來源:建筑鋼結構網 作者:周永明、丁劍強 、孫珍杰、李林元、余其平 時間:2012-09-06
關鍵詞:國家網球中心新館 網架工程安裝技術
摘要：摘要：本文概述了國家網球中心新館鋼結構網架工程的結構形式，總結了圓形開啟式大跨度網架工程的安裝技術，著重介紹了本工程現場拼裝、吊裝及卸載方案，并對吊裝用臨時支撐設計和安裝進行了分析。
摘要：摘要：本文概述了國家網球中心新館鋼結構網架工程的結構形式，總結了圓形開啟式大跨度網架工程的安裝技術，著重介紹了本工程現場拼裝、吊裝及卸載方案，并對吊裝用臨時支撐設計和安裝進行了分析。
1、工程概況
國家網球中心新館地處綠色掩映的奧林匹克森林公園內，為北京地區最大，具有國際先進水平的網球比賽場館，總建筑面積約51199?，總用地面積約17公頃。賽時觀眾總數為13598人。為滿足賽事要求及多種功能需要，工程采用了可開啟式活動屋蓋,見圖1。本工程主體建筑地上8層，周邊附屬用房1層,地下1層。建筑高度最高點為50米。屋蓋結構為大跨度焊接球網架結構體系，結構平面為投影直徑136.7m的圓形，結構總用鋼量為2000多噸。
本工程屋蓋結構主要由三部分組成：1、分布于場館周圍支承柱上的20個鑄鋼支座；2、支承上部開啟屋蓋的兩道軌道桁架；3、焊接球組成的網架結構。
2. 工程重點難點分析
2.1.屋面網架桿件眾多，現場安裝周期較短。
2.2.施工場地狹小，拼裝場地相對分散。
2.3.在整個鋼結構安裝過程中，與土建單位相互交叉施工，影響吊車進行構件吊裝。
2.4.為實現整體屋蓋曲面效果，構件安裝定位、測量控制是整個安裝過程的難點。
2.5.高空焊接質量也是保證工程施工質量的關鍵。
2.6.屋蓋為焊接球網架，臨時支架數量較多，且下方有混凝土看臺結構，保證混凝土看臺結構的安全性也是本工程實施的重點。
3、 現場拼裝及吊裝方案
3.1 安裝方案的選定
本工程鋼結構屋蓋施工具有以下特點：
（1）整個鋼結構工程占地面積大，構件數量較多，施工吊裝作業面大。
（2）鋼結構吊裝工期緊迫。
（3）屋蓋結構重量重,所需吊裝設備作業半徑較大，安裝高度達40多米，安裝難度大。
（4）屋蓋下部為已完成的混凝土看臺結構，分布面積較大，對吊機的選擇提出了要求，另外鋼結構安裝對混凝土施工形成交叉作業，故施工協調要求高。
（5）本工程局部為三層網架結構，其在安裝階段和整體成型后的空間剛度相差懸殊，對吊裝方法提出了嚴格要求。
現場條件的限制較多，基于這種情況，排除了對下部混凝土施工有很大影響的搭設滿堂手架的方案，我們選擇了將屋蓋劃分成若干拼裝單元，在地面組拼完成，再采用大型履帶吊車從場外吊裝，結合高空嵌補散裝的安裝方案，即“分區施工、分塊吊裝”。此方案既能保證施工質量又能滿足施工進度，同時也可減少對其他專業工程施工的影響。
2.1.屋面網架桿件眾多，現場安裝周期較短。
2.2.施工場地狹小，拼裝場地相對分散。
2.3.在整個鋼結構安裝過程中，與土建單位相互交叉施工，影響吊車進行構件吊裝。
2.4.為實現整體屋蓋曲面效果，構件安裝定位、測量控制是整個安裝過程的難點。
2.5.高空焊接質量也是保證工程施工質量的關鍵。
2.6.屋蓋為焊接球網架，臨時支架數量較多，且下方有混凝土看臺結構，保證混凝土看臺結構的安全性也是本工程實施的重點。
3、 現場拼裝及吊裝方案
3.1 安裝方案的選定
本工程鋼結構屋蓋施工具有以下特點：
（1）整個鋼結構工程占地面積大，構件數量較多，施工吊裝作業面大。
（2）鋼結構吊裝工期緊迫。
（3）屋蓋結構重量重,所需吊裝設備作業半徑較大，安裝高度達40多米，安裝難度大。
（4）屋蓋下部為已完成的混凝土看臺結構，分布面積較大，對吊機的選擇提出了要求，另外鋼結構安裝對混凝土施工形成交叉作業，故施工協調要求高。
（5）本工程局部為三層網架結構，其在安裝階段和整體成型后的空間剛度相差懸殊，對吊裝方法提出了嚴格要求。
現場條件的限制較多，基于這種情況，排除了對下部混凝土施工有很大影響的搭設滿堂手架的方案，我們選擇了將屋蓋劃分成若干拼裝單元，在地面組拼完成，再采用大型履帶吊車從場外吊裝，結合高空嵌補散裝的安裝方案，即“分區施工、分塊吊裝”。此方案既能保證施工質量又能滿足施工進度，同時也可減少對其他專業工程施工的影響。
3.2現場拼裝方案
3.2.1. 現場拼裝主要內容
根據本工程的結構特點，結合現場擬定的吊裝方案，現場拼裝分如下兩種：
1、 軌道桁架分段的拼裝；
2、 焊接球網架分塊的拼裝。
3.2.2.軌道桁架分段的拼裝
每道軌道桁架重約200噸，分段按吊裝起重量進行劃分，北區軌道桁架劃分為9個分段，南區劃分成8個分段，分段重量及編號如下圖2所示：
3.2.1. 現場拼裝主要內容
根據本工程的結構特點，結合現場擬定的吊裝方案，現場拼裝分如下兩種：
1、 軌道桁架分段的拼裝；
2、 焊接球網架分塊的拼裝。
3.2.2.軌道桁架分段的拼裝
每道軌道桁架重約200噸，分段按吊裝起重量進行劃分，北區軌道桁架劃分為9個分段，南區劃分成8個分段，分段重量及編號如下圖2所示：
軌道桁架每三個吊裝分段在一起進行預拼裝，檢查對接無誤后，做好對接標記，將前兩個吊裝分段移走后，以第三個吊裝分段為媒介對后續拼裝單元進行定位和精度控制，即“3+1”拼裝形式。通過此方法可以達到構件的整體精度控制要求。
軌道桁架的拼裝在專用平臺上進行，在平臺上劃出上下弦桿、腹桿中心線，設置支撐胎架，胎架采用鋼管立柱加懸挑定位牛腿的形式設置，然后吊裝上、下弦桿件，分別從中間向兩端進行定位組裝。
上下弦桿件組裝后，進行腹桿的組裝，完成后即進行焊接，焊接采用CO2氣體保護焊，焊接從中心向兩端對稱焊接，先焊下弦后焊上弦，保證桁架產生向上的撓度，焊后UT探傷并進行局部矯正。
桁架分段組裝完成后進行自檢，并交監理方驗收檢查，檢查合格后利用拼裝機械將桁架分段移至安裝位置附近準備吊裝，下圖3。
3.2.3.焊接球網架分塊的拼裝
網架部分共劃分成34個分塊，北區10塊，南區8塊，東區8塊，西區8塊，分塊如圖4所示：
網架部分共劃分成34個分塊，北區10塊，南區8塊，東區8塊，西區8塊，分塊如圖4所示：
3.2.4、雙層網架拼裝
拼裝胎架設置時先根據網架坐標轉化后的投影點鋪設鋼路基板，放設投影線、標高線及支點位置，形成田字形控制網，然后豎胎架直桿，設置懸挑定位牛腿及斜撐。胎架設置應與相應的網架設計、分段重量及高度進行全方位優化選擇，另外胎架高度最低處應滿足全位置焊接所需的高度，驗收合格后方可使用。
將網架下弦層桿件吊上胎架進行定位，定位后用卡馬固定，桿件焊接從中間向兩端進行。然后進行網架上弦層桿件的定位組裝及焊接。
網架上下弦桿件定位組裝后，進行腹桿的安裝，從中部向兩側對稱進行，通過調整上下弦間距進行安裝，定位后檢查，合格后對腹桿與上下弦桿焊接，焊接采用CO2氣體保護焊，焊接采用雙數焊工從中心向兩側對稱施焊，先焊下弦桿件，后焊上弦桿件，如圖5焊后進行UT探傷。
拼裝胎架設置時先根據網架坐標轉化后的投影點鋪設鋼路基板，放設投影線、標高線及支點位置，形成田字形控制網，然后豎胎架直桿，設置懸挑定位牛腿及斜撐。胎架設置應與相應的網架設計、分段重量及高度進行全方位優化選擇，另外胎架高度最低處應滿足全位置焊接所需的高度，驗收合格后方可使用。
將網架下弦層桿件吊上胎架進行定位，定位后用卡馬固定，桿件焊接從中間向兩端進行。然后進行網架上弦層桿件的定位組裝及焊接。
網架上下弦桿件定位組裝后，進行腹桿的安裝，從中部向兩側對稱進行，通過調整上下弦間距進行安裝，定位后檢查，合格后對腹桿與上下弦桿焊接，焊接采用CO2氣體保護焊，焊接采用雙數焊工從中心向兩側對稱施焊，先焊下弦桿件，后焊上弦桿件，如圖5焊后進行UT探傷。
3.2.5、三層網架拼裝
三層網架的拼裝同樣在專用平臺上進行，三層網架下層和中層網架的拼裝參照雙層網架分塊單元的拼裝工藝流程。拼裝完成后，進行上層網架焊接球節點及腹桿的定位焊接。將上層網架單個焊接球節點與相連腹桿劃分成一個小單元進行整體定位組裝，如下圖6所示：
網架分塊單元組裝焊接結束后，拆除定位焊，使網架單元呈自由狀態，通過全站儀測量采集數據與設計理論數據值進行比較，確定網架組裝焊接的誤差，并填寫測量記錄，作為吊裝定位依據。
3.3現場吊裝方案
3.3.1.臨時支撐設計
(1).支撐布置:臨時支撐在整個結構吊裝過程中起著承重作用，吊裝完成后，又通過臨時支撐對結構進行卸載，所以支撐的設置顯得尤為重要。根據方案每個吊裝單元設置四個臨時支撐，如圖7共182根。
(2).支撐設計:結合本工程吊裝分段重量重，安裝高度高，下部為混凝土看臺的結構特點，臨時支撐采用格構式結構。胎架的最大受力為35t(極限承載力為60t)，此時胎架水平變形20mm，豎向變形5mm，滿足受力要求。為增加支撐穩定性，相鄰支撐通過橫向桁架連接，形成門架式支撐體系。對于部分高度較高的支撐拉設纜風繩。見圖8
(3).支撐下部結構加固:臨時支撐下端與混凝土看臺連接處須保證混凝土結構不被破壞,對設置在混凝土柱上的支撐不必進行另外加強，對設置在混凝土板上的支撐支通過加設轉換鋼梁進行受力轉換，將支撐的受力傳至斜看臺梁上，確保結構及吊裝安全。
3.3.2. 機械設備的配置要求
根據選定的方案及網架、桁架的分塊重量，結合現場的施工條件，吊裝機械選用400噸履帶吊（48米主臂+60米副臂工況），其最大起重量為49噸，起重半徑最大為74米。按此工況對照每一分塊單元的重量，HJ1-HJ17為軌道桁架，最大吊裝分塊是HJ10和HJ17，重38.4t；X1-X4、D1-D4為雙層網架，最大吊裝分塊是X1和D1，重22.7t；其余分塊為三層網架，最大分塊是X5和D5，重40.6t。每一分塊單元的重量均在吊車的起吊能力之內，滿足施工要求，同時也說明了對網架和桁架的分塊的合理性。
吊裝前對現場路面采用C20混凝土或碎石進行硬化處理。
3.3.3. 安裝順序
吊裝從西北側開始起吊。吊車行走路線如圖9所示：
3.3.4. 吊裝分塊吊點的設置
三層網架分塊是不規則形狀，吊裝前吊點的選擇帶來了不少難度，對此我們先在CAD模型中確定分塊的重心位置，根據重心的位置選擇合理的吊點。
在吊裝過程中，根據已選定的吊點系上吊裝繩索，移出胎架后待分塊處于平衡時再起吊，分塊不能處于平衡時，則對吊點位置進行調整。
3.3.5. 吊裝驗算分析
為保證吊裝時分塊、支撐及下部混凝土結構的安全，選擇典型的吊裝分塊進行吊裝、落架驗算見圖10~12。
（1） 吊裝分塊HJ10
吊裝驗算
落架驗算見圖13~15
結論：網架分塊最大豎向變形0.21mm，0.21/8000=1/40000，滿足變形要求。網架分塊最大組合應力10.72Mpa，滿足強度要求。網架分塊應力比小于1，滿足穩定要求。
（2）吊裝分塊D5
吊裝驗算見圖16~18
（2）吊裝分塊D5
吊裝驗算見圖16~18
結論：網架分塊最大豎向變形28.48mm，28.48/18000=1/632，滿足變形要求。網架分塊最大組合應力70.04Mpa，滿足強度要求。網架分塊應力比小于1，滿足穩定要求。
3.3.6. 構件起拱
本工程跨度達80米，且有重約500噸的活動屋蓋支承在軌道桁架上，結構會有一定的變形，見圖22。根據計算得到變形值如；D1=D2=5.95mmD3=D4=49.20mm
由圖中可知，變形值最大的部位在南北桁架和東西網架的中間位置，根據圖中計算出的變形值確定每塊吊裝單元的起拱值，吊裝時根據起拱值進行起拱。
3.3.7.吊裝定位要求
所有準備工作完成后，按照計劃進行第一榀桁架的吊裝，全程采用全站儀進行定位，完成后進行下一榀桁架的吊裝，兩榀桁架吊裝完成后進行中間嵌補桿件的安裝，確保已吊裝單元能形成整體穩定體系。
同樣的每一榀網架吊裝完成后進行嵌補桿件的安裝，按計劃依次進行。最后選擇合理條件進行整體合攏，見圖23~25。
3.3.7.吊裝定位要求
所有準備工作完成后，按照計劃進行第一榀桁架的吊裝，全程采用全站儀進行定位，完成后進行下一榀桁架的吊裝，兩榀桁架吊裝完成后進行中間嵌補桿件的安裝，確保已吊裝單元能形成整體穩定體系。
同樣的每一榀網架吊裝完成后進行嵌補桿件的安裝，按計劃依次進行。最后選擇合理條件進行整體合攏，見圖23~25。
4． 結構卸載分析
鋼結構整體合攏以后，在混凝土后澆帶澆注完畢且強度達到80%設計強度時，進行整體卸載工作。根據計算模擬卸載前和最終成形后的變形，來確定大體的卸載思路，見圖26~28。
鋼結構整體合攏以后，在混凝土后澆帶澆注完畢且強度達到80%設計強度時，進行整體卸載工作。根據計算模擬卸載前和最終成形后的變形，來確定大體的卸載思路，見圖26~28。
工程卸載共分為3個區，一區為外圈形成的區域，二區為中間四個支撐形成的區域，其余部分為三區。
一區在合攏工作完成后，將支座擱置在設計位置，不進行完全固定；2區四個大柱子嵌補桿件安裝完成后即進行完全固定。整體卸載后，一區16個支座在自重變形作用下，將有部分支座出現拉力，支座先不固定可將此拉力完全釋放掉，支座變形完成后再將1區16個支座進行完全固定。卸載時一區處支點一次到位全部卸載，二區支點一次到位全部卸載，三區支點分三步循環卸載。三區分為左右支撐點和上下支撐點四個小分塊，卸載時先卸載左右支撐點，再卸載上下支撐點，循環3次完成三區胎架卸載工作，每一個小分塊內的支撐點卸載時采用“等比同步”卸載，如圖29~31
通過全過程的卸載分析，可得知結構卸載過程中的應力變化情況，為結構卸載安全提供計算依據。
通過全過程的卸載分析，可得知結構卸載過程中的應力變化情況，為結構卸載安全提供計算依據。
將結構卸載過程中典型部位的應力和應變情況繪出圖表，同時跟蹤支撐反力的變化，以得到支撐在卸載過程中出現的最大反力，為支撐設計提供依據。如下圖所示，
經過以上卸載分析表明，按上述順序進行支撐卸載，在卸載過程中，主體結構緩慢受力，變形均勻，沒有出現受力及變形突變情況，典型部位屋蓋的應力變化從40Mpa逐漸增加到160MPa，豎向撓度從2mm逐漸增加到50mm，最大反力為35t，胎架最大應力190MPa，滿足強度要求，胎架變形較小，剛度要求亦可滿足。在工程實際卸載過程中也驗證了此方法的安全、可靠、可行，見圖32~33。
5.結語
國家網球中心新館采用開啟式活動屋蓋，結構跨度大，給施工帶來了不少難度，本文闡述了網架工程的拼裝、吊裝及卸載技術方案，對國內首座大跨度開啟式屋蓋網架工程的安裝技術進行了較為全面、系統的研究和論證，為國內此類工程的安裝提供了先例。同時本工程高質量、高效率按時完工，也充分證明了我公司在同類工程中的技術實力和管理水平。
6.參考文獻
[1] 陳紹蕃，《鋼結構設計原理》.中國建筑工業出版社.1998.第二版
[2] 《空間結構》，中國計劃出版社，2003.12
[3] 《重慶袁家崗體育場網殼罩棚鋼結構設計》，鄧開國等，中國建筑西南設計研究院，2003.11
[4] 侯兆欣，張海軍，季小蓮等，新加坡MEGA會展中心大跨度鋼結構施工技術，施工技術，2000，VOL.29,NO.9,PP15-17
國家網球中心新館采用開啟式活動屋蓋，結構跨度大，給施工帶來了不少難度，本文闡述了網架工程的拼裝、吊裝及卸載技術方案，對國內首座大跨度開啟式屋蓋網架工程的安裝技術進行了較為全面、系統的研究和論證，為國內此類工程的安裝提供了先例。同時本工程高質量、高效率按時完工，也充分證明了我公司在同類工程中的技術實力和管理水平。
6.參考文獻
[1] 陳紹蕃，《鋼結構設計原理》.中國建筑工業出版社.1998.第二版
[2] 《空間結構》，中國計劃出版社，2003.12
[3] 《重慶袁家崗體育場網殼罩棚鋼結構設計》，鄧開國等，中國建筑西南設計研究院，2003.11
[4] 侯兆欣，張海軍，季小蓮等，新加坡MEGA會展中心大跨度鋼結構施工技術，施工技術，2000，VOL.29,NO.9,PP15-17
作者簡介：周永明（1973-），江蘇滬寧鋼機股份有限公司設計所所長， 工程師、一級建造師
