大開口索穹頂支撐結構體系施工技術

黎浩然 魏愛生 劉火明 蔣 豐 劉盟盟

中國建筑第八工程局有限公司西南分公司 四川 成都 610041

國內外體育場館的屋蓋往往為大跨度空間結構并且常伴有中部較大的開口，成都鳳凰山體育中心項目專業足球場屋蓋創造性地采用大開口索穹頂結構，將場館屋蓋的開口需求與索穹頂結構結合起來，結構受力合理，造型輕盈，建筑效果美觀。但是這對結構分析、施工及監測提出了很高的要求，需要解決一系列的關鍵技術[1-6]。

本工程采用的是國內外首創的大開口 葵花形 索穹頂結構（levy形），其結構形式由支撐結構、外環網架、大開口索穹頂結構以及內環桁架組成，結構受力表現形式特殊，結構獨特新穎。外立面斜向搖擺柱的臨時支撐結構、看臺柱焊接安裝方法以及數值模擬協同施工等關鍵技術的運用，既有效確保安裝質量，又能保證施工過程安全，順利完成國內外首例索穹頂結構的支撐結構安裝。

1 工程概況

成都鳳凰山體育中心項目是第31屆世界大學生運動會的重要賽事場館，總建筑面積45.6萬 m2。項目包含1座6萬座的專業足球場，地上6層、地下1層，足球場的建筑平面投影形狀為橢圓形，南北方向總長度約281 m，東西方向總寬度約231 m。

足球場罩棚體系采用大開口索穹頂結構，其結構形式由支撐結構、外環網架、大開口索穹頂結構以及內環桁架組成。支撐結構體系由64根外立面斜搖擺柱、47根看臺立柱以及柱間斜拉穩定索組成。

2 工程施工特點、難點

支撐結構整體可分為外環斜向搖擺柱支撐和內環看臺鋼柱支撐。

外環斜向搖擺柱柱底采用板鉸節點，每根立柱均向外傾斜，且角度不同，整體形態 下收上放 ，又因斜向搖擺柱為細長構件且斜向安裝，安裝過程中柱身姿態及傾斜角度的控制難度大。

看臺鋼柱為帶十字加勁板的空心鋼柱，柱頂為關節軸承節點、柱底焊接于成品固定支座。鋼柱由于內部帶有連續十字加勁板，安裝過程中焊接質量控制難度大。

臨時支撐裝置與支撐結構遞進式安裝以及屋蓋鋼網架吊裝同步進行，交叉協同施工難度大，現場管理難度大。

3 設計概況

屋蓋支撐結構包括看臺柱與外立面鋼框架結構，外立斜向搖擺柱頂部相貫于外環網架結構，底部通過銷軸節點鉸接于下部結構，看臺柱頂部通過關節軸承鉸接于外環網架結構，底部通過成品支座支承于混凝土看臺。

柱頂節點包括焊接球節點和關節軸承節點2類，如圖1所示。

圖1 柱頂節點效果圖

外立面搖擺柱和看臺柱均與混凝土結構上預埋件連接，其中搖擺柱底部為板鉸節點，看臺柱底部為成品固定支座，如圖2、圖3所示。

圖2 搖擺柱底部板鉸節點連接

圖3 看臺柱柱底節點

本工程屋蓋體系整體為柔性結構，柱間的支撐方式采用柔性預應力拉索，既符合建筑整體輕柔的設計風格，又有利于提高外框架柱的穩定性，以確保整體結構安全可靠。交叉穩定索用于外立面搖擺柱間以及看臺柱間，其分布位置見圖4中標紅區域。

圖4 柱間交叉穩定索布置

外立面搖擺柱交叉穩定索的設置以鋼橫梁為界，橫梁上下均設置有交叉索，交叉索安裝通過索端頭與立柱中耳板的連接張拉來實現，每根穩定索長為16 m左右，其中交叉穩定索的預張力為50 kN，交叉穩定索大樣如圖5所示。

圖5 交叉穩定索大樣

4 施工方案及流程

針對本工程支撐體系特點，采用格構式支撐胎架作為臨時支撐裝置，鋼柱利用起重設備單根吊裝。

斜向搖擺柱安裝流程：柱腳預埋件安裝→支撐架基礎施工→架體及支撐底座搭設→纜風繩布置→搖擺柱吊裝→鋼拉桿安裝。

看臺鋼柱安裝流程：柱腳預埋件安裝→成品固端支座安裝→看臺柱吊裝→柱腳與支座焊接。

5 關鍵技術分析

5.1 柱腳預埋件安裝

鋼柱通過預埋件與混凝土結構相連，在鋼柱柱腳處混凝土結構澆筑前進行定位，將預埋件與主體結構鋼筋定位錨固（圖6）。在混凝土澆筑的過程中，對預埋件進行位置及標高的復核，確保定位準確。

圖6 預埋件錨固示意

5.2 支撐裝置安裝

外立面斜向搖擺柱安裝過程中采用格構式支撐胎架作為豎向支撐裝置，并輔以纜風繩增強整體側向穩定性。

1）格構式支撐胎架基礎：胎架下基礎為混凝土基礎加架體底座鋼埋件（圖7），部分落于外圍地面區域，部分落于7 m平臺區域，其中7 m平臺區域基礎下部結構板下方設置有液壓回頂裝置（圖8），保證樓板承重能力滿足要求。

圖7 胎架基礎示意

圖8 液壓回頂裝置示意

2）支撐裝置主要包括格構式支撐架和與主體結構相連的纜風繩，其中格構式支撐胎架與基礎預埋件連接固定，纜風繩為在支撐架中上部1/3范圍內均勻布置的2道φ14 mm鋼絲繩，一端連接在支撐架體上，另一端固定在主體混凝土結構上（圖9）。

圖9 支撐裝置示意

5.3 斜向搖擺柱安裝

斜向搖擺柱利用起重設備兩點起吊，其中吊裝過程姿態以及傾斜角度采用柱頂所連接φ18 mm的纜風繩進行調整，過程中利用測量儀器實時核對柱頂坐標。安裝過程中首先將柱底板鉸支座焊接于預埋件上，固定好一端后再進行角度調整，搖擺柱傾斜角度調整完畢后安裝水平鋼拉桿，將搖擺柱外斜角度固定，確保安裝精度（圖10）。

圖10 搖擺柱安裝示意

5.4 十字加勁板看臺鋼柱安裝

1）測量設備定點校正，將固端支座焊接于預埋鋼板上，為防止鋼柱吊裝過程中落于支座時因力的作用導致支座偏移，沿支座外徑均勻焊接4個臨時加固件，加固件底端焊接于預埋板上。

2）鋼柱通過柱頂臨時吊耳采用單機旋吊法吊裝，吊裝過程利用柱身所布置的纜風繩調整定位，防止鋼柱偏擺，與網架碰撞。鋼柱就位后通過固定纜風繩以及柱底定位焊雙重措施臨時固定。

3）鋼柱內部十字加勁板與支座采用單面全熔透焊接方法，具體方式為在柱腳位置開2個相對1/4圓弧缺口，完成1/2加勁板的焊接，同步在另外一側加焊接襯墊。然后將1/4圓弧缺口位置采用同材質進行鋼管柱與支座的補焊。同理完成剩下1/4十字加勁板焊接。

6 有限元分析

6.1 支撐胎架分析

支撐架分析采用有限元分析軟件MIDAS Gen2018。支撐架弦桿及轉換梁用梁單元模擬，支撐架腹桿采用桁架單元模擬。支撐架基本組合尺寸為2.5 mh 2.5 m，高度為30 m。計算荷載取值：支撐架自重系數取1.1；支承荷載標準值取1 000 kN；考慮豎向支承荷載偏心產生的附加彎矩作用，取 100 mm和D/20兩者的較小值，其中D為支撐架邊長；考慮支撐架頂部操作平臺的上人荷載，取2.0 kN/m2；取當地十年一遇基本風壓0.2 kN/m2，風壓高度變化系數為1.39，風振系數取1.5，體形系數為1.62，風荷載折算為線荷載施加在支撐架立桿上。

6.1.1 支撐架變形情況

由支撐架位移云圖（圖11）可知，支撐架在標準作用下，水平向最大位移為7.1 mm，豎向位移為4.9 mm。支撐架高度為30 m，7.1/30 000=1/4 225＜1/250。支撐架水平向變形較小，且結構網架分塊落位后，能約束支撐架水平位移，同時豎向變形也較小，能夠滿足安裝精度要求。

圖11 支撐架位移云圖

6.1.2 應力情況

根據圖12計算結果，支撐架構件最大應力比為0.49＜1.0，為頂部平臺梁，其中立桿最大應力比為0.3，腹桿最大應力比為0.4，滿足承載力要求。

圖12 應力比云圖

6.2 斜向搖擺柱分析

搖擺柱均采用整根吊裝進行施工，借助有限元分析軟件MIDAS Gen Ver.860進行吊裝分析。選取吊裝質量最大的斜柱進行分析，斜柱長約29.85 m，吊裝狀態鋼柱與地面呈70e 傾斜，吊裝質量約15 t。由分析可知，質量最大的搖擺柱在吊裝過程中的最大變形為1.43 mm，能滿足剛度要求；吊裝過程中的應力比為0.02＜0.90，能夠滿足承載力要求。

7 施工過程監測

施工監測是施工過程中的一個重要環節，其結果不僅能體現結構安裝質量，還能為結構分析提供參考依據。支撐結構施工監測對象主要為臨時支撐裝置和鋼柱。

格構式支撐架監測內容主要包括架體的應力、支座和基礎變形。施工過程中架體應力監測數據超出允許范圍時，應立即停止施工并進行加固處理。支撐架在施工過程中，風速對支撐架穩定性影響較大，需實時監測風速，當風速超出設計承載力時，需停止施工，待風速穩定在設計值以下，方可繼續施工。

通過對鋼柱施工過程中的監測，可及時獲取各施工階段變形情況，將監測所獲得的數據與事先經過理論計算所獲得的變形數據進行比較，及時調整施工和安裝變形誤差，保證施工的正常進行和建筑尺寸的準確。

8 結語

本文針對大開口索穹頂體系中的支撐結構體系結構形式的特點，結合實際情況，對支撐體系施工中的安裝方案、預埋件安裝、臨時支撐及加固撐裝置安裝、斜向搖擺柱安裝、十字加勁板鋼柱安裝、過程監測等關鍵技術進行分析，結合以往工程經驗并在施工全過程模擬計算分析的基礎上選用了合理的施工方案。工程的順利實施驗證了其可行性和準確性，可為類似支撐體系施工提供參考。