【摘要】 上海浦东足球场钢结构屋盖采用了创新的中置压环轮辐式张拉结构体系。本文阐述钢结构屋盖施工技术路线、竖向控制支架设置与卸载、构件现场拼装、大跨度钢结构吊装的相关施工技术，并为类似大跨度索承网格钢结构屋盖安装的施工方案提供参考。
0 引言
近年来，随着我国经济建设蓬勃发展、人民生活水平不断提高以及体育产业的高速兴起，新建及改造体育场馆项目不断涌现，大跨度空间钢结构得到了前所未有的飞速发展，并且获广泛的应用。
而轮辐式张拉结构体系因结构轻巧、易实现大跨度、空间受力结构效率高的特点被广泛应用在国内外顶级体育场的屋盖结构中。此结构体系中承托屋盖的径向索锚固在外压环上，外压环类似于车轮，径向索类似车轮的辐条和内环连接形成自平衡，因此该结构体系基本上应用于圆形和类椭圆形的体育场。
浦东足球场造型接近矩形如果采用类椭圆形的外压环轮辐式张拉结构，会导致四个角部位置径向拉力非常大，结构难以实现。因此结构设计首创了中置压环张拉结构体系。屋盖钢结构将轮辐式张拉结构常规放置在外圈柱顶的压力环向内移动，形成椭圆形中置压环。
结构形式、材料的不断发展相应对安装技术提出了要求。大跨度钢结构屋盖的安装方法与结构的形式紧密结合，安装方案的优劣、对安装过程出现的关键性问题的处理，决定了屋盖能否最终高效、顺利成型。
本文针对上海浦东足球场屋盖系统采用创新的中置压环类椭圆形轮辐式索承网格结构，对安装过程中的关键性技术问题进行分析与研究，总结大跨钢结构屋盖安装的关键技术，以便作为今后类似结构施工的参考。
1 工程概况
浦东足球场项目总建筑面积139304m²，其中地上部分建筑面积64186m²，地下部分建筑面积75118m²，固定座席数为33765个。项目建成后，将成为满足FIFA国际A级比赛要求的专业足球场。
本项目看台采用钢结构框架结构体系＋预制混凝土看台板。
屋盖采用类椭圆形轮辐式索承网格结构，结构平面长轴211m，短轴173m。
看台罩棚短轴向悬挑长度为50.0m，长轴向悬挑长度为48.3m。
屋盖钢结构根据看台的形式，形成了轻微的马鞍形，高差为2.5m，立面高度在24.5到26.9m间变化。
屋盖拉索采用全封闭钢索，不设调节余量。
全封闭钢索全部采用galfan锁层钢丝，内层圆钢丝抗拉强度为1770MPa，外层Z型钢丝抗拉强度为1570MPa。
屋盖钢结构如图1，2所示：
图1 屋盖钢结构立面
图2 屋盖钢结构三维示意
浦东足球场屋盖采用国际首创中置压环轮辐式张拉结构体系，将常规放置在外圈柱顶的压力环向内移动，形成椭圆形中置压环。既适应了浦东足球场矩形外轮廓的建筑要求，又通过中置近似椭圆形的压力环 满足了结构优化的要求，为索承网格结构增添了活力。
屋盖结构体系如图3所示：
图3 屋盖结构体系（红色为压环，蓝色为受拉环索）
2 施工特点与难点
1) 中置压环轮辐式张拉体系施工工艺及流程
屋盖系统采用的中置压环张拉结构体系为国际首例，无施工经验可以借鉴，其施工难度远大于常规轮辐式张拉结构。
针对这样一个完全创新的张拉结构体系所带来施工难度的不确定性，以及屋盖张拉结构位形变化大的特点，需要根据实际施工步骤和工况进行施工过程分析，为过程位移和内力的控制提供参考。
施工过程也必须严格遵照计算分析的施工步骤和措施要求。否则无法达到设计型态的要求。
2) 临时支撑系统设置
常规轮辐式张拉结构除了支撑柱上的外压环外没有刚性构件，一般采用无支架施工法，施工措施比较少。而浦东足球场采用的中置压环张拉体系，与常规轮辐式张拉体系最大的不同是中置压环(1.5mx1.5m箱形截面）和径向梁(1.4mx0.7m箱形截面），因此必须采用支架施工。
径向梁和中压环组成的T形构件安装时结构未成体系，均需搁置在临时支撑上，方可确保结构稳定。临时支撑系统的设计更需满足屋盖张拉过程结构上抬，脱离设计位形的工况。
3)钢结构安装精度要求高
轮辐式张拉结构是一种柔性结构，其内力和位形有着密切的关系。内力的变化将牵动位形的变化，同样位形的变化也会带来内力的变化。这种“力”与”形”的密不可分的关系，以及张拉结构采用定尺定长的设计方法，对构件现场安装误差的控制有着极高的要求。
4)索网施工方法
常规工程中，一般搭设满堂支架，在支架上组装索网，然后进行各索的张拉。但本工程空间规模尺寸大，搭设满堂脚手架的施工措施费用很高，工期长，而且将长索吊运至支架平台上展开和组装的难度也常大。
因此需根据本工程索网形式特殊、空间规模大、索段数量多、索力大的特点和现场施工条件，采取安全合理、先进科学的施工方法。
3 施工总体技术路线
3.1 构件尺寸确定
常规钢结构工程中，施工方可以直接基于设计施工图进行深化。对于像浦东足球场这种依靠张拉成型大轮辐式张拉结构，张拉前后结构位形变化大。深化之前要基于设计型态模型，通过精细化分析释放预应力得到结构零应力模型，从而得到钢结构构件及索的制作加工长度，为构件的制作加工提供依据。
张拉前安装的钢构件及拉索均根据零应力状态进行深化，张拉后进行安装的钢构件则按设计态模型进行深化（见图4)。
图4 构件深化尺寸示意
3.2 施工全过程分析
根据屋盖钢结构施工流程，共划分6个工况（见图5）通过有限元施工模拟分析，将设计一次成型与施工过程分析的索力（包括环索索力、径向索索力）及钢构等效应力进行对比（见表1，2)，确定最优施工技术路线，确保结构安装最终完成态与设计理论态拟合度最大。
图5 施工全过程分析
表1 完成态索力比较
表2 完成态钢结构等效应力比较
通过对设计一次成型与施工过程分析的完成态分析结果，环索索力施工过程分析与设计一次成型相差在9.3%以内；径向索索力施工过程分析与设计一次成型相差在2.2%以内；钢构等效应力施工过程分析与设计一次成型相差在1.7%以内；压环梁轴力施工过程分析与设计一次成型相差在2.9%以内。
由此可见，施工过程分析与设计一次成型的完成态结果基本一致，屋盖钢结构安装流程是可行的。
3.3 施工机械选择
屋盖钢结构采用履带式起重机在中心场内区域，跨内节间综合安装。
先安装中压环外圈构件（包括摇摆柱、径向梁与压环梁、柱顶圈梁、次环梁、V撑外肢、抗侧力支撑），施工机械采用2台600t履带式起重机及2台150t履带式起重机。
外圈主结构安装完成后，依次进行环向索提升、径向索张拉。
张拉后进行合拢段补缺（包括抗侧力支撑）及内圈悬挑结构安装。
最后安装主檩、马道，完成后拆除临时支撑。
张拉后钢结构采用2台150t履带式起重机及1台300t履带式起重机安装，外围道路配置2台100t汽车式起重机辅助安装。
屋盖钢结构安装立面如图6所示：
图6 屋盖钢结构安装立面
4 竖向控制支架
4.1 屋盖临时支撑系统
浦东足球场采用的中置压环张拉体系，与常规轮辐式张拉体系最大的不同是中置压环(1.5mX1.5m箱形截面）和径向梁(1.4mX0.7m箱形截面），因此必须采用支架施工。
径向梁和中压环组成的T形构件安装时结构未成体系，均需搁置在临时支撑上，方可确保结构稳定。单榀组合构件采用3点搁置，压环梁两端搁置与竖向控制支架上端，径向梁末端搁置于型钢支撑上。
临时支撑如图7所示：
图7 临时支撑立面
4.2 支架方案对比
如果采用传统的只压支撑，由于径向索张拉过程整个屋盖会上抬，脱离设计位形，而张拉后径向梁的内悬挑等构件才能安装。这些后安装构件将在设计位形标高之上安装。
本项目的大跨度钢屋盖是柔性结构，张拉后构件及屋面安装的过程中屋面会不断下挠，直至接近设计位形。这些后继安装的构件的标高很难控制，而且在安装后随屋面的变形产生构件内应力。而采用拉压控制支架，张拉前支架支撑中压环，张拉后支架中的拉索又可以拉住中压环。整个张拉过程中压环始终位于设计位形，施工完成后结构的形态和内力更接近设计状态，计算分析也证明了这一点。
4.3 竖向拉压控制支架施工工艺
竖向拉压控制支架在构件拼装承受压力托住上部构件，当径向索张拉整体结构上抬时，又能拉住中压环，使其保持设计位形，以满足后继结构安装的需求。
拉压控制支架共46组，支架总高度24~30m，支架底部在看台或底板设置抗拉埋件，支架底座通过转换钢架与抗拉埋件连接，上部通过穿心式千斤顶（安装在底座转换钢架处）与压环梁固定；通过千斤顶、钢绞线等机构满足抗压、抗拉以及释放屋盖的竖向位移的需求。拉压控制支架立面如图8所示。
图8 拉压控制支架立面
竖向拉压控制支架施工流程如下：
①依次安装支架底座（包括穿心式千斤顶）、支架本体及上节点；
②支架安装冲顶后，通过下方千斤顶于钢绞线上施加200kN预压力，消除支架间隙，确保支架刚度，每组支架共设置9根钢绞线，钢绞线长度28~33m；
③在径向索张拉前，支架承受压力；
④待压环梁结构成环后，通过千斤顶于钢绞线上施加设定的拉力值(40~80t)，钢丝绳上下铀具锁紧，随径向索张拉过程的进行，拉压控制支架逐步由受压转为受拉状态；
⑤待屋盖主构件均安装完成后，通过控制千斤顶，46个点同时释放钢绞线索力，同步卸载。
5 钢屋盖吊装技术
屋盖钢结构径向梁(1.4mx0.7m箱形截面）间中置压环(1.5mx1.5m箱形截面）均采用法兰螺栓连接。
考虑到压环梁的轴压受力，要求中置压环每段构件长度偏差小于±3mm，所有因素叠加所产生的综合误差不超过±10mm，因此采用径向梁同压环梁组合成T形构件吊装。
T字组合构件共46榀，构件跨度范围25.3~41.8m，宽度范围8.2~11.3m，构件质量范围52.52~68.47t。
5.1 现场拼装胎架设置
为保证组合构件安装精度，径向梁、压环梁需运输至现场后进行扩大组拼，在地面胎架上实现巨型构件的定位、焊接，验收合格后，再将组合构件整体吊运至设计位置。施工现场根据安装进度共设置6~8幅拼装胎架。
单榀T形构件由三段构件现场拼装而成，相应根据构件支撑及分段拼接位置，共设置了6处胎架支撑。
胎架支撑由基座、立杆、斜剖撑、横梁及搁置板组成：基座底板采用路基箱制作，并使用膨胀螺丝与地面固定，保证胎架平整度及承载力要求；立杆设置斜剖撑确保胎架侧向稳定。
构件分段驳运至胎架后与搁置板焊接固定，进行对接拼装。
拼装完成后，根据构件在空中搁置姿态，在胎架上进行模拟，在对接处空中无搁置点处，割开胎架上搁置板与构件的连接，进行胎架预卸载。
胎架布置平面如图9所示：
图9 胎架布置平面
5.2 构件拼装精度控制
由图2-1可以看出单榀三角形张拉单元由径向梁、V撑外肢和径向索两两通过销轴连接构成。46榀三角形张拉单元通过环索和中压环连成整体。
整个结构体系的精度控制就在上述各个构件。径向索和环索都为定长索，不设调节量。索的加工精度为索长的0.01%，这意味最长40m的径向索误差不能超过4mm。
中置压环均采用法兰盘螺栓连接，这对构件现场拼装精度提出很高的要求。每榀T形组合构件是由三段构件在现场胎架上焊接而成，是所有主要受力构件中唯一涉及现场焊接的。其在胎架拼装时采用关键控制点坐标，坐标允许偏差±3mm，关键控制坐标点如图10所示。
图10 拼装关键控制点示意
除了控制径向梁总长外，径向两端分别与径向索和V撑外肢相连的销孔距离是构件胎架拼装时控制的重点（见图11)。
图11 销孔距离控制示意
径向索端部耳板插入径向梁下翼缘，在加工厂就焊接完成。而径向梁内侧的中耳板为现场焊接，这是最后的调节手段。
现场在六个胎架支撑上把三段构件拼接焊接完成形成单榀构件后，拆除中部的胎架支撑3，4，5。
通过对单榀构件进行地面胎架上第一次卸载，模拟在空中安装三点支撑的工况。待变形稳定，焊接中耳板。
径向梁及销孔距离均按零应力状态深化，计算时取理论温度20℃，因现场拼装在冬季室外进行，实际温度与理论温度相差较大，故需考虑温度补偿。
根据温度变形公式： ，式中ΔL为温度变形，α为温度变形系数，钢结构取 ，L为销孔距离，Δt为温度差。根据计算结果室外实际温度为5℃时，销孔理论距离L将减小3.6~6.2mm。
施工现场拼装时每天实测温度，计算销孔距离，对中耳板进行定位。
5.3 构件拼装精度控制
钢屋盖需综合考虑张拉前后的位形，焊接应力、温度应力的影响，制定科学的吊装方案，保证安装精度。
T形组合构件因构件重心不在径向梁中心，存在偏心，故T形组合构件吊装前，压环梁端部设置2组支撑，确保整体吊装后形成三角形增加稳定性，吊装时采用四点吊装，需准确计算重心位置，并用倒链辅助调平压环梁，确保安装精度，并对T形组合构件吊装进行有限元施工模拟，分析吊装方案可靠性。
通过对T形组合构件吊装有限元分析（见图12)，吊耳节点域附近板件的最大应力仅为161MPa，因此对此径向梁无需增设任何补强板件即可满足强度要求。
图12 组合构件吊装分析结果
屋盖现场安装精度均通过关键点坐标控制：坐标允许偏差±5mm;径向梁两销孔允许偏差±10mm。屋盖临时支撑设置完成后，T形组合构件就位，在前后支撑上进行精调，再进行圈梁补缺，最后形成屋盖整体结构。
6 索网施工方法
根据屋盖索网结构形式及现场施工条件，环索采用在地面和索夹组装然后整体空中提升的方法。环索在高空分批与V撑外肢连接固定。径向索空中展开分别在与环索上的索夹连接。然后利用液压千斤顶对径向索进行连续牵引张拉，在索头到达径向梁外侧耳板铀固点时穿销轴固定，结构成形。
6.1 索夹抗滑移
环索、径向索与V撑内肢外肢通过铸钢索夹这一关键节点连接。环索在张拉过程中，索长变长，索径变细，会导致索夹的夹紧力减小，一旦低于索夹两侧环索的不平衡力就很容易造成索夹滑移，从而发生事故。因此需特别重视索夹的抗滑移性能。为了保证环向索在张拉时不会在索夹上发生滑移，对索夹抗滑移进行试验（见图13)。
图13 索夹抗滑移试验结果
试验可以看出单根环索和索夹间的抗滑移力＞20t，一个索夹的抗滑移承载力>160t。
径向索张拉前，环索与索夹之间的接触力来自于小盖板的预紧。而径向索张拉后，环索与索夹之间的接触力更大部分来自于径向索张拉导致的环索被动受力。因此实际索夹抗滑移承载力会更大，但目前试验手段无法模拟。
6.2 环索提升施工
在索盘上的16段直径100mm的密闭索开盘后，在现场搭设的46组环索支架平台上展开铺索和移动放索。
16段钢索两两首尾相连形成8根环索与46个索夹相连。索夹通过上下盖板将索夹住，再利用上下提升节点（提升上节点安装在径向梁内侧悬挑端，提升下节点设置在索夹盖板的竖耳板上）及46套提升工装设备等将环索提升到位。
6.3 径向索张拉
径向梁外侧竖向耳板的两侧焊接了两个水平工装耳板，这两个工装耳板与两束工装索相连。径向索索头的内侧与工装反力梁相连，反力梁的两侧固定了2个400t千斤顶。通过张拉千斤顶，径向索索头不断接近竖向耳板，宜至就位后穿销轴。所有46根径向索安装完成后，结构成形，就可以拆张拉工装。
7 结语
此次浦东足球场屋盖采用了国际首创的中置压环轮辐式张拉结构体系，对施工方法及安装精度都提出了很高的要求。
针对结构特点：
①采用有限元对施工全过程进行模拟分析，确定施工总体技术路线及细部流程；
②临时支撑系统使用创新的竖向拉压控制支架工艺，既满足结构在初始状态安装的整体稳定，又满足预应力张拉，压力转变为拉力的要求；
③钢屋盖施工综合考虑预应力张拉前后的位形，焊接应力、温度应力的影响，制定了科学合理的构件拼装、吊装方案，实现了钢屋盖的顺利安装；
④根据索网结构特点，环索采取地面组装牵引提升、径向索采用空中同步牵引张拉的方法施工。
本文转自《上海浦东足球场钢结构屋盖施工关键技术》，作者周锋，张胜杰等；仅用于学习分享，如涉及侵权，请联系删除！