2022世界杯主场馆钢结构卸载施工及监测技术研究*

张 健

(中国铁建国际集团有限公司，北京 100039)

0 引言

随着科技水平进步和体育事业不断发展，近年来我国建设了多座综合性的大型体育场馆[1]。钢结构具有自重小、强度高和韧性好等特点，是建造大跨度体育场的理想结构形式[2]。在大型体育场建设过程中，主体钢结构的卸载施工不仅技术要求高、操作流程复杂，而且实施风险多、过程监控困难。卸载的结果不但直接影响屋面结构的后续施工，而且将直接决定体育场结构的整体安全性[3]。近年来我国在大型体育场钢结构设计与施工领域取得了长远的进步和发展[4]。

2022年卡塔尔世界杯主场馆卢赛尔体育场，是中国企业首次以设计施工总承包商身份承建的世界杯体育场，也是近年来中国企业参与建设的最具国际影响力的项目之一。该体育场在项目规模、投资总额、实施难度、技术先进性和国际化水平等各项指标方面均远超同类项目。体育场观众容量达92 100人，屋面索网跨度达274m，为目前世界最大跨度屋面索网结构。体育场主体钢结构采用分阶段分步卸载方式，对卸载点的结构形式和卸载顺序进行优化，建立了系统化的应力、应变监测方案，为今后同类项目的实施积累了宝贵经验。

1 工程概况

卢赛尔体育场位于卡塔尔首都多哈以北的卢赛尔新区，将承担世界杯小组赛、半决赛、决赛和闭幕式等重大赛事活动。项目占地面积100万m2，建筑面积19万m2，是世界上规模最大和最先进的体育场之一[5]。

该项目由中国企业与卡塔尔当地企业组成紧密型联营体，采用设计施工总承包模式共同承建，合同总额7.67亿美元，是中国在海外承建的规模最大的专业体育场，也是卡塔尔国家“一号工程”[6]。项目效果如图1所示。

图1 卢赛尔体育场

2 结构形式

2.1 外部主体结构

体育场外部主体结构由屋面索网、受压环梁、V形钢结构柱(简称V柱)、V柱间幕墙桁架以及铝板幕墙组成。

1)屋面索网 径向鱼尾式主索共48榀，环向拉索分为上、下2层，各8道。

2)受压环梁 简称“压环”，共有24榀，将主索的径向拉力转换为压环内部的环向压力。

3)V柱 共有48片，每两片V柱的顶部在压环底部相交后形成支承点，将压环的竖向重力传导至下部的24根巨型钢筋混凝土柱。

4)V柱间幕墙桁架 主要作用为增强V柱间的整体性并连接幕墙。

5)幕墙体系 三角形单元中空铝板幕墙，固定在V柱间幕墙桁架上。

2.2 内部主体结构

内部主体结构由看台钢结构、现浇钢筋混凝土结构和预制钢筋混凝土看台结构组成。

1)看台钢结构 又称“次钢构”，主要目的为支撑上部看台。

2)现浇钢筋混凝土结构 主要由28个楼梯间核心筒及现浇钢筋混凝土框架结构组成。

3)预制钢筋混凝土看台 所有看台梁板均为模块化的预制结构，现场吊装拼接而成，方便赛后拆除改建。体育场主体结构如图2所示。

图2 卢赛尔体育场主体结构

3 体育场主体钢结构施工方案

在卸载前，需首先完成体育场主体钢结构的施工。本项目在钢筋混凝土柱施工后，搭建24根钢结构临时支撑塔架(以下简称“塔架”)用于V柱和压环的施工，卸载的主要工作即为压环合龙后塔架与V柱的分离与移除。每片V柱在地面焊接完成后，选用大型履带式起重机将V柱架设到钢筋混凝土柱和塔架上，每两片V柱的上部搭设在一个塔架上形成稳定受力体系。在V柱安装完成后，选用大型履带式起重机将地面拼装好的压环吊装到V柱上进行焊接。压环合龙后进行卸载并拆除塔架，最后进行屋面索网施工。体育场主体钢结构施工如图3所示。

图3 主体钢结构施工

4 卸载点结构形式及千斤顶布置

4.1 卸载点结构形式

每个塔架上与相邻两片V柱共有4个支撑点，即每片V柱2个支撑点，这些支撑点即为卸载点，其结构形式如图4所示。

图4 卸载点结构形式

支撑点的主要目的是为V柱提供径向、环向与竖向的支撑反力。径向是支撑点与球场中心的连线方向，环向是水平面内与径向垂直的方向，竖向是重力方向。在竖向上，焊接在塔架上的支承梁限位柱承受支承梁荷载，支承梁又通过钢垫板为焊接在V柱上的小短柱提供竖向反力；在环向和径向上，焊接在支承梁上的侧向挡板通过中间的钢垫板为小短柱提供水平向反力。

整个支撑点在3个方向上为V柱提供支撑反力，而卸载过程就是用千斤顶抵消掉支撑反力后，抽出3个方向的钢垫板，最后再将塔架起吊移除。

4.2 千斤顶布置

根据卸载点结构形式以及卸载应力计算结果，竖向卸载选用2台150t液压千斤顶，环向与径向各选用50t液压千斤顶。具体布置如图5所示。

图5 卸载千斤顶布置

5 分阶段分步卸载

5.1 卸载阶段划分

体育场共有塔架24个，编号为T1～T24。由于主体钢结构为左右、上下对称结构，根据卸载模拟计算结果和应力变形分析，将所有塔架分为6个卸载阶段，具体划分如图6所示。由于每个卸载阶段需同时卸载4个塔架，因此需要4个卸载小组。

图6 卸载阶段划分

5.2 各阶段水平向卸载顺序

在每个卸载阶段内，4个临时支撑塔架共16个卸载点需首先完成反力较小的水平向卸载，此水平向卸载分为径向与环向。各阶段水平向卸载依次完成后，再开始竖向卸载，每阶段的16个卸载点需同步卸载。在每阶段水平向卸载时，需要先完成卸载量较小的环向卸载，之后再进行径向卸载。以径向卸载为例，单个卸载点的卸载方法如下。

1)顶升径向50t液压千斤顶，推动小短柱在径向位移，此时不锈钢板和不锈钢板下预设的PTFE膜会减小摩擦阻力。

2)取出径向钢垫板。

3)回落径向千斤顶，完成径向卸载。

径向卸载方法如图7所示，环向卸载与此类似。

图7 径向卸载示意

5.3 各阶段竖向分步卸载顺序

在Midas软件中进行卸载应力、应变的模拟分析，将竖向卸载分3轮进行，分别为6，8，10～23mm。单个塔架的竖向卸载步骤如图8所示。

图8 单个塔架竖向卸载步骤

以第1轮卸载为例，单个卸载点的卸载方法如下。

1)同步顶升2台竖向150t液压千斤顶，使支承梁脱离竖向钢垫板2mm。

2)取出20mm厚的钢垫板，放入14mm厚的钢垫板，确保竖向第1轮卸载值为6mm。

3)回落竖向千斤顶，完成竖向第1轮卸载6mm。

与此类似，第2轮卸载8mm时，可取出14mm厚的钢垫板，放入6mm厚的钢垫板。第3轮卸载时，可直接取出剩余钢垫板，完成所有竖向卸载。

6 卸载监测

6.1 卸载监测方案分类

如何在大型体育场钢结构的卸载施工中通过系统化的监测方案来保障结构安全，一直是卸载过程中最重要的环节[7]。本项目应用多种先进的监测工具，在卸载全过程中对各重要部位进行全面监测，并做如下分类。

1)按照监测部位 分为压环、V柱、V柱球形支座、塔架和卸载点等。

2)按照监测目标 分为应力监测与应变监测。

3)按照监测时间 分为卸载前、中、后监测。

4)按照监测工具 分为全站仪、应力计、3D扫描仪和直尺等。

6.2 全站仪监测

全站仪主要用于监测压环、V柱、V柱球形支座和塔架的位移，在卸载前、卸载中和卸载后都需进行，是卸载能否满足理论要求的控制性指标。当全站仪测量数据不满足要求时，参照应力监测数据进行下一步判断。

6.2.1监测点布置

1)压环监测点

由于卸载时塔架相邻的两榀压环都会受影响，因此每个塔架卸载时需要测量相邻的两榀压环。对于每个塔架，选择压环内下弦3个节点和相应的外下弦3个节点进行测量，即每个阶段4组测量的点数为24个。可在体育场中心位置架设1台全站仪测量内下弦节点，而外下弦节点可与V柱一同在场外测量，测点布置如图9所示。

图9 压环内下弦监测点

2)V柱监测点

需要测量每个正在卸载的支撑塔架两侧共4片V柱，每片V柱都需要测量内弦和外弦的跨中节点。因此，每个卸载阶段V柱的测量点数为：8×4=32个。

3)V柱球形支座监测点

需要测量每个正在卸载的支撑塔架两侧共2个支座。由于全站仪架设在2个支座中间后最多只能测量到每个支座的3个节点，所以每阶段卸载需要测量的支座点数为：6×4=24个。

4)临时支撑塔架监测点

需要测量每个正在卸载的塔架及相邻的2个塔架，每个塔架测量1个点。所以每阶段需要测量的塔架点数为：3×4=12个。

从场外进行测量的压环外下弦、V柱、支座和塔架的监测点如图10所示。

图10 场外测量点

全站仪对所有点都需测量4次，分别为卸载前、竖向第1次卸载后、竖向第2次卸载后和全部卸载完成后，所有测点均采用贴片方式。每个阶段所需全站仪数量为内场1台、外场4台，备用全站仪2台。

6.2.2温度修正

由于大型钢结构变形对温度较为敏感，而实际卸载和测量过程中的钢材表面温度很难做到完全相同，考虑到温度差异可能引起的测量误差，有必要在正式卸载前通过统计分析，得出温度变化对钢结构变化影响的规律，以对不同温度下全站仪的测量数据进行修正[8]。选取第1阶段卸载所涉及的8榀压环的内下弦索孔位置进行5d连续观测，时间选取早、中、晚不同时段，并用测温仪测量钢结构母材的表面温度。

分析连续5d的测量数据，可知钢材表面温度最大差值约10℃/d，通过建立气温变化对钢结构在三维方向的函数曲线，可知气温对环向和竖向的影响较小，对径向的影响较大。

实际操作中，为了消除温度影响，卸载监测需在每天天气条件良好时的同一时段进行，对每次卸载时的钢材表面温度、气温和风向等做好记录。一般每天卸载时钢材表面温度差值低于5℃，如果每次测量的钢材表面温度差异过大，则需对测量数据进行温度修正。

6.3 应力计监测

应力计主要用于监测V柱和压环重点位置的内部应力，作为卸载是否满足要求的辅助指标。

6.3.1V柱顶部应力监测点布置

卢赛尔体育场钢结构为对称结构，结合结构易损性分析结果，同时考虑现场安装进度及监测点可操作性，最终确定在1/4象限内14片V柱的顶部布设传感器，分布在V柱的内弦、外弦靠近压环处，具体在卸载千斤顶支承点与下节点中间部位，测点共计28个。考虑现场V柱内侧面不易布设传感器，故每个测点布置3个传感器，传感器数量共计：28×3=84个(见图11)。

图11 V柱顶部传感器示意

6.3.2V柱中部应力监测点布置

根据现场实际情况与应力监测要求，选取1/4象限内的4片V柱布设传感器，具体位置在杆件下节点端部以上0.5m位置处。测点共计8个，每个测点需要4个传感器，共需：8×4=32个。

6.3.3压环应力监测点布置

选取1/4象限内的2榀压环布设传感器。由于下弦杆操作空间受限制，因此只能布设在上弦杆上，具体位置在杆件跨中的内、外侧处。同时，每榀压环还需选择2根内侧斜腹杆布设，具体位置同样在杆件跨中的内、外侧处。因此，需布设测点8处，传感器共计：8×2=16个。

6.3.4应力监测软硬件系统

本项目选用MOS-6301式振弦式传感器，该传感器两端通过螺栓固定在连接端头上，连接端头与被测构件焊接，其性能参数如表1所示。

表1 应力监测仪性能参数

传感器每6～10min自动采集数据，通过有线电缆将数据传输至现场的解调仪，解调仪通过4G无线方式将数据传输回现场办公室和设在北京的数据处理平台，实现对数据的远程监控和处理。设置好应力预警值后，数据平台可实现应力超限自动报警。解调仪的主要作用为收集传感器的数据，并进行无线传输。单个解调仪最多可采集40个传感器的数据，根据传感器的数量，现场需设置4台解调仪。

6.4 高精度3D扫描仪监测

本项目创造性地将高精度3D激光扫描用于卸载过程监测，根据结构特点及监测要求，快速对卸载前后整个体育场的三维空间进行重构，利用Navisworks将3D扫描点云与BIM模型进行可视化比对，得到卸载前后任意节点的位移量，再选取重点部位与理论位移量进行对比后可迅速而准确地判断是否超限[9]。

6.4.1主要软硬件

主要硬件为扫描仪和计算机，主要软件为SCENE，Midas，Revit和Navisworks，如表2所示。

表2 3D扫描仪监测所需软硬件

6.4.2监测流程

1)卸载前 确定扫描在卸载中应用的总体方案，包括扫描次数、部位和流程，数据对比内容与方法，以及扫描时间安排等[10]；在外场对所有V柱进行扫描；利用SCENE将每个正V形的2榀V柱生成一个点云文件；选取1/4象限的V柱，将扫描数据与模型数据进行对比，检验是否具备卸载条件。

2)卸载中 如果位移或应力监测值超限，则对相关部位进行扫描，并与卸载前数据进行对比，帮助分析问题产生的原因；收集分析全站仪在卸载前、卸载中和卸载后的测量数据；确定各对比点位的理论位移值。

3)卸载后 在外场对所有V柱重新进行扫描；选取1/4象限，将卸载前和卸载后的3D扫描点云数据导入Navisworks中，同时与施工图(IFC)模型进行对比，进而分析卸载前后V柱的实际位移，并与理论计算值进行对比，对卸载结果和设计假定进行验证；在内场对全部索孔位置进行扫描；选取1/4象限的索孔，将3D扫描点云数据与卸载的模型数据进行对比，为下一步主索的施工提供指导；将3D扫描点云数据与全站仪测量数据进行对比，以相互验证位形监测的可靠性；整理所有V柱与压环索孔的扫描数据，方便后期查阅和问题处理。

6.4.3监测结果评价

对1/4象限内12榀V柱的60个节点进行分析，结合应力监测结果，确定其应力应变均满足设计要求，卸载安全可靠。

为了检查3D扫描进行卸载监测的实际精度，利用全站仪的监测结果对其进行验证。分别在卸载前后利用全站仪对T3塔架左侧V柱的5个外弦节点进行测量，并与3D扫描数据进行对比分析，其监测结果对比如表3所示。

表3 全站仪与3D扫描监测结果对比 mm

由此可知，3D扫描与全站仪监测结果的差值在±3mm以内，此误差可完全满足监测精度要求，充分证明了3D扫描进行卸载监测的可靠性。

6.5 直尺监测

直尺主要用于控制竖向卸载的位移量，确保每次竖向卸载在预定的限值内。由于环向和径向的侧向挡板与小短柱的距离是固定的，卸载过程中会存在个别挡板阻碍小短柱径向位移的现象，因此径向卸载前后需要利用直尺测量小短柱与侧向挡板的径向距离，必要时可将挡板割除。

7 结语

通过研究卢赛尔体育场主体钢结构的卸载及监测方案，并在实施过程中检验和完善，可以得到以下结论。

1)大型世界杯体育场钢结构的卸载应充分考虑卸载点的受力形式，对卸载千斤顶进行合理选型和布置。

2)卸载顺序的确定和卸载方法的选择，应充分考虑模拟计算和应力变形分析结果。

3)运用多种先进的监测工具，在卸载全过程中对各重要部位进行系统监测，是保障卸载成功的基本条件，监测点布设应能充分满足数据采集需要并应具有一定的代表性。

4)3D扫描仪与全站仪相互结合用于卸载位移监测，将大大提高监测效率和数据精度，具有超越传统监测方式的优越性。

卢赛尔体育场钢结构卸载施工的成功实施，对各种先进监测技术的探索和实践，不仅填补了我国在该领域的空白，更为今后同类项目的建设提供了宝贵经验。