关键词: 可开闭屋盖；大跨度桁架系统；施工安装

摘  要：在大型体育场馆类工程中采用可开启式钢结构屋面系统在我国还是首次使用，如何解决大跨度支撑桁架系统的安装，同时在大跨度桁架系统上安装可开闭系统，保证桁架、可开闭系统的正常运转。本文通过分析其施工安装，为今后在同类工程施工中提供经验、借鉴

本工程钢屋盖共分两部分：固定屋盖和活动屋盖。屋盖的几何形状为球冠，固定屋盖采用拱支网壳，网壳为单层网壳。固定屋盖中的主拱、副拱、斜拱和内圈桁架的上弦轴线的节点位于半径为204m的球面上，主拱、副拱、斜拱和内圈桁架的下弦轴线节点位于半径为200m的球面上。活动屋盖采用由移动台车多点支撑的多跨单层网壳，其单层网壳杆件轴线节点位于半径为206.8m的球面上，台车的轨道位于固定屋盖的主拱上弦上。

固定钢屋盖由6榀主拱桁架、10榀次拱拱桁架、2榀斜桁架、2榀内圈桁架和单层网壳组成。

主拱桁架最大跨度262 m，矢高55.4m，其主要受力特征为坦拱结构，以承受轴向力为主，主拱桁架中部约100m范围（最大）无侧向支撑。主拱桁架中距约40m，主拱与次拱桁架中距约20m。

主拱桁架支撑着整个屋盖的大部分重量，又作为滑移轨道的支撑结构，斜桁架作为次拱结构的上部支撑，起着调整各主拱桁架间的内力分配，同时作为主拱桁架的侧向支撑，传递侧向水平荷载、提高整体结构的侧向稳定性；次拱桁架起到分散主拱桁架受力与拱脚推力、减少屋面檩条跨度的作用；内圈桁架作为活动屋盖完全闭合时的收边支撑桁架，调整主拱桁架间的内力分配，加强屋盖刚度，同时起到建筑美学作用；屋面单层网壳可加强屋面刚度，承担并均化屋盖面荷载。

活动钢屋盖共两片，每片屋盖平面呈月牙形，为一薄壳结构内嵌于周边的钢桁架上，结构面外刚度差。由机械传动与控制系统支撑于固定屋盖的六条轨道上，每片屋盖的支撑总轮数为22个。每片活动屋盖的移动由4个牵引点、共16根钢缆绳牵拉。

根据对本工程结构和施工场地的分析，确定以下的开闭系统的安装方法和流程。

2.1 总体安装思路设想

2.1.1拱架安装

两台400t履带吊看台内外行驶，分段吊装。

1） 杆件全部在工厂加工、预拼装后编号散件运输，现场拼装。

2） 现场拼装采用设置拼装胎架，根据杆件编号进行整体拼装，拼装按吊装分段要求在分段点弦杆上设置耳板连接装置，使构件拼装成整体后易于分段。

3） 在拱架分段处下方搭设临时高空支撑平台，来满足分段安装的要求，同时也解决分段拱架的高空定位要求。

4） 主、副拱、斜拱的吊装选择两台400t履带吊机，分别在场内、场外吊机行走路线上吊装斜拱外侧分段拱架，主拱的中间分段采用两台400t履带吊机双机台吊。

2.1.2固定屋盖安装

利用400t履带吊机进行分块吊装

1） 与拱架相连的固定屋盖部分吊装，在拱架吊装完成后，吊机退出比赛场后进行。根据结构特点，屋盖可分成六边形分块。利用400t履带吊机跨外行驶，依次进行分块吊装。

2） 固定屋盖安装完成，进行支撑分步卸载。

3） 分步卸载完成，拱架恢复到设计弧度后进行轨道梁、轨道的安装。

2.1.3 活动屋盖安装：采用分片累计滑移

1） 根据活动屋盖的台车分布，活动屋盖分成四个分区进行拼装和累计滑移。

2） 拼装平台设在全开状态的最接近拱脚的分区范围。进行平台的塔设，滑移辅助轨道的安装。活动屋盖安装安装将采用在体育场东西两面同时进行“分片滑移法”安装就位，选用两台150t履带吊机进行辅助安装。

3.1 安装支撑架的设置

拱架分段吊装方案的实施，必须要有大量的支撑胎架来保证，在拱架每一个分段处下方搭设临时高空支撑平台，来满足分段安装的要求，同时也解决分段拱架的高空定位要求。

本工程施工中要设置大量的临时支撑，支撑的设置位置如图2、图3所示。支撑胎架采用格构式钢管组合结构，上部设有操作平台、支撑胎架、微调用千斤顶。高空地面支撑架承重后需要在四周设置缆风绳增加其稳定性，缆风固定于混凝土看台上或地面锚固；过楼面支撑设置分两种情况，一种在楼板上预留支撑孔的，无须再设置揽风绳，另一种是在楼面遇到梁或柱而无法在楼面留孔的，须设置缆风绳，同时加固梁或柱。

3.2 拱架吊装方法总述

拱架吊装的难度在于：构件重量大、吊装高度高，受土建看台影响大。如何克服上述困难是本工程钢结构吊装的重点。

主要吊装思路：主拱架分为五段，采用400t大型履带吊场、场外分段吊装和场内双机抬吊相结合的方式进行。

3.3主要阶段分区安装作业

根据工程特点，根据构件特征及选择的吊装方案，将本钢屋盖工程分成五个施工区。（如图4）

3.4吊装构件分段

主拱：以斜拱为界，将主拱桁架分为内外两部分，内部双机抬吊不再分段，最大重量约175t，外部等分为两段最大重量92.5t。

副拱：在与斜拱相连部分留1m左右杆件最后与斜拱连接固定，余下单侧拱架按照1：2的比例分为两段，其中较大的一段有一端落地。副拱最大重量56.2t。

斜拱和内圈桁架:以主拱为界分段。

3.5 吊机选择

根据主体结构构件的分段及重量情况，以及桁架吊装要求的工作半径，选用两台400t履带式起重机作为吊装的主要机械，场内、场外各布置一台。两台吊机的机械配置情况如下：场外吊机主臂63m，超起配重200t。场内吊机主臂63m，所有吊装工作中，吊机的最大工作半径约34m。

400t履带式起重机性能（按吊装最不利值）

3.6吊点位置的选择

吊点位置和吊点数，根据桁架形状，截面，长度，起重机性能等具体情况确定。

由于桁架截面为三角形，为了保证分段桁架在吊装过程中的稳定形，空中姿态的可调节性，并防止分段桁架发生变形，采用四个吊点，分别位于距离分段桁架两端1/3处，两侧吊点相距15m左右。

3.7 拱架安装的顺序

第一步——外围主拱、副拱以及斜拱的安装.根据土建及场地情况首先进行东部结构的施工。施工中采用两台400t履带式起重机，场内场外各一台，同时从场地南端或北端开始向前推进。待安装完一个分区钢结构后再转入下一分区钢结构的施工。吊机在绕场一周后完成整个第一阶段的安装任务。从而减少了吊机的往复运动，使施工进度更加紧凑。

施工一区～施工四区安装内容基本相同，具体以施工一区安装为例进行说明，施工一区主拱及斜拱的安装共分13个安装分段进行安装。

第二步——中间主拱及内拱的安装.    

中间部分桁架包括主拱的中间部分及内拱两部分。中间部分桁架的安装由两台400t履带吊抬吊。在吊装过程中，吊机从场地一端开始进行吊装，在完成榀主拱的吊装，然后在进行两榀内拱的吊装，最终完成全部后续主拱及内拱的吊装。

3.8 施工一区的安装方法

3.8.1 分段吊装高空对接的解决

在拱架分段处下方搭设临时高空支撑平台，解决分段拱架的高空定位要求,分段拱架间高空采用耳板连接装置来对钢拱架实施空中对接，在整榀拱架安装完成，进行检测无误后，实施最终焊接。（耳板连接装置见图5）

构件吊装后在高空中的上下之间的微调采用设置在高空支架上的竖向千斤顶来完成，侧向主要利用支撑架上的拼装胎架来保证构件的相对位置，在利用设置在胎架两侧千斤顶调整侧向位移，调整到构件的安装预计位置进行整体的焊接工作。

3.8.2 施工五区的安装

中间部分桁架包括主拱的中间部分及内拱两部分。中间部分桁架的安装由两台400t履带吊抬吊完成。在吊装过程中，吊机从场地一端开始进行吊装，在主拱吊装完成后，把副拱与斜拱的连接杆安装上去，使斜拱与副拱形成整体；在完成榀主拱的吊装，然后在进行两榀内拱的吊装，以此类推，完成后续主拱及内拱的吊装。

吊装由两台400吨吊机从南向北退着吊装。

整个安装区安装主要过程共分14个安装步骤进行吊装。

3.8.3 主拱ZG-C、D中间分段吊装

吊装采用双机抬吊，单台吊机性能选择：

双机抬吊时，根据起重机的能力进行合理的负荷分配（每台起重机的负荷不宜超过其安全负荷量的85％）并在操作时要统一指挥。两台起重机的驾驶员应互相密切配合，防止一台起重机失重而使另一台起重机超载。在整个抬吊过程中，两台起重机的吊钩滑车组均应保持铅垂状态。

固定屋盖的安装，主要解决的难题是，如何分块使其单层网壳整体吊装的变形受到控制，如何分块使拱与网壳连接的相贯面顺利对接、安装就位。

4.1 固定屋盖（网壳）的概况

本工程固定屋盖采用单层网壳结构，支撑在主拱、副拱、斜拱和内圈桁架之间，传递屋面檩条荷载和加强屋盖平面刚度。

钢管与拱架上弦连接采用相贯焊接，钢管之间连接采用两种方式，八根钢管相贯处采用“梅花”形连接点，其余相贯焊接。

4.2 固定屋盖（网壳）的施工

分析结构特点，采用高空散装，支撑架消耗量太大。分片安装，分片无法直接就位。因此采用六边形分块吊装，补装余留构件的安装思路，进行固定屋盖网壳结构安装。

主拱、副拱吊装完成，400t履带吊退出场外后，开始进行单层网壳的安装，因网壳覆盖面积大，节点数量众多且采用钢管相贯节点形式，高空焊接作业量大，节点空间定位难度较大。因此，采用自制吊蓝工作承台配合已施工完成的拱架部分作为施工平台，保证高空作业安全，自制吊蓝应与已安装的拱架结构连接牢固，以确保工作平台的稳定性和安全性。

根据施工进度要求，单层网壳的安装可从一端向另外一侧推进，以减少吊机往复行走时间。由于网壳结构的特殊性，部分中间接点成“梅花”形连接，高空施工难度大，为了减少高空的拼装工作量，降低高空作业难度，同时为了加快施工进度及保证构件的安装质量，拟考虑将固定网壳在每一个主拱与副拱之间的整体结构分成1～4块不等的六边形构件进行吊装，其它杆件以安装的六边形和边桁架、拱架进行拼装，由于能组成整体吊装六边形的数量有限，为了保证“梅花”形连接点的质量，在地面焊接成行，在两边增加吊装临时加固杆件，也采用整体吊装。

吊装时要注意构件两边与拱架是相贯节点连接，安装时应缓缓下降，等一边相贯就位后，再将另一端就位，临时固定，调整好整体弧度、位置后，施焊固定。

根据结构构件的分块及重量情况，以及构件吊装的工作半径，选用一台400t履带式起重机作为吊装的主要机械，在场外布置。所有吊装工作中，吊机的最大工作半径约76m（吊装中间两拱之间构件时达到此值），构件组合成“梅花”形构件重量为9.6t，加上吊钩、拉索等重计1.1t，总重量在10.7t。即在工作半径76m时，起吊高度在48米，起吊重量为10.7t。吊机的机械配置情况如下：最大主臂91m，超起配重200t。

固定网壳分块吊装性能要求

5.1活动屋盖的特点分析

活动钢屋盖是整个开合屋盖关键部分，其结构形式为单层网壳。整个单层网壳呈月牙形，由两片完全对称的网壳组成。网壳由人字斜杆组成菱形网格，并在南北向加设连杆，使网格成三角形。网壳东西向边界为三角形截面封边桁架，所有单层网壳杆件轴线节点均位于半径为206.8m的球面上。活动屋盖由移动台车多点支撑，台车轨道位于固定屋盖的主拱上。轨道共有对称的6道，南北边两道不设牵引装置，仅在中间4道设牵引。台车支点共44个，每片22个。

活动屋盖的投影长度201.92m，闭合后的宽度120.466m，沿径向的最大高差8.86m，沿环向的最大高差27.481，网壳结构由大直径钢管相贯连接组成，钢管最大直径Φ630×30位于活动屋盖的对接直边，中间部分为Φ450×12～16，收边采用Φ351以下的钢管组成的三角形桁架。

5.2安装方案的选定及总体思路和流程

根据施工的总体安排和结构的特点。开启屋盖的安装应在固定屋盖全部安装完成，支撑卸载，并经过结构变形观测和几何尺寸复测，满足机械变形协调和补偿的要求条件下开始安装的。

考虑到各种因素，优化后的施工方案采用分片累积滑移的施工方法。

5.2.1总体安装思路和流程.

固定屋盖全部安装完成，支撑卸载，并经过结构变形观测和几何尺寸复测。满足开启屋盖安装要求。

安装轨道梁并进行焊接和直线度、标高调整。

开启屋盖钢结构件在工厂下料、弯制。分段长度约10m。

开启系统的动力和控制机械在工厂制作和调试。将开启屋盖分成四片进行累积滑移。滑移将利用开闭系统的台车和轨道进行。

滑移的拼装平台尽量靠近柱脚，拼装节点设在主拱和副拱位置，支撑架支撑在主、副拱上弦平面上。

在拼装平台上组装第一滑移单元的屋盖网壳和在相应位置安装开闭系统机械台车，台车与结构

临时固定进行第一单元滑移。滑移牵引也将利用开闭系统的牵引装置。

逐步累积进行三次滑移，最后一个滑移单元直接就地组装。此时的结构位置即是活动屋盖开启的位置。

结构滑移过程中，两边角部结构因没有主拱支撑，处于悬臂状态，变形很大。需要在此处的副拱上增加支撑点和滑移轨道。

5.2.2活动屋盖的分片拼装

在拟定的滑移单元位置搭设拼装平台。拼装平台采用脚手架钢管支撑,支撑在下部看台楼面上，固定屋盖网壳只起维护作用不作支撑点用。

根据混凝土看台和固定屋盖的结构的布置，活动屋盖的吊机只能站在拱脚外围吊装。吊装采用一台150t履带吊，构件散件吊装，在拼装平台上拼装成滑移单元。

滑移单元的拼装的顺序是：从中央向两边分片推进。

分片安装先安装直杆，再安装相贯斜管。安装相应位置的台车并临时固定。安装副拱滑移支撑。进行单元滑移。滑移后，重复上述步骤拼装下一单元屋盖。一半屋盖安装完成后，进行屋盖的开闭系统调试。吊机和拼装平台转移至另外半边进行活动屋盖的滑移施工。

5.2.3分片累计滑移.

*滑移的滑动装置采用开启屋盖的台车，牵引装置临时卷扬机牵引装置。

*滑移单元在拼装平台上拼装完成，焊接成为整体。并与相应位置的台车进行临时固定。临时固定应满足两个条件：一是满足承载力要求，二使方便拆除。因此采用临时螺栓间隔固定台车与钢结构的连接法兰。

*将滑移单元落放在台车和轨道上，为了控制结构的变形，在角部的副拱上增加一个支点。该支点只作竖向支撑用，下部设有滚轮，跟随滑移单元一同滑移，但不作为牵引点。

*在牵引机构的牵引下，滑移单元作等标高同步滑移。滑移结构滑移一个台车间距后，停滑并进行限位。让出拼装平台，进行下一滑移单元的拼装、滑移。

*最后一个单元直接拼装就位，无需滑移。

通过该工程的施工实践，为今后在类似采用大跨度桁架结构、特别是开闭屋盖系统工程施工提供经验、借鉴；

同时标志着我国对空间开闭结构体系的工程技术已经进入了世界先进水平。

来源:建筑钢结构网  作者:孙建梅 王尧刚 赵荣招  

参考文献

[1] 建筑钢结构焊接技术规程  JGJ 81-2002

[2] 钢结构工程施工质量验收规范  GB 50205-2001

[3] 建筑钢结构施工手册  中国计划出版社  2002年

[4] 钢管结构技术规程    CESS 280：2010