上海浦东足球场屋盖钢结构创新施工技术*

周 锋，陈晓明

(上海市机械施工集团有限公司，上海 200072)

0 引言

近年来，随着我国冬奥会和其他重大国际赛事的成功申办，体育产业蓬勃发展，新建及改造体育场馆项目不断涌现，大跨度空间钢结构获得了前所未有的发展。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。此结构体系一般由外压环、径向索和内拉环所组成，其中外压环类似车轮的轮辋，径向索类似车轮的辐条，内拉环类似车轮的轮毂，三者形成自平衡，主要应用在圆形或类椭圆形体育场。

浦东足球场造型接近矩形，如果采用外压环轮辐式张拉结构，则因外压环呈矩形状使结构承力效率低下而不经济。为此，浦东足球场首创了中置压环张拉结构体系，其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，以规避外形限制而布设承力效率更高的椭圆形中置压环。本文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

上海浦东足球场是一座符合国际足联国际A级比赛要求的专业足球场，固定座席数约为3.4万个。建成后的实景如图1所示。足球场看台采用钢结构框架-支撑体系+预制混凝土看台板。足球场屋盖采用轮辐式索承网格结构，通过钢立柱支承在下部看台钢结构上。屋盖平面长轴211m，短轴173m，并依循看台形成了轻微的马鞍造型，高差为2.5m，立面高度24.5～26.9m。屋盖拉索采用全封闭钢索，不设调节余量。

图1 浦东足球场实景

屋盖钢结构的径向索桁架包括上径向梁、下径向索和V撑外肢。46榀径向索桁架通过主压环梁、环索和次环梁连成整体，并通过立柱支撑在下部看台钢结构上。内悬挑梁作为次结构依附在索桁架端部，并下设V撑内肢减小了内悬挑梁的跨度。屋盖的结构体系可以看成是轮辐式体系和索承网壳的结合(见图2)。与传统全柔性轮辐式体系不同，本工程下弦采用张拉索网体系，上弦采用刚性结构体系，径向索水平分力通过刚性的上弦径向梁传递至中置压环，形成张拉自平衡体系，且刚性的上弦结构亦与该工程采用的直立锁边金属屋面体系相契合。中置近似椭圆形的压环满足了结构优化的要求，也释放了对外环的结构要求，外环只需满足球场矩形外轮廓的建筑要求。

图2 屋盖钢结构立面示意

2 施工流程和施工分析

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改变，同样位形的变化也会带来内力的变更。这种形与力密不可分的关系，决定了屋盖钢结构的分析、深化、加工、安装及张拉是一体化的过程。

2.1 施工流程

整个屋盖钢结构的施工大体分为4个阶段。

1)采用临时支撑安装46榀径向梁、V撑外肢、压环梁、外侧圈梁下的立柱和部分次环梁。分段之间通过法兰相连的压环梁精确成环是施工的关键。

2)16段环索地面展开首尾相连，形成8根环索，并与索夹固定。利用已安装的屋盖结构提升索夹以及与之相连的环索，就位后索夹与已经安装的V撑外肢通过销轴固定。径向索一端与索夹相连，另一端通过张拉工装与径向梁外端的耳板连接。同步张拉径向索，就位后穿销轴固定。

3)补缺压环梁外侧的次环梁形成完整圈梁，安装屋面支撑和柱间支撑。

4)安装V撑内肢、径向悬挑梁及压环梁内侧的圈梁和屋面支撑，至此屋盖钢结构形成。

2.2 施工分析

对于浦东足球场钢屋盖这个刚柔结合索承网格结构，施工的目标是在形与力上实现结构的设计初始状态。由于力与形的高相关性，这对构件的加工制作与现场安装误差的控制有着极高的要求。同时结构在施工各个阶段的内力和形态的关系需要通过全过程的仿真计算分析获得，从而为制定和优化施工方案及施工控制提供依据，以保证施工安全。施工分析主要包括零应力找形分析和施工过程分析。

结构初始状态是结构在自重和预应力作用下的自平衡状态，一般即结构施工图所对应的形态和索力分布，因此也常称为设计初始态。钢结构施工是钢构件在临时支撑上拼装，逐步形成结构的过程。这个过程中，结构自重由临时支撑承担，构件的应力水平很低，变形也很小，此时为施工零应力状态。当预应力张拉且拆除临时支撑后，结构成型进入施工完成态。对于刚性结构，预应力张拉和拆除临时支撑前后，即零应力状态和施工完成态间结构位形差异较小。对于刚柔组合或全柔性结构，二者间差异较大。为此，对于本工程的刚柔组合屋盖，首先要进行零应力找形分析，即通过拆除构件、释放约束等手段，明确结构的零应力状态。再基于零应力状态进行施工全过程模拟分析，通过施工过程分析结果与设计初始态内力和位形的对比，验证零应力状态的准确性和施工步骤的可行性。

以施工完成态和设计初始态拟合度最大为原则进行迭代优化，最终确定了本屋盖结构的零应力状态及相应的施工工序。

1)工况1 安装柱、压环梁及其外侧的次环梁(不含8个后装段)。

2)工况2 安装V撑外肢、环索、索夹和径向索，并张拉径向索。

3)工况3 安装压环梁外侧的后装段圈梁、屋面支撑和柱间支撑。

4)工况4 安装V撑内肢和径向悬挑梁。

5)工况5 安装压环梁内侧的圈梁、屋面支撑。

6)工况6 安装屋面檩条与马道，卸载胎架。

施工完成的索力如表1所示。施工完成态钢结构等效应力如表2所示。

表1 施工完成索力

表2 施工完成态钢结构等效应力

由表1，2可见，通过对设计一次成型与施工过程分析的完成态进行分析，环索索力施工过程分析与设计初始态相差在9.3%以内；径向索索力施工过程分析与设计初始态相差在2.2%以内；钢结构等效应力施工过程分析与设计初始态相差在1.7%以内；压环梁轴力施工过程分析与设计初始态相差在2.9%以内。由此可见，施工过程分析与设计初始态结果基本一致，屋盖钢结构零应力状态及其安装流程是可行的。

3 深化设计

对于浦东足球场这种依靠张拉成型的刚柔组合结构，张拉前后结构位形变化较大，为此应基于结构的零应力状态进行钢结构构件与索的深化，获得钢结构构件及索的零应力下的尺寸，为构件的制作提供依据。

依据施工方案，钢结构屋盖的主受力部分张拉前安装，通过张拉形成结构，而次受力部分待张拉后安装。前者是屋盖张拉成型的关键，后者依附在主受力部分之上。主受力部分包括46组径向梁、径向索和V撑外肢及把径向结构体系连成整体的环梁和环索。次受力部分主要包括内悬挑构件。先期安装的主受力部分的深化是基于零应力状态的深化，而张拉后安装的次受力部分的深化是基于设计初始状态的深化，二者放在同一个深化模型中存在互不相连的情况，这与传统的钢结构深化设计完全不同(见图3)。

图3 构件深化示意

4 加工制作

4.1 压力环

中置压环平衡了46榀径向索桁架的径向压力。压环的加工和安装精度会影响整个轮辐式张拉结构的受力。径向梁(B1 400×700)间的中置压环(B1 500×1 500)均采用法兰螺栓连接，这样可以通过加工精度保证安装成型精度。为避免现场高空焊接，现场安装采用在地面将径向梁同压环梁组合成T形构件进行整体吊装。T形组合构件共46榀，构件跨度25.3～41.8m，宽度8.2～11.3m，构件质量52.52～68.47t，分段形式如图4所示。

图4 T形组合构件安装分段

设计要求中置压环每段构件长度偏差在±3mm内，所有因素叠加的综合误差在±10mm内，中置压环的法兰面最大转角偏差<0.5mm/1 000mm， 这是因为该法兰面会受到连接压环的径向梁在自重作用下的弯曲变形而发生扭转。而传统轮辐式张拉结构，位于外圈的压环距离看台近，临时支撑高度低，刚度好，且无径向梁的影响，法兰面的转角容易控制。

受到运输尺寸的限制，T形构件无法加工成整体到现场。中置压环的加工分段采用图5所示形式，压环本体的精度和法兰面的贴合通过加工来实现，而径向梁对法兰面扭转的影响则通过现场拼装预变形予以消化。

图5 中置压环加工分段

整个屋盖轻微的马鞍构形使压环的标高存在变化，形成空间结构。每根压环梁两端的法兰面与水平面角度不一，且二者之间也不平行。压环相邻法兰面(板厚80mm)间通过60个10.9级的M36相连，法兰面中设有人孔。相邻的法兰面板加工时通过配钻螺栓孔保证精度。法兰面与压环箱梁焊接前，将相邻两端的压环梁法兰面用螺栓锁紧保证贴合度，再采用焊接变形较小的清根坡口焊缝焊接。不断对法兰面火焰校正进行平面度的控制。法兰面平面度合格后，最后采用端铣机铣平法兰面。

46段压环梁在加工厂分批总装。相邻法兰面锁定下，压环梁本体与节点区焊接形成图6所示装配单元。焊缝收缩会减小压环梁长度。因此，焊接前适当增放压力环梁整体长度余量。保证焊接后压力环梁整体收缩，恢复到设计尺寸。

图6 中置压力环梁分批总装

4.2 索夹和拉索

8根环索通过索夹与径向索桁架相连，平衡了46榀径向索桁架的径向拉力。与传统的全铸钢索夹不同，本项目索夹由上下铸钢夹板和中间钥匙形耳板构成，铸钢的材质为G20Mn5QT，中间钢板的材质为Q390C。索夹上下铸钢夹板和中间耳板通过焊接连接，并与螺栓与上盖板连接。环索索夹构造如图7所示。针对该铸钢材料的特点，选取合适的焊材以及预热和后处理工艺，焊接过程中严格控制焊接热输入，防止过大和过小的焊接热输入在焊接过程中产生缺陷。焊接完成后去应力退火以消除焊接应力。

图7 索夹构造

所有的径向索以及环索均采用密闭索。密闭索外层的Z形钢丝使其具有非常好的横向承载力，这对于与索夹通过小盖板夹紧固定的环索非常必要。同时钢丝外的高钒涂层(锌-5%铝-混合稀土合金镀层)和外层Z形钢丝封闭锁紧使其具有非常好的防腐性能。径向索的索头采用了材质为42CrMo的高强锻钢件，在保证强度、韧性和抗疲劳性能的同时，减小了索头的尺寸。

5 竖向控制支架

5.1 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刚性的径向梁和压力环的跨中布置，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，压环梁两端搁置于临时支撑上端，径向梁末端搁置于位于看台顶部的型钢支撑上，如图8所示。

由于采用RS-485的硬件协议，上位机为主机，而单片机作为下位机也就是从机，从机不会主动向主机发送信息，在接收到主机的信息后作出响应，因此从机在空闲状态时处于接收状态。

图8 临时支撑立面示意

5.2 支架方案对比

如果采用传统的仅受压支撑，则由于径向索张拉整个屋盖将上抬而脱离设计位形，由此其他内悬挑等次受力构件将不得不在设计位形标高之上安装。本项目的大跨度钢屋盖是半刚性结构，张拉后次受力构件及屋面安装的过程中屋面受自重的增加将不断下挠。由此，这些后续安装的构件不但标高难以控制，且在安装后随屋面的变形将产生构件内应力，使之与设计初始态存在较大的差异。为此，本项目设计研发了拉压控制支架，其在径向索张拉前支架承托中压环，在径向索张拉后又可通过支架中的拉索拉住中压环。整个张拉过程中压环始终位于设计初始态标高，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。

5.3 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阶段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，使其保持设计初始态标高不变，以满足后续结构安装的需求。竖向控制支架共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，支架底座通过下部转换钢架与抗拉埋件连接。支架上部通过上部转换钢架支承压环梁，并通过穿心式千斤顶、钢绞线、锚具等与压环梁销铰连接以拉住压环梁，形成支架内拉索的集成化配置，满足抗压、抗拉以及释放屋盖竖向位移等的需求，竖向拉压控制支架立面如图9所示。

图9 竖向拉压控制支架立面示意

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支架安装完成后，通过千斤顶于钢绞线上施加200kN预拉力，进而在支撑外钢架内产生200kN的预压力以消除支架间隙，确保支架刚度； 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(400～800kN)，其后钢绞线上下锚具锁紧； ⑤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； ⑥待屋盖主构件均安装完成后，通过千斤顶协同控制对46个支架点进行同步索力卸载。

6 安装

6.1 现场拼装

每榀径向索桁架由径向梁、V撑外肢和径向索两两通过销轴连接构成。46榀索桁架通过环索和中压环连成整体。整个结构体系的精度控制主要在上述构件。径向索和环索均为定长索，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螺栓连接，它的精度主要靠加工和预拼保证。46榀T形吊装单元均由3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构件。根据构件形式及分段拼接位置，每榀T形构件设置了6处胎架(见图10)。其在胎架拼装时采用关键控制点坐标，坐标允许偏差±3mm。

图10 胎架布置平面

T形构件分段驳运至胎架定位后与搁置板焊接固定，进行对接拼装。拼装完成后，先进行第2分段处的焊接。焊接完成验收合格后，割开胎架4，5上搁置板与构件的连接，进行胎架预卸载。这是在胎架上模拟构件在空中搁置姿态。胎架4，5预卸载后，再进行第1分段处的焊接，可以最大程度释放径向梁在竖向平面上的弯曲带给压环法兰面的转动。同时，构件拼装时也结合焊接收缩及温度的影响，严格控制径向梁的长度。

6.2 吊装

T形构件采用4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。对T形组合构件吊装进行有限元施工模拟，明确吊装方案可靠性。单榀T形构件采用3点搁置，压环梁两端搁置于竖向控制支架上端，径向梁末端搁置于位于看台顶部的型钢支撑上。T形构件就位后，在前后支撑上进行精调。然后陆续安装相邻T形构件，并通过螺栓将中压环法兰面两两连接，再进行部分次环梁连接。在屋盖4个角部设置了8个后装段，后装段位置的次环梁安装，但不固定。屋面张拉时允许相邻后装段区域径向梁间发生径向相对位移，避免次环梁承受剪力。同时增设了部分柱间临时支撑，来保证张拉过程屋盖钢结构的整体稳定性。中压环合龙状态如图11所示。

图11 中压环合龙

7 张拉和卸载

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与环索上的索夹耳板连接。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锚固点时穿销轴固定，结构成型。

7.1 环索提升

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，再利用提升节点(提升上节点设置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。

在被动张拉过程中，环索索长变长，索径变细，会导致索夹的夹紧力减小，进而降低环索与索夹间的摩擦力，从而可能引发索夹滑移，造成事故。为此，本项目首先通过索夹的抗滑移试验，明确了索夹小盖板螺栓的预紧力，进而结合现场调控措施保证了索夹的抗滑移承载力。

7.2 径向索张拉与结构卸载

径向梁尾端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，直至就位后穿销轴(见图12)。所有46根径向索安装完成后，结构成型。

图12 径向索张拉

结构张拉过程的施工分析表明，径向索张拉初期径向索索力增长并不显著，索力的缓慢增加只是克服径向索在自重下的下挠，后期索力增长迅速。张拉施工采用工装索索长控制，结合千斤顶油压表获得的张拉力进行结构成型控制。实施过程中采用了各径向索整体同步分级张拉的方案。分级位移前大后小，避免每级张拉力变化太大。索头就位后4组操作人员在平面对称位置穿销轴，然后把张拉力从工装索转移到径向索索头上。

整个径向索张拉结构成型过程中，拉索逐步参与工作，结构刚度也逐步增加，并伴随着结构的自重逐步向周边的摇摆柱转移。由于中压环竖向位移被拉压控制支架锁定，中压环的竖向标高几乎不变，支架也逐步由受压转为受拉。

张拉完成后立即进行压环梁外侧后装段圈梁、部分屋面支撑和柱间支撑的补缺，以保证结构的稳定性。然后安装V撑内肢和径向悬挑梁。由于中压环此刻被竖向控制支架拉在设计标高，径向悬挑梁的安装标高也只要按设计标高。待屋面主檩条安装完成，大部分屋面荷载已施加。通过控制46个竖向控制支架内的千斤顶，46个点同时释放钢绞线索力，同步卸载，钢结构屋盖完全独立成型。

8 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，对施工方法及加工和安装精度都提出了很高的要求。

1)运用有限元程序针对结构设计给出结构成型态模型进行找形分析，确定结构的零应力状态。这是结构施工过程分析的起点，也是结构深化、加工及现场安装定位的依据。

2)对施工全过程进行模拟分析，验证施工安装流程的可行性和零应力状态的准确性。

3)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。

4)针对采用法兰连接的压环，采用法兰面螺栓锁紧装焊及压环梁本体与节点区之间的整体拼焊，有效保证了法兰面的密贴度和螺栓孔的同心度。

5)通过在胎架上模拟构件在空中搁置姿态，最大程度释放径向梁在竖向平面上的弯曲带给压环法兰面的转动，保证了中压环的顺利安装。

6)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。张拉后，次结构构件在设计标高上安装后竖向卸载，简化了安装，保证了安装质量和结构成型效果。