上海浦東足球場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)工程施工技術(shù)優(yōu)化

郁政華

(上海市機(jī)械施工集團(tuán)有限公司，上海 200072)

1 工程概況

浦東足球場(chǎng)項(xiàng)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(xiàng)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(chǎng)看臺(tái)采用鋼結(jié)構(gòu)框架結(jié)構(gòu)體系+預(yù)制混凝土看臺(tái)板，鋼屋蓋采用輪輻式索承網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，通過(guò)立柱支承在下部鋼結(jié)構(gòu)看臺(tái)上，如圖1所示。屋蓋平面長(zhǎng)軸為211m，短軸為173m，根據(jù)看臺(tái)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(xiàng)目總用鋼量約1.6萬(wàn)t，其中地下室勁性柱約1 500t，看臺(tái)部分約1萬(wàn)t，屋蓋部分約4 500t。

圖1 浦東足球場(chǎng)效果

浦東足球場(chǎng)屋蓋采用國(guó)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(dòng)，形成橢圓形中置壓環(huán)。這既適應(yīng)了浦東足球場(chǎng)矩形外輪廓的建筑要求，又通過(guò)中置壓環(huán)滿(mǎn)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(guò)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(shí)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(mǎn)足設(shè)計(jì)初始態(tài)要求。而輪輻式張拉結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程中為可變結(jié)構(gòu)，其剛度及變形均通過(guò)預(yù)應(yīng)力張拉實(shí)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(duì)鋼屋蓋施工流程、張拉流程進(jìn)行分析，通過(guò)不斷與設(shè)計(jì)初始態(tài)對(duì)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(shí)固定；②安裝內(nèi)懸挑梁、次梁；③在看臺(tái)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(shí)支撐；⑦安裝屋面與馬道，卸載臨時(shí)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(duì)比分析內(nèi)容為：①臨時(shí)支撐卸載時(shí)機(jī)，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(shí)機(jī)，即張拉前安裝還是張拉后安裝。

通過(guò)施工模擬對(duì)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(jì)初始態(tài)，結(jié)構(gòu)位形與設(shè)計(jì)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(mǎn)足設(shè)計(jì)對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力、位形的要求。

因此，對(duì)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(gè)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(guò)施工模擬分析，優(yōu)化后的施工完成態(tài)與設(shè)計(jì)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(jī)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(guò)程中能及時(shí)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(jī)、履帶式起重機(jī)及大型汽車(chē)式起重機(jī)布置靈活，應(yīng)用廣泛。實(shí)際工程中，根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)擇優(yōu)選型、布置。施工機(jī)械選型、布置不僅影響項(xiàng)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(tái)行走式塔式起重機(jī)作為主力機(jī)械，跨內(nèi)布置2臺(tái)履帶式起重機(jī)作為輔助設(shè)備。

本項(xiàng)目足球場(chǎng)看臺(tái)采用鋼結(jié)構(gòu)框架結(jié)構(gòu)體系+預(yù)制混凝土看臺(tái)板，因此在看臺(tái)結(jié)構(gòu)施工階段，在跨外首層樓板上對(duì)稱(chēng)布置2臺(tái)M440D型塔式起重機(jī)進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)框架結(jié)構(gòu)施工，跨內(nèi)布置2臺(tái)150t履帶式起重機(jī)進(jìn)行預(yù)制混凝土看臺(tái)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(tái)行走式M440D型塔式起重機(jī)，用于吊裝屋蓋立柱、聯(lián)系次構(gòu)件；在跨內(nèi)布置1臺(tái)600t履帶式起重機(jī)，用于吊裝徑向梁、壓環(huán)梁構(gòu)件，1臺(tái)150t履帶式起重機(jī)用于吊裝臨時(shí)支撐及內(nèi)懸挑等次構(gòu)件。

看臺(tái)施工階段，為實(shí)現(xiàn)行走式塔式起重機(jī)上首層樓板作業(yè)，前置工況為首層樓板施工完成，且強(qiáng)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(gè)多月)，鋼結(jié)構(gòu)無(wú)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(jī)利用率不高，而跨內(nèi)600t履帶式起重機(jī)作為實(shí)際的主力機(jī)械，工效不足，無(wú)法滿(mǎn)足屋蓋的分區(qū)快速施工，且無(wú)法配合后續(xù)索施工。

綜上所述，確定在跨外布置2臺(tái)行走式塔式起重機(jī)作為主力機(jī)械，跨內(nèi)布置2臺(tái)主力履帶式起重機(jī)、2臺(tái)輔助履帶式起重機(jī)，跨外布置2臺(tái)小型汽車(chē)式起重機(jī)作為輔機(jī)的跨內(nèi)綜合安裝方案。

看臺(tái)結(jié)構(gòu)施工階段，在跨內(nèi)場(chǎng)芯底板上對(duì)稱(chēng)布置2臺(tái)300t履帶式起重機(jī)進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)框架結(jié)構(gòu)施工，跨外布置2臺(tái)100t汽車(chē)式起重機(jī)進(jìn)行輔助吊裝，如圖3所示。

圖3 優(yōu)化后看臺(tái)施工階段機(jī)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(tái)行走式M440D型塔式起重機(jī)，用于吊裝屋蓋立柱、聯(lián)系次構(gòu)件；跨內(nèi)布置1臺(tái)600t履帶式起重機(jī)，用于吊裝徑向梁、壓環(huán)梁構(gòu)件，1臺(tái)150t履帶式起重機(jī)用于吊裝臨時(shí)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(jī)械選型及布置

方案優(yōu)化后，可解決土建頂板施工對(duì)鋼結(jié)構(gòu)連續(xù)施工的制約，大大縮短施工工期。同時(shí)，充分發(fā)揮大型履帶式起重機(jī)起重能力大的優(yōu)勢(shì)，滿(mǎn)足后續(xù)屋蓋重型構(gòu)件的安裝要求。150t履帶式起重機(jī)輔助機(jī)械也可滿(mǎn)足后續(xù)預(yù)制看臺(tái)板、臨時(shí)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(zhǎng)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(jì)初始態(tài)，要求中置壓環(huán)、徑向梁每段構(gòu)件長(zhǎng)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(bǔ)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(mǎn)足構(gòu)件實(shí)際運(yùn)輸需求。構(gòu)件分段數(shù)量決定臨時(shí)支撐胎架設(shè)計(jì)數(shù)量，大量臨時(shí)支撐會(huì)增加施工成本，降低施工效率，同時(shí)也制約后續(xù)預(yù)制看臺(tái)板施工。因此，在實(shí)際施工中，須對(duì)構(gòu)件分段進(jìn)行優(yōu)化。

通過(guò)對(duì)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(kuò)大組榀，可大大降低臨時(shí)支撐的投入，避免高空焊接帶來(lái)的質(zhì)量與安全風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也大大提高構(gòu)件的組拼質(zhì)量，對(duì)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(diǎn)中心偏差±3mm，牛腿的翹曲或扭轉(zhuǎn)偏差 ±3mm。

2)徑向梁本體長(zhǎng)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(diǎn)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(jī)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(shí)支撐的使用，降低施工成本。

5 結(jié)語(yǔ)

浦東足球場(chǎng)項(xiàng)目看臺(tái)采用鋼結(jié)構(gòu)框架結(jié)構(gòu)體系+預(yù)制混凝土看臺(tái)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(lèi)型中是一種全新嘗試。由于沒(méi)有可借鑒的案例指導(dǎo)施工，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)在施工前期進(jìn)行了大量富有成果的研究、探索、試驗(yàn)及實(shí)踐。本文中涉及的鋼屋蓋施工流程優(yōu)化、施工機(jī)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(guò)程中的冰山一角。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施證明如下。

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

2)施工機(jī)械選型、布置優(yōu)化，成功解決了土建主體結(jié)構(gòu)施工對(duì)鋼結(jié)構(gòu)施工工序上的制約難題，在看臺(tái)樓板施工階段，大型履帶式起重機(jī)提前進(jìn)入場(chǎng)芯進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)施工，縮短了近2個(gè)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(shí)，也減少了場(chǎng)內(nèi)臨時(shí)支撐的設(shè)置，降低了施工成本。

通過(guò)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。