國家速滑館屋面結構球鉸支座施工技術*

王自偉，冀 智，高樹棟，朱富力，龐少波，劉宇棟，馬偉國，周雷蕾

(1.北京城建集團有限責任公司，北京 100088； 2.中國礦業大學，北京 100083)

1 工程概況

國家速滑館位于北京市朝陽區奧林匹克公園西側，國家網球中心南側，總建筑面積8萬m2，是北京2022年冬奧會的標志性場館。冬奧會期間，國家速滑館將承擔速度滑冰項目的比賽和訓練。冬奧會后，該場館既可繼續承辦大型冰上比賽項目，又可成為市民冰上運動場所和集社會服務功能、企業運營為一體的運動健身場館。外觀效果如圖1所示。

圖1 國家速滑館效果

支座是連接上部結構和下部結構的重要構件，可將上部結構的力傳遞至下部結構，協調或釋放上部結構變形。建筑工程中的球鉸支座來源于橋梁工程的橋梁支座，由于施工、溫度、荷載變化等因素使支座及下部結構發生轉角及位移的改變，球鉸支座可有效防止下部結構有害應力的產生，從而提升工程質量。國家速滑館主體結構為現澆鋼筋混凝土結構，屋蓋為大跨度馬鞍形雙向單層正交索網，支承于周圈鋼結構環桁架上，環桁架與混凝土柱之間采用成品固定球鉸支座連接。整體結構三維效果如圖2所示。

圖2 整體結構三維效果

2 施工重難點分析及解決措施

速滑館鋼結構環桁架重達8 500t，為橢圓形的馬鞍形雙曲面結構，在加工與施工過程中易出現一定的偏差，產生一部分變形。此外，速滑館柔性屋面結構施工是國內首個大噸位、大面積的超大跨度單層正交索網同步張拉工程，大跨度馬鞍形索網結構屋蓋東西向跨度為124m，南北向跨度為198m，標高為15.800～33.800m，索體總長20 410m， 重達968t。目前無成熟的工程施工經驗可借鑒，施工難度大，在索網張拉過程中不可避免地會產生一定的位移偏差。索網上鋪設的屋面板重達1 000t， 進行屋面板施工時，若不及時采取措施，施工前后荷載的變化會使索網結構、環桁架產成一定的變形。上述施工過程很可能使環桁架產生過大變形，若直接將環桁架、球鉸支座、混凝土柱連接固定在一起，所有變形均會進一步傳遞至主體結構，可能會對混凝土柱造成損害，嚴重影響工程質量。故在球鉸支座施工時，需充分考慮環桁架結構所受荷載和變形，在屋面變形釋放完成后，再焊牢支座，鎖定環桁架。屋面結構變形控制主要有環桁架自身制造及安裝過程中產生的變形及索網張拉和屋面荷載造成的變形。

2.1 環桁架位移控制

在國家速滑館屋面結構中，環桁架為主要承重構件，其位移也直接影響到下部支座安裝坐標的確定，故保證環桁架加工及施工過程精準度是工程重點。在鋼桁架加工過程中，環桁架大口徑鋼管筒體采用專用鋼管數控卷板機加工成型，將鋼板先卷制成若干個鋼管小節段，然后接長焊接至10m左右，最后進行內部加勁板焊接，筒體采用自動焊接或用自動焊接胎架在滾輪胎架上進行埋弧焊接，筒體內外側縱向和環向焊縫均采用自動埋弧焊，并采取措施對外側焊縫余高進行控制，使焊縫余高≤2mm。桁架弦桿分節對接，端面機加工采用機械動力裝置進行端面端銑加工，通過對分段端面機進行加工，使分節兩端面保持平行且與弦桿軸心線相互垂直，同時精確控制分段長度，在環桁架加工過程中最大限度地保證了加工精度。

施工過程中，環桁架采取“南北區吊裝+東西區滑移”的施工總體安裝方案。環桁架施工區域劃分如圖3所示。現場安裝作業按構件類型嚴格實行三級檢驗制度，上道工序不合格不得進行下道工序的施工。構件組裝時應確保零件厚度和外形尺寸已檢驗合格，在拼裝平臺上畫出定位基準線并采用全站儀進行檢測。拼裝過程中應對桿件及節點定位精度進行復測。拼裝完成后，對桿件及節點進行整體檢測，保證整體拼裝精度，節點中心偏差≤3mm，桿件中心與節點中心偏移≤3mm，桁架對角線長度偏差≤20mm，桁架節點處桿件軸線錯位≤3mm。環桁架現場焊接包括大量的主弦桿對接和腹桿相貫線焊接，針對不同板厚、截面、坡口形式，預先考慮縱向變形和橫向收縮余量。通過對環桁架制作和安裝過程的誤差控制，保證了環桁架施工整體精度。

圖3 環桁架施工區域劃分

2.2 索網張拉變形控制

屋蓋索網規模大，施工過程復雜，拉索規格尺寸大、數量多、張拉力大，屋蓋索網拉索為158根，拉索在提升張拉過程中對周邊鋼環梁產生很大的拉力，在整個屋蓋索網成型過程中必須確保環桁架的穩定。屋面索網結構施工通過有限元分析軟件MIDAS Gen進行了全過程仿真模擬，在模擬中，48個球鉸支座無水平約束，即球鉸支座能自由移動。整體結構位移如圖4所示。

圖4 整體結構位移(單位：mm)

施工過程中，選取環桁架和索網變形較大的位置作為位移監測點，實時觀測施工過程中結構變形。其中環桁架、索網分別設置8，5個監測點，監測點布置如圖5所示。考慮到加工和安裝過程中的索長誤差，提出了索頭兩端可調的解決方案。索頭可調100mm，集中解決了由于索長不一致所導致的變形問題。

圖5 位移監測點布置

2.3 屋面荷載控制

國家速滑館屋面荷載主要包括馬道和屋面板兩部分。馬道根據位置可分為2類：一類吊掛于拉索屋蓋下方，另一類吊掛于環桁架下方。吊桿上端與索網以銷軸連接，下端與馬道焊接。馬道兩側有欄桿，底面為鋼板網。吊掛于環桁架下方的馬道通過吊桿與環桁架下弦焊接。拉索屋蓋張拉完成后使用2臺25t汽車式起重機和2臺曲臂車安裝馬道，先安裝外圈后安裝內圈。環桁架下方馬道利用50t汽車式起重機在外圍從北側起順時針安裝。拉索屋蓋下方馬道安裝順序如圖6所示。將馬道本體、鋼板網及欄桿拼成一體，以吊桿為界劃分為小的吊裝單元。用汽車式起重機先安裝吊桿，然后再吊裝馬道單元。拉索屋蓋下馬道分段最大質量為1.5t，環桁架下方馬道分段最大質量為1t。馬道安裝過程中，實時監測鋼桁架滑移情況，保證施工安全。

圖6 馬道安裝順序

國家速滑館屋面采用單元式安裝，先預制單元板塊成品，然后運送到現場安裝，共1 080塊單元式屋面板。由于屋面板質量大，為等效單元板塊安裝前后索網的變形，采用吊掛荷載施工技術，使施工前后索網所承受荷載一致。通過在IBC集裝桶內注水的方式在索網節點進行配重，隨著屋面系統施工的逐步推進適時調節配重，使索網在施工過程中幾乎不發生形變，最大程度地保證鋼桁架穩定性，為后續支座焊接、鋼桁架鎖死提供了有利條件。

3 支座位移計算

采用大型有限元軟件MIDAS Gen進行施工仿真分析，有限元模型采用結構整體模型，邊界條件與實際結構吻合。對整個施工過程進行了初步的施工全過程仿真分析，按照施工順序對每個施工工序進行仿真計算，得到各狀態的拉索索力、結構位移。所有拉索張拉完成且屋面施加配重后的狀態為最終狀態。

模擬過程包括環桁架施工完成、幕墻索張拉和安裝、屋面索網系統張拉和安裝、索網加配重。經過模擬計算，加完配重后，支座x向最大位移在軸網橫向中間位置，約210mm；y向最大位移在軸網縱向中間位置，約180mm。 支座位移模擬結果如圖7所示。

圖7 支座位移模擬結果(單位：mm)

4 支座坐標驗收與對比

通過采取一系列變形控制措施，在索網張拉、馬道安裝、吊掛荷載施工等工序完成后，進行支座坐標驗收并與數值模擬計算得出的坐標值進行對照。除被馬道遮擋無測量數據的支座坐標值外，支座實際坐標值在x向最大偏差為61mm，y向最大偏差為62mm，z向最大偏差為27mm。支座坐標驗收值與數值模擬計算值偏差不大，滿足設計要求，證明在施工中所采取的變形控制措施有效。

5 結語

詳細介紹了國家速滑館屋面球鉸支座施工技術，由于勁性柱為主體承載結構，索網結構、鋼桁架結構與勁性柱組成了層層傳導的受力體系，為保證施工安全和工程質量，球鉸支座施工必須為索網結構、鋼桁架結構變形預留空間，避免索網和鋼桁架變形傳遞至主體結構的混凝土柱上，使勁性柱承受過大應力。為充分指導施工過程和提高施工質量，對索網結構施工全過程進行仿真分析，得出每個關鍵步驟的索力、索網變形、球鉸支座位移等理論參數值。在支座焊接牢固前，必須先進行馬道、吊掛荷載、索力及索網位形和支座坐標驗收，驗收合格后，還需進行支座焊接人員、設備及焊接條件驗收。待全部驗收合格后，才能進行支座鎖定。