，焊接采用CO2氣體保護(hù)焊，焊接從中心向兩端對(duì)稱焊接，先焊下弦后焊上弦，保證桁架產(chǎn)生向上的撓度，焊后UT探傷并進(jìn)行局部矯正。
桁架分段組裝完成后進(jìn)行自檢，并交監(jiān)理方驗(yàn)收檢查，檢查合格后利用拼裝機(jī)械將桁架分段移至安裝位置附近準(zhǔn)備吊裝，下圖3。
3.2.3.焊接球網(wǎng)架分塊的拼裝
網(wǎng)架部分共劃分成34個(gè)分塊，北區(qū)10塊，南區(qū)8塊，東區(qū)8塊，西區(qū)8塊，分塊如圖4所示：
3.2.4、雙層網(wǎng)架拼裝
拼裝胎架設(shè)置時(shí)先根據(jù)網(wǎng)架坐標(biāo)轉(zhuǎn)化后的投影點(diǎn)鋪設(shè)鋼路基板，放設(shè)投影線、標(biāo)高線及支點(diǎn)位置，形成田字形控制網(wǎng)，然后豎胎架直桿，設(shè)置懸挑定位牛腿及斜撐。胎架設(shè)置應(yīng)與相應(yīng)的網(wǎng)架設(shè)計(jì)、分段重量及高度進(jìn)行全方位優(yōu)化選擇，另外胎架高度最低處應(yīng)滿足全位置焊接所需的高度，驗(yàn)收合格后方可使用。
將網(wǎng)架下弦層桿件吊上胎架進(jìn)行定位，定位后用卡馬固定，桿件焊接從中間向兩端進(jìn)行。然后進(jìn)行網(wǎng)架上弦層桿件的定位組裝及焊接。
網(wǎng)架上下弦桿件定位組裝后，進(jìn)行腹桿的安裝，從中部向兩側(cè)對(duì)稱進(jìn)行，通過(guò)調(diào)整上下弦間距進(jìn)行安裝，定位后檢查，合格后對(duì)腹桿與上下弦桿焊接，焊接采用CO2氣體保護(hù)焊，焊接采用雙數(shù)焊工從中心向兩側(cè)對(duì)稱施焊，先焊下弦桿件，后焊上弦桿件，如圖5焊后進(jìn)行UT探傷。
3.2.5、三層網(wǎng)架拼裝
三層網(wǎng)架的拼裝同樣在專用平臺(tái)上進(jìn)行，三層網(wǎng)架下層和中層網(wǎng)架的拼裝參照雙層網(wǎng)架分塊單元的拼裝工藝流程。拼裝完成后，進(jìn)行上層網(wǎng)架焊接球節(jié)點(diǎn)及腹桿的定位焊接。將上層網(wǎng)架單個(gè)焊接球節(jié)點(diǎn)與相連腹桿劃分成一個(gè)小單元進(jìn)行整體定位組裝，如下圖6所示：
根據(jù)已經(jīng)定位好的球節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行上層弦桿間嵌補(bǔ)桿的定位組裝，檢查合格后，對(duì)弦桿、腹桿與焊接球進(jìn)行焊接。
網(wǎng)架分塊單元組裝焊接結(jié)束后，拆除定位焊，使網(wǎng)架單元呈自由狀態(tài)，通過(guò)全站儀測(cè)量采集數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)理論數(shù)據(jù)值進(jìn)行比較，確定網(wǎng)架組裝焊接的誤差，并填寫測(cè)量記錄，作為吊裝定位依據(jù)。
3.3現(xiàn)場(chǎng)吊裝方案
3.3.1.臨時(shí)支撐設(shè)計(jì)
(1).支撐布置:臨時(shí)支撐在整個(gè)結(jié)構(gòu)吊裝過(guò)程中起著承重作用，吊裝完成后，又通過(guò)臨時(shí)支撐對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行卸載，所以支撐的設(shè)置顯得尤為重要。根據(jù)方案每個(gè)吊裝單元設(shè)置四個(gè)臨時(shí)支撐，如圖7共182根。
(2).支撐設(shè)計(jì):結(jié)合本工程吊裝分段重量重，安裝高度高，下部為混凝土看臺(tái)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，臨時(shí)支撐采用格構(gòu)式結(jié)構(gòu)。胎架的最大受力為35t(極限承載力為60t)，此時(shí)胎架水平變形20mm，豎向變形5mm，滿足受力要求。為增加支撐穩(wěn)定性，相鄰支撐通過(guò)橫向桁架連接，形成門架式支撐體系。對(duì)于部分高度較高的支撐拉設(shè)纜風(fēng)繩。見(jiàn)圖8
(3).支撐下部結(jié)構(gòu)加固:臨時(shí)支撐下端與混凝土看臺(tái)連接處須保證混凝土結(jié)構(gòu)不被破壞,對(duì)設(shè)置在混凝土柱上的支撐不必進(jìn)行另外加強(qiáng)，對(duì)設(shè)置在混凝土板上的支撐支通過(guò)加設(shè)轉(zhuǎn)換鋼梁進(jìn)行受力轉(zhuǎn)換，將支撐的受力傳至斜看臺(tái)梁上，確保結(jié)構(gòu)及吊裝安全。
3.3.2. 機(jī)械設(shè)備的配置要求
根據(jù)選定的方案及網(wǎng)架、桁架的分塊重量，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的施工條件，吊裝機(jī)械選用400噸履帶吊（48米主臂+60米副臂工況），其最大起重量為49噸，起重半徑最大為74米。按此工況對(duì)照每一分塊單元的重量，HJ1-HJ17為軌道桁架，最大吊裝分塊是HJ10和HJ17，重38.4t；X1-X4、D1-D4為雙層網(wǎng)架，最大吊裝分塊是X1和D1，重22.7t；其余分塊為三層網(wǎng)架，最大分塊是X5和D5，重40.6t。每一分塊單元的重量均在吊車的起吊能力之內(nèi)，滿足施工要求，同時(shí)也說(shuō)明了對(duì)網(wǎng)架和桁架的分塊的合理性。
吊裝前對(duì)現(xiàn)場(chǎng)路面采用C20混凝土或碎石進(jìn)行硬化處理。
3.3.3. 安裝順序
吊裝從西北側(cè)開(kāi)始起吊。吊車行走路線如圖9所示：
履帶吊繞結(jié)構(gòu)外側(cè)道路進(jìn)行吊裝時(shí)需注意以下要求：1、整體結(jié)構(gòu)施工階段，場(chǎng)地四周共布置四臺(tái)塔吊，分別位于結(jié)構(gòu)的東南西北四個(gè)角點(diǎn)。履帶吊位于塔吊附近吊裝時(shí)，應(yīng)協(xié)調(diào)塔吊，避免履帶吊臂桿與塔吊臂桿沖突。2、由于履帶吊在結(jié)構(gòu)外側(cè)吊裝，結(jié)構(gòu)安裝時(shí)履帶吊車司機(jī)無(wú)法目測(cè)場(chǎng)內(nèi)安裝情況，故安裝過(guò)程中應(yīng)配備經(jīng)驗(yàn)豐富的起重司機(jī)和場(chǎng)內(nèi)指揮人員，保證安裝的順利進(jìn)行。
3.3.4. 吊裝分塊吊點(diǎn)的設(shè)置
三層網(wǎng)架分塊是不規(guī)則形狀，吊裝前吊點(diǎn)的選擇帶來(lái)了不少難度，對(duì)此我們先在CAD模型中確定分塊的重心位置，根據(jù)重心的位置選擇合理的吊點(diǎn)。
在吊裝過(guò)程中，根據(jù)已選定的吊點(diǎn)系上吊裝繩索，移出胎架后待分塊處于平衡時(shí)再起吊，分塊不能處于平衡時(shí)，則對(duì)吊點(diǎn)位置進(jìn)行調(diào)整。
3.3.5. 吊裝驗(yàn)算分析
為保證吊裝時(shí)分塊、支撐及下部混凝土結(jié)構(gòu)的安全，選擇典型的吊裝分塊進(jìn)行吊裝、落架驗(yàn)算見(jiàn)圖10~12。
（1） 吊裝分塊HJ10
吊裝驗(yàn)算
結(jié)論：網(wǎng)架分塊最大豎向變形10.04mm，去除繩索向下伸長(zhǎng)約9mm，網(wǎng)架自身變形10.04-9=1.04mm，1.04/8000，滿足變形要求。網(wǎng)架分塊最大組合應(yīng)力12.35Mpa，滿足強(qiáng)度要求。網(wǎng)架分塊應(yīng)力比小于1，滿足穩(wěn)定要求。
落架驗(yàn)算見(jiàn)圖13~15
結(jié)論：網(wǎng)架分塊最大豎向變形0.21mm，0.21/8000=1/40000，滿足變形要求。網(wǎng)架分塊最大組合應(yīng)力10.72Mpa，滿足強(qiáng)度要求。網(wǎng)架分塊應(yīng)力比小于1，滿足穩(wěn)定要求。
（2）吊裝分塊D5
吊裝驗(yàn)算見(jiàn)圖16~18
結(jié)論：網(wǎng)架分塊最大豎向變形28.48mm，28.48/18000=1/632，滿足變形要求。網(wǎng)架分塊最大組合應(yīng)力70.04Mpa，滿足強(qiáng)度要求。網(wǎng)架分塊應(yīng)力比小于1，滿足穩(wěn)定要求。
結(jié)論：網(wǎng)架分塊最大豎向變形2.73mm，2.73/18000=1/6593，滿足變形要求。網(wǎng)架分塊最大組合應(yīng)力-38.96Mpa，滿足強(qiáng)度要求。網(wǎng)架分塊應(yīng)力比小于1，滿足穩(wěn)定要求。
3.3.6. 構(gòu)件起拱
本工程跨度達(dá)80米，且有重約500噸的活動(dòng)屋蓋支承在軌道桁架上，結(jié)構(gòu)會(huì)有一定的變形，見(jiàn)圖22。根據(jù)計(jì)算得到變形值如；D1=D2=5.95mmD3=D4=49.20mm
由圖中可知，變形值最大的部位在南北桁架和東西網(wǎng)架的中間位置，根據(jù)圖中計(jì)算出的變形值確定每塊吊裝單元的起拱值，吊裝時(shí)根據(jù)起拱值進(jìn)行起拱。
3.3.7.吊裝定位要求
所有準(zhǔn)備工作完成后，按照計(jì)劃進(jìn)行第一榀桁架的吊裝，全程采用全站儀進(jìn)行定位，完成后進(jìn)行下一榀桁架的吊裝，兩榀桁架吊裝完成后進(jìn)行中間嵌補(bǔ)桿件的安裝，確保已吊裝單元能形成整體穩(wěn)定體系。
同樣的每一榀網(wǎng)架吊裝完成后進(jìn)行嵌補(bǔ)桿件的安裝，按計(jì)劃依次進(jìn)行。最后選擇合理?xiàng)l件進(jìn)行整體合攏，見(jiàn)圖23~25。
4． 結(jié)構(gòu)卸載分析
鋼結(jié)構(gòu)整體合攏以后，在混凝土后澆帶澆注完畢且強(qiáng)度達(dá)到80%設(shè)計(jì)強(qiáng)度時(shí)，進(jìn)行整體卸載工作。根據(jù)計(jì)算模擬卸載前和最終成形后的變形，來(lái)確定大體的卸載思路，見(jiàn)圖26~28。
工程卸載共分為3個(gè)區(qū)，一區(qū)為外圈形成的區(qū)域，二區(qū)為中間四個(gè)支撐形成的區(qū)域，其余部分為三區(qū)。
一區(qū)在合攏工作完成后，將支座擱置在設(shè)計(jì)位置，不進(jìn)行完全固定；2區(qū)四個(gè)大柱子嵌補(bǔ)桿件安裝完成后即進(jìn)行完全固定。整體卸載后，一區(qū)16個(gè)支座在自重變形作用下，將有部分支座出現(xiàn)拉力，支座先不固定可將此拉力完全釋放掉，支座變形完成后再將1區(qū)16個(gè)支座進(jìn)行完全固定。卸載時(shí)一區(qū)處支點(diǎn)一次到位全部卸載，二區(qū)支點(diǎn)一次到位全部卸載，三區(qū)支點(diǎn)分三步循環(huán)卸載。三區(qū)分為左右支撐點(diǎn)和上下支撐點(diǎn)四個(gè)小分塊，卸載時(shí)先卸載左右支撐點(diǎn)，再卸載上下支撐點(diǎn)，循環(huán)3次完成三區(qū)胎架卸載工作，每一個(gè)小分塊內(nèi)的支撐點(diǎn)卸載時(shí)采用“等比同步”卸載，如圖29~31
通過(guò)全過(guò)程的卸載分析，可得知結(jié)構(gòu)卸載過(guò)程中的應(yīng)力變化情況，為結(jié)構(gòu)卸載安全提供計(jì)算依據(jù)。
將結(jié)構(gòu)卸載過(guò)程中典型部位的應(yīng)力和應(yīng)變情況繪出圖表，同時(shí)跟蹤支撐反力的變化，以得到支撐在卸載過(guò)程中出現(xiàn)的最大反力，為支撐設(shè)計(jì)提供依據(jù)。如下圖所示，
經(jīng)過(guò)以上卸載分析表明，按上述順序進(jìn)行支撐卸載，在卸載過(guò)程中，主體結(jié)構(gòu)緩慢受力，變形均勻，沒(méi)有出現(xiàn)受力及變形突變情況，典型部位屋蓋的應(yīng)力變化從40Mpa逐漸增加到160MPa，豎向撓度從2mm逐漸增加到50mm，最大反力為35t，胎架最大應(yīng)力190MPa，滿足強(qiáng)度要求，胎架變形較小，剛度要求亦可滿足。在工程實(shí)際卸載過(guò)程中也驗(yàn)證了此方法的安全、可靠、可行，見(jiàn)圖32~33。
5.結(jié)語(yǔ)
國(guó)家網(wǎng)球中心新館采用開(kāi)啟式活動(dòng)屋蓋，結(jié)構(gòu)跨度大，給施工帶來(lái)了不少難度，本文闡述了網(wǎng)架工程的拼裝、吊裝及卸載技術(shù)方案，對(duì)國(guó)內(nèi)首座大跨度開(kāi)啟式屋蓋網(wǎng)架工程的安裝技術(shù)進(jìn)行了較為全面、系統(tǒng)的研究和論證，為國(guó)內(nèi)此類工程的安裝提供了先例。同時(shí)本工程高質(zhì)量、高效率按時(shí)完工，也充分證明了我公司在同類工程中的技術(shù)實(shí)力和管理水平。
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作者簡(jiǎn)介：周永明（1973-），江蘇滬寧鋼機(jī)股份有限公司設(shè)計(jì)所所長(zhǎng)， 工程師、一級(jí)建造師
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