来源:建筑钢结构网 作者:周永明、丁剑强 、孙珍杰、李林元、余其平 时间:2012-09-06
关键词:国家网球中心新馆 网架工程安装技术
摘要：摘要：本文概述了国家网球中心新馆钢结构网架工程的结构形式，总结了圆形开启式大跨度网架工程的安装技术，着重介绍了本工程现场拼装、吊装及卸载方案，并对吊装用临时支撑设计和安装进行了分析。
摘要：摘要：本文概述了国家网球中心新馆钢结构网架工程的结构形式，总结了圆形开启式大跨度网架工程的安装技术，着重介绍了本工程现场拼装、吊装及卸载方案，并对吊装用临时支撑设计和安装进行了分析。
1、工程概况
国家网球中心新馆地处绿色掩映的奥林匹克森林公园内，为北京地区最大，具有国际先进水平的网球比赛场馆，总建筑面积约51199?，总用地面积约17公顷。赛时观众总数为13598人。为满足赛事要求及多种功能需要，工程采用了可开启式活动屋盖,见图1。本工程主体建筑地上8层，周边附属用房1层,地下1层。建筑高度最高点为50米。屋盖结构为大跨度焊接球网架结构体系，结构平面为投影直径136.7m的圆形，结构总用钢量为2000多吨。
本工程屋盖结构主要由三部分组成：1、分布于场馆周围支承柱上的20个铸钢支座；2、支承上部开启屋盖的两道轨道桁架；3、焊接球组成的网架结构。
2. 工程重点难点分析
2.1.屋面网架杆件众多，现场安装周期较短。
2.2.施工场地狭小，拼装场地相对分散。
2.3.在整个钢结构安装过程中，与土建单位相互交叉施工，影响吊车进行构件吊装。
2.4.为实现整体屋盖曲面效果，构件安装定位、测量控制是整个安装过程的难点。
2.5.高空焊接质量也是保证工程施工质量的关键。
2.6.屋盖为焊接球网架，临时支架数量较多，且下方有混凝土看台结构，保证混凝土看台结构的安全性也是本工程实施的重点。
3、 现场拼装及吊装方案
3.1 安装方案的选定
本工程钢结构屋盖施工具有以下特点：
（1）整个钢结构工程占地面积大，构件数量较多，施工吊装作业面大。
（2）钢结构吊装工期紧迫。
（3）屋盖结构重量重,所需吊装设备作业半径较大，安装高度达40多米，安装难度大。
（4）屋盖下部为已完成的混凝土看台结构，分布面积较大，对吊机的选择提出了要求，另外钢结构安装对混凝土施工形成交叉作业，故施工协调要求高。
（5）本工程局部为三层网架结构，其在安装阶段和整体成型后的空间刚度相差悬殊，对吊装方法提出了严格要求。
现场条件的限制较多，基于这种情况，排除了对下部混凝土施工有很大影响的搭设满堂手架的方案，我们选择了将屋盖划分成若干拼装单元，在地面组拼完成，再采用大型履带吊车从场外吊装，结合高空嵌补散装的安装方案，即“分区施工、分块吊装”。此方案既能保证施工质量又能满足施工进度，同时也可减少对其他专业工程施工的影响。
2.1.屋面网架杆件众多，现场安装周期较短。
2.2.施工场地狭小，拼装场地相对分散。
2.3.在整个钢结构安装过程中，与土建单位相互交叉施工，影响吊车进行构件吊装。
2.4.为实现整体屋盖曲面效果，构件安装定位、测量控制是整个安装过程的难点。
2.5.高空焊接质量也是保证工程施工质量的关键。
2.6.屋盖为焊接球网架，临时支架数量较多，且下方有混凝土看台结构，保证混凝土看台结构的安全性也是本工程实施的重点。
3、 现场拼装及吊装方案
3.1 安装方案的选定
本工程钢结构屋盖施工具有以下特点：
（1）整个钢结构工程占地面积大，构件数量较多，施工吊装作业面大。
（2）钢结构吊装工期紧迫。
（3）屋盖结构重量重,所需吊装设备作业半径较大，安装高度达40多米，安装难度大。
（4）屋盖下部为已完成的混凝土看台结构，分布面积较大，对吊机的选择提出了要求，另外钢结构安装对混凝土施工形成交叉作业，故施工协调要求高。
（5）本工程局部为三层网架结构，其在安装阶段和整体成型后的空间刚度相差悬殊，对吊装方法提出了严格要求。
现场条件的限制较多，基于这种情况，排除了对下部混凝土施工有很大影响的搭设满堂手架的方案，我们选择了将屋盖划分成若干拼装单元，在地面组拼完成，再采用大型履带吊车从场外吊装，结合高空嵌补散装的安装方案，即“分区施工、分块吊装”。此方案既能保证施工质量又能满足施工进度，同时也可减少对其他专业工程施工的影响。
3.2现场拼装方案
3.2.1. 现场拼装主要内容
根据本工程的结构特点，结合现场拟定的吊装方案，现场拼装分如下两种：
1、 轨道桁架分段的拼装；
2、 焊接球网架分块的拼装。
3.2.2.轨道桁架分段的拼装
每道轨道桁架重约200吨，分段按吊装起重量进行划分，北区轨道桁架划分为9个分段，南区划分成8个分段，分段重量及编号如下图2所示：
3.2.1. 现场拼装主要内容
根据本工程的结构特点，结合现场拟定的吊装方案，现场拼装分如下两种：
1、 轨道桁架分段的拼装；
2、 焊接球网架分块的拼装。
3.2.2.轨道桁架分段的拼装
每道轨道桁架重约200吨，分段按吊装起重量进行划分，北区轨道桁架划分为9个分段，南区划分成8个分段，分段重量及编号如下图2所示：
轨道桁架每三个吊装分段在一起进行预拼装，检查对接无误后，做好对接标记，将前两个吊装分段移走后，以第三个吊装分段为媒介对后续拼装单元进行定位和精度控制，即“3+1”拼装形式。通过此方法可以达到构件的整体精度控制要求。
轨道桁架的拼装在专用平台上进行，在平台上划出上下弦杆、腹杆中心线，设置支撑胎架，胎架采用钢管立柱加悬挑定位牛腿的形式设置，然后吊装上、下弦杆件，分别从中间向两端进行定位组装。
上下弦杆件组装后，进行腹杆的组装，完成后即进行焊接，焊接采用CO2气体保护焊，焊接从中心向两端对称焊接，先焊下弦后焊上弦，保证桁架产生向上的挠度，焊后UT探伤并进行局部矫正。
桁架分段组装完成后进行自检，并交监理方验收检查，检查合格后利用拼装机械将桁架分段移至安装位置附近准备吊装，下图3。
3.2.3.焊接球网架分块的拼装
网架部分共划分成34个分块，北区10块，南区8块，东区8块，西区8块，分块如图4所示：
网架部分共划分成34个分块，北区10块，南区8块，东区8块，西区8块，分块如图4所示：
3.2.4、双层网架拼装
拼装胎架设置时先根据网架坐标转化后的投影点铺设钢路基板，放设投影线、标高线及支点位置，形成田字形控制网，然后竖胎架直杆，设置悬挑定位牛腿及斜撑。胎架设置应与相应的网架设计、分段重量及高度进行全方位优化选择，另外胎架高度最低处应满足全位置焊接所需的高度，验收合格后方可使用。
将网架下弦层杆件吊上胎架进行定位，定位后用卡马固定，杆件焊接从中间向两端进行。然后进行网架上弦层杆件的定位组装及焊接。
网架上下弦杆件定位组装后，进行腹杆的安装，从中部向两侧对称进行，通过调整上下弦间距进行安装，定位后检查，合格后对腹杆与上下弦杆焊接，焊接采用CO2气体保护焊，焊接采用双数焊工从中心向两侧对称施焊，先焊下弦杆件，后焊上弦杆件，如图5焊后进行UT探伤。
拼装胎架设置时先根据网架坐标转化后的投影点铺设钢路基板，放设投影线、标高线及支点位置，形成田字形控制网，然后竖胎架直杆，设置悬挑定位牛腿及斜撑。胎架设置应与相应的网架设计、分段重量及高度进行全方位优化选择，另外胎架高度最低处应满足全位置焊接所需的高度，验收合格后方可使用。
将网架下弦层杆件吊上胎架进行定位，定位后用卡马固定，杆件焊接从中间向两端进行。然后进行网架上弦层杆件的定位组装及焊接。
网架上下弦杆件定位组装后，进行腹杆的安装，从中部向两侧对称进行，通过调整上下弦间距进行安装，定位后检查，合格后对腹杆与上下弦杆焊接，焊接采用CO2气体保护焊，焊接采用双数焊工从中心向两侧对称施焊，先焊下弦杆件，后焊上弦杆件，如图5焊后进行UT探伤。
3.2.5、三层网架拼装
三层网架的拼装同样在专用平台上进行，三层网架下层和中层网架的拼装参照双层网架分块单元的拼装工艺流程。拼装完成后，进行上层网架焊接球节点及腹杆的定位焊接。将上层网架单个焊接球节点与相连腹杆划分成一个小单元进行整体定位组装，如下图6所示：
网架分块单元组装焊接结束后，拆除定位焊，使网架单元呈自由状态，通过全站仪测量采集数据与设计理论数据值进行比较，确定网架组装焊接的误差，并填写测量记录，作为吊装定位依据。
3.3现场吊装方案
3.3.1.临时支撑设计
(1).支撑布置:临时支撑在整个结构吊装过程中起着承重作用，吊装完成后，又通过临时支撑对结构进行卸载，所以支撑的设置显得尤为重要。根据方案每个吊装单元设置四个临时支撑，如图7共182根。
(2).支撑设计:结合本工程吊装分段重量重，安装高度高，下部为混凝土看台的结构特点，临时支撑采用格构式结构。胎架的最大受力为35t(极限承载力为60t)，此时胎架水平变形20mm，竖向变形5mm，满足受力要求。为增加支撑稳定性，相邻支撑通过横向桁架连接，形成门架式支撑体系。对于部分高度较高的支撑拉设缆风绳。见图8
(3).支撑下部结构加固:临时支撑下端与混凝土看台连接处须保证混凝土结构不被破坏,对设置在混凝土柱上的支撑不必进行另外加强，对设置在混凝土板上的支撑支通过加设转换钢梁进行受力转换，将支撑的受力传至斜看台梁上，确保结构及吊装安全。
3.3.2. 机械设备的配置要求
根据选定的方案及网架、桁架的分块重量，结合现场的施工条件，吊装机械选用400吨履带吊（48米主臂+60米副臂工况），其最大起重量为49吨，起重半径最大为74米。按此工况对照每一分块单元的重量，HJ1-HJ17为轨道桁架，最大吊装分块是HJ10和HJ17，重38.4t；X1-X4、D1-D4为双层网架，最大吊装分块是X1和D1，重22.7t；其余分块为三层网架，最大分块是X5和D5，重40.6t。每一分块单元的重量均在吊车的起吊能力之内，满足施工要求，同时也说明了对网架和桁架的分块的合理性。
吊装前对现场路面采用C20混凝土或碎石进行硬化处理。
3.3.3. 安装顺序
吊装从西北侧开始起吊。吊车行走路线如图9所示：
3.3.4. 吊装分块吊点的设置
三层网架分块是不规则形状，吊装前吊点的选择带来了不少难度，对此我们先在CAD模型中确定分块的重心位置，根据重心的位置选择合理的吊点。
在吊装过程中，根据已选定的吊点系上吊装绳索，移出胎架后待分块处于平衡时再起吊，分块不能处于平衡时，则对吊点位置进行调整。
3.3.5. 吊装验算分析
为保证吊装时分块、支撑及下部混凝土结构的安全，选择典型的吊装分块进行吊装、落架验算见图10~12。
（1） 吊装分块HJ10
吊装验算
落架验算见图13~15
结论：网架分块最大竖向变形0.21mm，0.21/8000=1/40000，满足变形要求。网架分块最大组合应力10.72Mpa，满足强度要求。网架分块应力比小于1，满足稳定要求。
（2）吊装分块D5
吊装验算见图16~18
（2）吊装分块D5
吊装验算见图16~18
结论：网架分块最大竖向变形28.48mm，28.48/18000=1/632，满足变形要求。网架分块最大组合应力70.04Mpa，满足强度要求。网架分块应力比小于1，满足稳定要求。
3.3.6. 构件起拱
本工程跨度达80米，且有重约500吨的活动屋盖支承在轨道桁架上，结构会有一定的变形，见图22。根据计算得到变形值如；D1=D2=5.95mmD3=D4=49.20mm
由图中可知，变形值最大的部位在南北桁架和东西网架的中间位置，根据图中计算出的变形值确定每块吊装单元的起拱值，吊装时根据起拱值进行起拱。
3.3.7.吊装定位要求
所有准备工作完成后，按照计划进行第一榀桁架的吊装，全程采用全站仪进行定位，完成后进行下一榀桁架的吊装，两榀桁架吊装完成后进行中间嵌补杆件的安装，确保已吊装单元能形成整体稳定体系。
同样的每一榀网架吊装完成后进行嵌补杆件的安装，按计划依次进行。最后选择合理条件进行整体合拢，见图23~25。
3.3.7.吊装定位要求
所有准备工作完成后，按照计划进行第一榀桁架的吊装，全程采用全站仪进行定位，完成后进行下一榀桁架的吊装，两榀桁架吊装完成后进行中间嵌补杆件的安装，确保已吊装单元能形成整体稳定体系。
同样的每一榀网架吊装完成后进行嵌补杆件的安装，按计划依次进行。最后选择合理条件进行整体合拢，见图23~25。
4． 结构卸载分析
钢结构整体合拢以后，在混凝土后浇带浇注完毕且强度达到80%设计强度时，进行整体卸载工作。根据计算模拟卸载前和最终成形后的变形，来确定大体的卸载思路，见图26~28。
钢结构整体合拢以后，在混凝土后浇带浇注完毕且强度达到80%设计强度时，进行整体卸载工作。根据计算模拟卸载前和最终成形后的变形，来确定大体的卸载思路，见图26~28。
工程卸载共分为3个区，一区为外圈形成的区域，二区为中间四个支撑形成的区域，其余部分为三区。
一区在合拢工作完成后，将支座搁置在设计位置，不进行完全固定；2区四个大柱子嵌补杆件安装完成后即进行完全固定。整体卸载后，一区16个支座在自重变形作用下，将有部分支座出现拉力，支座先不固定可将此拉力完全释放掉，支座变形完成后再将1区16个支座进行完全固定。卸载时一区处支点一次到位全部卸载，二区支点一次到位全部卸载，三区支点分三步循环卸载。三区分为左右支撑点和上下支撑点四个小分块，卸载时先卸载左右支撑点，再卸载上下支撑点，循环3次完成三区胎架卸载工作，每一个小分块内的支撑点卸载时采用“等比同步”卸载，如图29~31
通过全过程的卸载分析，可得知结构卸载过程中的应力变化情况，为结构卸载安全提供计算依据。
通过全过程的卸载分析，可得知结构卸载过程中的应力变化情况，为结构卸载安全提供计算依据。
将结构卸载过程中典型部位的应力和应变情况绘出图表，同时跟踪支撑反力的变化，以得到支撑在卸载过程中出现的最大反力，为支撑设计提供依据。如下图所示，
经过以上卸载分析表明，按上述顺序进行支撑卸载，在卸载过程中，主体结构缓慢受力，变形均匀，没有出现受力及变形突变情况，典型部位屋盖的应力变化从40Mpa逐渐增加到160MPa，竖向挠度从2mm逐渐增加到50mm，最大反力为35t，胎架最大应力190MPa，满足强度要求，胎架变形较小，刚度要求亦可满足。在工程实际卸载过程中也验证了此方法的安全、可靠、可行，见图32~33。
5.结语
国家网球中心新馆采用开启式活动屋盖，结构跨度大，给施工带来了不少难度，本文阐述了网架工程的拼装、吊装及卸载技术方案，对国内首座大跨度开启式屋盖网架工程的安装技术进行了较为全面、系统的研究和论证，为国内此类工程的安装提供了先例。同时本工程高质量、高效率按时完工，也充分证明了我公司在同类工程中的技术实力和管理水平。
6.参考文献
[1] 陈绍蕃，《钢结构设计原理》.中国建筑工业出版社.1998.第二版
[2] 《空间结构》，中国计划出版社，2003.12
[3] 《重庆袁家岗体育场网壳罩棚钢结构设计》，邓开国等，中国建筑西南设计研究院，2003.11
[4] 侯兆欣，张海军，季小莲等，新加坡MEGA会展中心大跨度钢结构施工技术，施工技术，2000，VOL.29,NO.9,PP15-17
国家网球中心新馆采用开启式活动屋盖，结构跨度大，给施工带来了不少难度，本文阐述了网架工程的拼装、吊装及卸载技术方案，对国内首座大跨度开启式屋盖网架工程的安装技术进行了较为全面、系统的研究和论证，为国内此类工程的安装提供了先例。同时本工程高质量、高效率按时完工，也充分证明了我公司在同类工程中的技术实力和管理水平。
6.参考文献
[1] 陈绍蕃，《钢结构设计原理》.中国建筑工业出版社.1998.第二版
[2] 《空间结构》，中国计划出版社，2003.12
[3] 《重庆袁家岗体育场网壳罩棚钢结构设计》，邓开国等，中国建筑西南设计研究院，2003.11
[4] 侯兆欣，张海军，季小莲等，新加坡MEGA会展中心大跨度钢结构施工技术，施工技术，2000，VOL.29,NO.9,PP15-17
作者简介：周永明（1973-），江苏沪宁钢机股份有限公司设计所所长， 工程师、一级建造师
