上海浦东足球场屋盖钢结构安装施工技术

张胜杰

上海市机械施工集团有限公司 上海 200072

轮辐式张拉结构自1988年第一次在西班牙萨拉戈萨斗牛场上运用后，因其结构轻巧、易实现大跨度、空间受力结构效率高等特点，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[1-3]。

上海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4个角部位置径向拉力非常大，结构难以实现。因此，结构设计时首创了中置压环张拉结构体系，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。本文以此为背景，对全新中置压环类椭圆形轮辐式索承网格结构的钢结构安装方法进行介绍。

1 工程概况

上海浦东足球场项目位于锦绣东路以南，规划金滇路以东，金葵路以北，规划金湘路以西。本专业足球场项目包括主足球场、商业设施以及各种达到国际先进标准的配套设施，建成后将成为集竞技、健身、商业、娱乐为一体的多功能、生态型体育中心。项目总建筑面积135 511 m2，其中地上部分建筑面积60 726 m2，地下部分建筑面积74 785 m2，固定座席数为33 765个。项目建成后，将成为满足国际足联A级比赛要求的专业足球场。

足球场屋盖采用类椭圆形轮辐式索承网格结构，结构平面长轴211 m，短轴173 m，看台罩棚短轴向悬挑长度为50.0 m，长轴向悬挑长度为48.3 m。屋盖钢结构根据看台的形式，形成了轻微的马鞍形，高差为2.5 m，立面高度在24.5～26.9 m间变化。

2 结构特点

屋盖钢结构采用全新中置压环类椭圆形轮辐式索承网格结构，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，能更好地适用于造型接近矩形的足球场。本结构体系由中置压环梁、46榀径向梁与V撑组成的钢结构，与16根环向索、46根径向索组成的索网相结合，配合圈梁、内悬挑等次构件，形成屋盖整体，属于半刚半柔结构。屋盖通过72根摇摆柱及24根BRB支撑与下部看台连接，V撑上端分别连接压环梁及径向梁悬挑段，下端通过索夹节点与环向索、径向索连接。与常规外压环结构不同，拉索的径向拉力主要由内压环梁抵抗，而非由外压环抵抗（图1～图3）。

图1 屋盖钢结构立面示意

图2 屋盖钢结构三维示意

图3 屋盖结构体系示意（红色为压环，蓝色为受拉环索）

构件主要连接形式如下：V撑上、下端分别与压环梁和索夹通过关节轴承单向铰接，转动方向是沿径向的；径向索的索头与两端节点为单向铰接；外侧柱顶圈梁与摇摆柱顶通过关节轴承铰接；摇摆柱柱底采用球铰支座做固定铰接；BRB两端通过关节轴承分别与摇摆柱及柱顶圈梁铰接连接。

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”密不可分的关系，以及本张拉结构采用定尺定长的设计方法（拉索不设调节余量），对构件现场安装误差的控制有着极高的要求。

3 总体施工技术路线

根据中置张拉压环体系结构特点——与常规轮辐式张拉体系最大的不同是中置压环（1.5 m×1.5 m箱形截面）和径向梁（1.4 m×0.7 m箱形截面），以及相应节点构造安装精度要求高、施工工艺等因素，采用支架支撑，径向梁、压环梁组合构件地面拼装，整体空中吊装就位的方法进行安装。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。单榀组合构件采用三点搁置，压环梁两端搁置于竖向控制支架上端，径向梁末端搁置于型钢支撑上。临时支撑如图4所示。

图4 临时支撑立面示意

具体施工顺序如下：安装摇摆柱（包括柱底球铰支座及柱顶关节轴承）及径向梁两端临时支撑；径向梁、压环梁T字形组合构件现场拼装；T字形组合构件吊装，三点搁置在临时支撑上（场外摇摆柱一点及场心压环两点）；补缺两组合构件节间柱顶圈梁及环向次构件，形成稳定结构体系；按上述流程，由椭圆长边，顺时针、逆时针开两条线，实现屋盖钢结构合拢；卸载摇摆柱侧临时支撑，将摇摆柱与径向梁焊接终固。

4 构件分段

屋盖钢结构径向梁（1.4 m×0.7 m箱形截面）间中置压环（1.5 m×1.5 m箱形截面）均采用法兰螺栓连接。考虑到压环梁的轴压受力及安装精度要求高（中置压环每段构件长度偏差小于±3 mm，所有因素叠加所产生的综合误差不超过±10 mm），故构件分段采用径向梁与压环梁组合成为T字形构件，采用此分段方法可避免径向梁与压环梁对接处在高空焊接，减小焊接收缩对安装精度的影响，同时可控制分别位于径向梁两端的销孔节点坐标，确保预留拉索长度满足要求。

T字形组合构件共46榀，构件跨度范围25.3～41.8 m，宽度范围8.2～11.3 m，构件质量范围52.52～68.47 t，分段形式如图5所示。

图5 T字形组合构件分段示意

5 胎架拼装

5.1 胎架布置

综合考虑构件运输情况及安装精度，组合构件分3段（径向梁2段）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。

单幅胎架共设置6组胎架支撑（图6），胎架支撑布置在压环梁两端、径向梁两端及分段对接处，单组胎架支撑由基座、立杆、斜抛撑、横梁及搁置板组成（图7）：基座底板采用路基箱制作，并使用膨胀螺栓与地面固定，保证胎架平整度及承载力要求；立杆设置斜抛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。

图6 胎架布置平面

图7 大跨度组合钢构件的现场拼装胎架立面

5.2 精度控制

每榀T字形组合构件由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。首先将空中安装状态坐标转换成为地面胎架坐标，胎架拼装时采用关键控制点坐标，坐标允许偏差±3 mm。

5.3 温度应力控制控制

温度变形公式为：ΔL=α×L×Δt。式中，ΔL为温度变形，α为温度变形系数，钢结构取12×10－6，L为销孔距离，Δt为温度差。根据计算，室外实际温度为5 ℃时，销孔理论距离L将减小3.6～6.2 mm。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。

5.4 胎架预卸载

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（图8）。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6个胎架支撑上把3段构件拼接焊接完成并形成单榀构件之后，拆除中部的胎架支撑3、4、5（图8）。通过对单榀构件进行地面胎架上第1次卸载（图9），模拟在空中安装三点支撑的工况。待变形稳定，再焊接中耳板。

图8 销孔距离控制示意

图9 现场胎架预卸载示意

6 钢结构安装

6.1 吊装方法

对单榀径向梁、压环梁T字形组合构件进行吊装工况分析后，发现构件重心位置并不在径向梁中心位置，存在偏心情况（图10）。若采用传统的多点吊装吊索具配置，构件平衡难度及安全风险高，且在焊接吊耳处会产生较大的应力及局部变形，对轴心受压形式的压环梁安装会产生较大的安全隐患及安装误差问题。

图10 T字形组合钢构件重心位置示意

施工现场决定采用如下吊索具配置：径向梁上设置4个吊点，使用2根钢丝绳单根串通，压环梁左右各设置1个吊点，使用2根钢丝绳配置机械滑车，用以调平偏心组合构件，保证组合构件吊装过程中的稳定安全及安装精度（图11、图12）。

图11 T字形组合钢构件吊索具

图12 T字形组合钢构件吊装

通过对T字形组合构件吊装有限元分析，吊耳节点域附近板件的最大应力仅为161 MPa，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。

6.2 精度调节

屋盖现场安装精度均通过关键点坐标控制：坐标允许偏差±5 mm，径向梁两销孔允许偏差±10 mm。屋盖临时支撑设置完成后，T字形组合构件就位，在前后支撑上进行精调（图13），再进行圈梁补缺，最后形成屋盖整体结构（图14）。

图13 前后支撑精调

图14 圈梁补缺、形成整体

7 结语

此次上海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。目前，工程已顺利安装完成。