上海浦東足球場屋蓋鋼結構創新施工技術*

周 鋒，陳曉明

(上海市機械施工集團有限公司，上海 200072)

0 引言

近年來，隨著我國冬奧會和其他重大國際賽事的成功申辦，體育產業蓬勃發展，新建及改造體育場館項目不斷涌現，大跨度空間鋼結構獲得了前所未有的發展。而輪輻式張拉結構體系因結構輕巧、易實現大跨度、空間受力結構效率高的特點被廣泛應用在國內外頂級體育場的屋蓋結構中。此結構體系一般由外壓環、徑向索和內拉環所組成，其中外壓環類似車輪的輪輞，徑向索類似車輪的輻條，內拉環類似車輪的輪轂，三者形成自平衡，主要應用在圓形或類橢圓形體育場。

浦東足球場造型接近矩形，如果采用外壓環輪輻式張拉結構，則因外壓環呈矩形狀使結構承力效率低下而不經濟。為此，浦東足球場首創了中置壓環張拉結構體系，其將輪輻式張拉結構常規放置在外圈柱頂的壓力環向內移動，以規避外形限制而布設承力效率更高的橢圓形中置壓環。本文對安裝過程中的關鍵性技術問題進行分析與研究，總結大跨鋼結構屋蓋安裝的關鍵技術，以便作為今后類似結構施工的參考。

1 工程概況

上海浦東足球場是一座符合國際足聯國際A級比賽要求的專業足球場，固定座席數約為3.4萬個。建成后的實景如圖1所示。足球場看臺采用鋼結構框架-支撐體系+預制混凝土看臺板。足球場屋蓋采用輪輻式索承網格結構，通過鋼立柱支承在下部看臺鋼結構上。屋蓋平面長軸211m，短軸173m，并依循看臺形成了輕微的馬鞍造型，高差為2.5m，立面高度24.5～26.9m。屋蓋拉索采用全封閉鋼索，不設調節余量。

圖1 浦東足球場實景

屋蓋鋼結構的徑向索桁架包括上徑向梁、下徑向索和V撐外肢。46榀徑向索桁架通過主壓環梁、環索和次環梁連成整體，并通過立柱支撐在下部看臺鋼結構上。內懸挑梁作為次結構依附在索桁架端部，并下設V撐內肢減小了內懸挑梁的跨度。屋蓋的結構體系可以看成是輪輻式體系和索承網殼的結合(見圖2)。與傳統全柔性輪輻式體系不同，本工程下弦采用張拉索網體系，上弦采用剛性結構體系，徑向索水平分力通過剛性的上弦徑向梁傳遞至中置壓環，形成張拉自平衡體系，且剛性的上弦結構亦與該工程采用的直立鎖邊金屬屋面體系相契合。中置近似橢圓形的壓環滿足了結構優化的要求，也釋放了對外環的結構要求，外環只需滿足球場矩形外輪廓的建筑要求。

圖2 屋蓋鋼結構立面示意

2 施工流程和施工分析

輪輻式張拉結構是一種柔性結構，其內力和位形有著密切的關系。內力的變化將牽動位形的改變，同樣位形的變化也會帶來內力的變更。這種形與力密不可分的關系，決定了屋蓋鋼結構的分析、深化、加工、安裝及張拉是一體化的過程。

2.1 施工流程

整個屋蓋鋼結構的施工大體分為4個階段。

1)采用臨時支撐安裝46榀徑向梁、V撐外肢、壓環梁、外側圈梁下的立柱和部分次環梁。分段之間通過法蘭相連的壓環梁精確成環是施工的關鍵。

2)16段環索地面展開首尾相連，形成8根環索，并與索夾固定。利用已安裝的屋蓋結構提升索夾以及與之相連的環索，就位后索夾與已經安裝的V撐外肢通過銷軸固定。徑向索一端與索夾相連，另一端通過張拉工裝與徑向梁外端的耳板連接。同步張拉徑向索，就位后穿銷軸固定。

3)補缺壓環梁外側的次環梁形成完整圈梁，安裝屋面支撐和柱間支撐。

4)安裝V撐內肢、徑向懸挑梁及壓環梁內側的圈梁和屋面支撐，至此屋蓋鋼結構形成。

2.2 施工分析

對于浦東足球場鋼屋蓋這個剛柔結合索承網格結構，施工的目標是在形與力上實現結構的設計初始狀態。由于力與形的高相關性，這對構件的加工制作與現場安裝誤差的控制有著極高的要求。同時結構在施工各個階段的內力和形態的關系需要通過全過程的仿真計算分析獲得，從而為制定和優化施工方案及施工控制提供依據，以保證施工安全。施工分析主要包括零應力找形分析和施工過程分析。

結構初始狀態是結構在自重和預應力作用下的自平衡狀態，一般即結構施工圖所對應的形態和索力分布，因此也常稱為設計初始態。鋼結構施工是鋼構件在臨時支撐上拼裝，逐步形成結構的過程。這個過程中，結構自重由臨時支撐承擔，構件的應力水平很低，變形也很小，此時為施工零應力狀態。當預應力張拉且拆除臨時支撐后，結構成型進入施工完成態。對于剛性結構，預應力張拉和拆除臨時支撐前后，即零應力狀態和施工完成態間結構位形差異較小。對于剛柔組合或全柔性結構，二者間差異較大。為此，對于本工程的剛柔組合屋蓋，首先要進行零應力找形分析，即通過拆除構件、釋放約束等手段，明確結構的零應力狀態。再基于零應力狀態進行施工全過程模擬分析，通過施工過程分析結果與設計初始態內力和位形的對比，驗證零應力狀態的準確性和施工步驟的可行性。

以施工完成態和設計初始態擬合度最大為原則進行迭代優化，最終確定了本屋蓋結構的零應力狀態及相應的施工工序。

1)工況1 安裝柱、壓環梁及其外側的次環梁(不含8個后裝段)。

2)工況2 安裝V撐外肢、環索、索夾和徑向索，并張拉徑向索。

3)工況3 安裝壓環梁外側的后裝段圈梁、屋面支撐和柱間支撐。

4)工況4 安裝V撐內肢和徑向懸挑梁。

5)工況5 安裝壓環梁內側的圈梁、屋面支撐。

6)工況6 安裝屋面檁條與馬道，卸載胎架。

施工完成的索力如表1所示。施工完成態鋼結構等效應力如表2所示。

表1 施工完成索力

表2 施工完成態鋼結構等效應力

由表1，2可見，通過對設計一次成型與施工過程分析的完成態進行分析，環索索力施工過程分析與設計初始態相差在9.3%以內；徑向索索力施工過程分析與設計初始態相差在2.2%以內；鋼結構等效應力施工過程分析與設計初始態相差在1.7%以內；壓環梁軸力施工過程分析與設計初始態相差在2.9%以內。由此可見，施工過程分析與設計初始態結果基本一致，屋蓋鋼結構零應力狀態及其安裝流程是可行的。

3 深化設計

對于浦東足球場這種依靠張拉成型的剛柔組合結構，張拉前后結構位形變化較大，為此應基于結構的零應力狀態進行鋼結構構件與索的深化，獲得鋼結構構件及索的零應力下的尺寸，為構件的制作提供依據。

依據施工方案，鋼結構屋蓋的主受力部分張拉前安裝，通過張拉形成結構，而次受力部分待張拉后安裝。前者是屋蓋張拉成型的關鍵，后者依附在主受力部分之上。主受力部分包括46組徑向梁、徑向索和V撐外肢及把徑向結構體系連成整體的環梁和環索。次受力部分主要包括內懸挑構件。先期安裝的主受力部分的深化是基于零應力狀態的深化，而張拉后安裝的次受力部分的深化是基于設計初始狀態的深化，二者放在同一個深化模型中存在互不相連的情況，這與傳統的鋼結構深化設計完全不同(見圖3)。

圖3 構件深化示意

4 加工制作

4.1 壓力環

中置壓環平衡了46榀徑向索桁架的徑向壓力。壓環的加工和安裝精度會影響整個輪輻式張拉結構的受力。徑向梁(B1 400×700)間的中置壓環(B1 500×1 500)均采用法蘭螺栓連接，這樣可以通過加工精度保證安裝成型精度。為避免現場高空焊接，現場安裝采用在地面將徑向梁同壓環梁組合成T形構件進行整體吊裝。T形組合構件共46榀，構件跨度25.3～41.8m，寬度8.2～11.3m，構件質量52.52～68.47t，分段形式如圖4所示。

圖4 T形組合構件安裝分段

設計要求中置壓環每段構件長度偏差在±3mm內，所有因素疊加的綜合誤差在±10mm內，中置壓環的法蘭面最大轉角偏差<0.5mm/1 000mm， 這是因為該法蘭面會受到連接壓環的徑向梁在自重作用下的彎曲變形而發生扭轉。而傳統輪輻式張拉結構，位于外圈的壓環距離看臺近，臨時支撐高度低，剛度好，且無徑向梁的影響，法蘭面的轉角容易控制。

受到運輸尺寸的限制，T形構件無法加工成整體到現場。中置壓環的加工分段采用圖5所示形式，壓環本體的精度和法蘭面的貼合通過加工來實現，而徑向梁對法蘭面扭轉的影響則通過現場拼裝預變形予以消化。

圖5 中置壓環加工分段

整個屋蓋輕微的馬鞍構形使壓環的標高存在變化，形成空間結構。每根壓環梁兩端的法蘭面與水平面角度不一，且二者之間也不平行。壓環相鄰法蘭面(板厚80mm)間通過60個10.9級的M36相連，法蘭面中設有人孔。相鄰的法蘭面板加工時通過配鉆螺栓孔保證精度。法蘭面與壓環箱梁焊接前，將相鄰兩端的壓環梁法蘭面用螺栓鎖緊保證貼合度，再采用焊接變形較小的清根坡口焊縫焊接。不斷對法蘭面火焰校正進行平面度的控制。法蘭面平面度合格后，最后采用端銑機銑平法蘭面。

46段壓環梁在加工廠分批總裝。相鄰法蘭面鎖定下，壓環梁本體與節點區焊接形成圖6所示裝配單元。焊縫收縮會減小壓環梁長度。因此，焊接前適當增放壓力環梁整體長度余量。保證焊接后壓力環梁整體收縮，恢復到設計尺寸。

圖6 中置壓力環梁分批總裝

4.2 索夾和拉索

8根環索通過索夾與徑向索桁架相連，平衡了46榀徑向索桁架的徑向拉力。與傳統的全鑄鋼索夾不同，本項目索夾由上下鑄鋼夾板和中間鑰匙形耳板構成，鑄鋼的材質為G20Mn5QT，中間鋼板的材質為Q390C。索夾上下鑄鋼夾板和中間耳板通過焊接連接，并與螺栓與上蓋板連接。環索索夾構造如圖7所示。針對該鑄鋼材料的特點，選取合適的焊材以及預熱和后處理工藝，焊接過程中嚴格控制焊接熱輸入，防止過大和過小的焊接熱輸入在焊接過程中產生缺陷。焊接完成后去應力退火以消除焊接應力。

圖7 索夾構造

所有的徑向索以及環索均采用密閉索。密閉索外層的Z形鋼絲使其具有非常好的橫向承載力，這對于與索夾通過小蓋板夾緊固定的環索非常必要。同時鋼絲外的高釩涂層(鋅-5%鋁-混合稀土合金鍍層)和外層Z形鋼絲封閉鎖緊使其具有非常好的防腐性能。徑向索的索頭采用了材質為42CrMo的高強鍛鋼件，在保證強度、韌性和抗疲勞性能的同時，減小了索頭的尺寸。

5 豎向控制支架

5.1 屋蓋臨時支撐系統

浦東足球場采用的中置壓環張拉體系，與常規輪輻式張拉體系最大的不同是剛性的徑向梁和壓力環的跨中布置，因此必須采用支架施工。徑向梁和中壓環組成的T形構件安裝時結構未成體系，均需擱置在臨時支撐上，方可確保結構穩定。單榀組合構件采用3點擱置，壓環梁兩端擱置于臨時支撐上端，徑向梁末端擱置于位于看臺頂部的型鋼支撐上，如圖8所示。

由于采用RS-485的硬件協議，上位機為主機，而單片機作為下位機也就是從機，從機不會主動向主機發送信息，在接收到主機的信息后作出響應，因此從機在空閑狀態時處于接收狀態。

圖8 臨時支撐立面示意

5.2 支架方案對比

如果采用傳統的僅受壓支撐，則由于徑向索張拉整個屋蓋將上抬而脫離設計位形，由此其他內懸挑等次受力構件將不得不在設計位形標高之上安裝。本項目的大跨度鋼屋蓋是半剛性結構，張拉后次受力構件及屋面安裝的過程中屋面受自重的增加將不斷下撓。由此，這些后續安裝的構件不但標高難以控制，且在安裝后隨屋面的變形將產生構件內應力，使之與設計初始態存在較大的差異。為此，本項目設計研發了拉壓控制支架，其在徑向索張拉前支架承托中壓環，在徑向索張拉后又可通過支架中的拉索拉住中壓環。整個張拉過程中壓環始終位于設計初始態標高，施工完成后結構的形態和內力更接近設計狀態，計算分析也證明了這一點。

5.3 豎向拉壓控制支架施工工藝

豎向拉壓控制支架在構件拼裝階段承受壓力托住上部構件，當徑向索張拉整體結構上抬時，又能拉住中壓環，使其保持設計初始態標高不變，以滿足后續結構安裝的需求。豎向控制支架共46組，支架總高度24～30m。支架底部在看臺或底板設置抗拉埋件，支架底座通過下部轉換鋼架與抗拉埋件連接。支架上部通過上部轉換鋼架支承壓環梁，并通過穿心式千斤頂、鋼絞線、錨具等與壓環梁銷鉸連接以拉住壓環梁，形成支架內拉索的集成化配置，滿足抗壓、抗拉以及釋放屋蓋豎向位移等的需求，豎向拉壓控制支架立面如圖9所示。

圖9 豎向拉壓控制支架立面示意

豎向拉壓控制支架施工流程如下： ①依次安裝支架底座(包括穿心式千斤頂)、支架本體及上節點； ②支架安裝完成后，通過千斤頂于鋼絞線上施加200kN預拉力，進而在支撐外鋼架內產生200kN的預壓力以消除支架間隙，確保支架剛度； ③在徑向索張拉前，支架承受壓力； ④待壓環梁結構成環后，通過千斤頂于鋼絞線上施加設定的拉力值(400～800kN)，其后鋼絞線上下錨具鎖緊； ⑤隨徑向索張拉過程的進行，拉壓控制支架逐步由受壓轉為受拉； ⑥待屋蓋主構件均安裝完成后，通過千斤頂協同控制對46個支架點進行同步索力卸載。

6 安裝

6.1 現場拼裝

每榀徑向索桁架由徑向梁、V撐外肢和徑向索兩兩通過銷軸連接構成。46榀索桁架通過環索和中壓環連成整體。整個結構體系的精度控制主要在上述構件。徑向索和環索均為定長索，不設調節量。索的加工精度為索長的0.01%，這意味最長40m的徑向索誤差不能超過4mm。中置壓環均采用法蘭螺栓連接，它的精度主要靠加工和預拼保證。46榀T形吊裝單元均由3段構件在現場胎架上焊接而成，是所有主要受力構件中唯一涉及現場焊接的構件。根據構件形式及分段拼接位置，每榀T形構件設置了6處胎架(見圖10)。其在胎架拼裝時采用關鍵控制點坐標，坐標允許偏差±3mm。

圖10 胎架布置平面

T形構件分段駁運至胎架定位后與擱置板焊接固定，進行對接拼裝。拼裝完成后，先進行第2分段處的焊接。焊接完成驗收合格后，割開胎架4，5上擱置板與構件的連接，進行胎架預卸載。這是在胎架上模擬構件在空中擱置姿態。胎架4，5預卸載后，再進行第1分段處的焊接，可以最大程度釋放徑向梁在豎向平面上的彎曲帶給壓環法蘭面的轉動。同時，構件拼裝時也結合焊接收縮及溫度的影響，嚴格控制徑向梁的長度。

6.2 吊裝

T形構件采用4點吊裝，需準確計算重心位置，并用倒鏈輔助調平壓環梁，確保安裝精度。對T形組合構件吊裝進行有限元施工模擬，明確吊裝方案可靠性。單榀T形構件采用3點擱置，壓環梁兩端擱置于豎向控制支架上端，徑向梁末端擱置于位于看臺頂部的型鋼支撐上。T形構件就位后，在前后支撐上進行精調。然后陸續安裝相鄰T形構件，并通過螺栓將中壓環法蘭面兩兩連接，再進行部分次環梁連接。在屋蓋4個角部設置了8個后裝段，后裝段位置的次環梁安裝，但不固定。屋面張拉時允許相鄰后裝段區域徑向梁間發生徑向相對位移，避免次環梁承受剪力。同時增設了部分柱間臨時支撐，來保證張拉過程屋蓋鋼結構的整體穩定性。中壓環合龍狀態如圖11所示。

圖11 中壓環合龍

7 張拉和卸載

根據屋蓋索網結構形式及現場施工條件，環索采用在地面和索夾組裝然后整體提升的方法。環索在高空分批與V撐外肢連接固定。徑向索空中展開分別與環索上的索夾耳板連接。然后利用液壓千斤頂對徑向索進行連續牽引張拉，在索頭到達徑向梁外側耳板錨固點時穿銷軸固定，結構成型。

7.1 環索提升

在索盤上的16段直徑100mm的密閉索開盤后，在現場搭設的46組環索支架平臺上展開鋪索和移動放索。16段鋼索兩兩首尾相連形成8根環索與46個索夾相連。索夾通過上下蓋板將索夾住，再利用提升節點(提升上節點設置在徑向梁內側懸挑端，提升下節點設置在索夾蓋板的豎耳板上)及46套提升工裝設備等將環索提升到位。

在被動張拉過程中，環索索長變長，索徑變細，會導致索夾的夾緊力減小，進而降低環索與索夾間的摩擦力，從而可能引發索夾滑移，造成事故。為此，本項目首先通過索夾的抗滑移試驗，明確了索夾小蓋板螺栓的預緊力，進而結合現場調控措施保證了索夾的抗滑移承載力。

7.2 徑向索張拉與結構卸載

徑向梁尾端豎向耳板的兩側焊接了兩個水平工裝耳板，這兩個工裝耳板與兩束工裝索相連。徑向索索頭的內側與工裝反力梁相連，反力梁的兩側固定了2個400t千斤頂。通過張拉千斤頂，徑向索索頭不斷接近豎向耳板，直至就位后穿銷軸(見圖12)。所有46根徑向索安裝完成后，結構成型。

圖12 徑向索張拉

結構張拉過程的施工分析表明，徑向索張拉初期徑向索索力增長并不顯著，索力的緩慢增加只是克服徑向索在自重下的下撓，后期索力增長迅速。張拉施工采用工裝索索長控制，結合千斤頂油壓表獲得的張拉力進行結構成型控制。實施過程中采用了各徑向索整體同步分級張拉的方案。分級位移前大后小，避免每級張拉力變化太大。索頭就位后4組操作人員在平面對稱位置穿銷軸，然后把張拉力從工裝索轉移到徑向索索頭上。

整個徑向索張拉結構成型過程中，拉索逐步參與工作，結構剛度也逐步增加，并伴隨著結構的自重逐步向周邊的搖擺柱轉移。由于中壓環豎向位移被拉壓控制支架鎖定，中壓環的豎向標高幾乎不變，支架也逐步由受壓轉為受拉。

張拉完成后立即進行壓環梁外側后裝段圈梁、部分屋面支撐和柱間支撐的補缺，以保證結構的穩定性。然后安裝V撐內肢和徑向懸挑梁。由于中壓環此刻被豎向控制支架拉在設計標高，徑向懸挑梁的安裝標高也只要按設計標高。待屋面主檁條安裝完成，大部分屋面荷載已施加。通過控制46個豎向控制支架內的千斤頂，46個點同時釋放鋼絞線索力，同步卸載，鋼結構屋蓋完全獨立成型。

8 結語

此次浦東足球場屋蓋采用了國際首創的中置壓環輪輻式張拉結構體系，對施工方法及加工和安裝精度都提出了很高的要求。

1)運用有限元程序針對結構設計給出結構成型態模型進行找形分析，確定結構的零應力狀態。這是結構施工過程分析的起點，也是結構深化、加工及現場安裝定位的依據。

2)對施工全過程進行模擬分析，驗證施工安裝流程的可行性和零應力狀態的準確性。

3)臨時支撐系統使用創新的豎向拉壓控制支架工藝，既滿足結構在初始狀態安裝的整體穩定，又滿足預應力張拉，壓力轉變為拉力的要求。

4)針對采用法蘭連接的壓環，采用法蘭面螺栓鎖緊裝焊及壓環梁本體與節點區之間的整體拼焊，有效保證了法蘭面的密貼度和螺栓孔的同心度。

5)通過在胎架上模擬構件在空中擱置姿態，最大程度釋放徑向梁在豎向平面上的彎曲帶給壓環法蘭面的轉動，保證了中壓環的順利安裝。

6)根據索網結構特點，環索采取地面組裝牽引提升、徑向索采用空中同步牽引張拉的方法施工。張拉后，次結構構件在設計標高上安裝后豎向卸載，簡化了安裝，保證了安裝質量和結構成型效果。