大型悬挑钢结构体育场通常采用柔性拉索和刚压环组成拉压体系，在施工过程中采用高空整体张拉的施工工艺[1]，然后通过整体同步或者分区非同步卸载的方法来拆除支撑架，主体结构逐步进入独立承担设计荷载的状态[2-3]。在这个过程中，也会根据项目的特点，设计相应的临时结构或构造（以下简称工装），使得整个施工过程中结构的边界条件与设计相符，比如卸载过程中，在每个卸载点设置相应的工装，在千斤顶的辅助下实现卸载[4]。该工装一般根据不同的项目进行不同的设计，如砂箱卸载[5]或者选择合适时机直接割断相应卸载点的支撑等。

赖阳体育场采用刚性拉杆作为拉环，通过施工全过程仿真模拟分析，充分利用结构体系自身特性，利用自行研发的集顶升卸载于一体且可全方位滑移的施工工装，满足了钢屋盖长距离精确可控顶升和卸载的要求[6-7]，实现了钢拉杆在零外力作用下的安装。

1 工程概况

赖阳体育场是卡塔尔2022年世界杯第4体育场馆，钢结构屋盖尺寸约为228m×192m，中部开口尺寸约为125m×85m，屋盖四周由48个钢摇摆柱支撑，如图1~图3所示。钢屋盖是由压环、拉环以及径向屋面桁架组成的结构体系。径向桁架的上弦是受压构件，这些受压构件通过侧向斜拉杆加固，与拉环和压环一起构成了环向稳定的结构体系。径向桁架从屋顶立柱延伸到幕墙处，幕墙悬挂在径向桁架末端。压环由1.0m×1.0m的钢箱梁组成，总长度为460m。拉环由8根∅105刚性杆以及每榀模块拉杆两侧的节点相连，组成一个完整的拉环。该体育场对拉环和压环的长度极其敏感，所以在施工过程中要对其制作和安装精度进行严格的控制。

图1 赖阳体育场建筑效果图

Fig.1 Architectural rendering of Al Rayyan stadium

图2 赖阳体育场钢结构体系（单位：m）

Fig.2 Steel structural system of Al Rayyan stadium （Unit：m）

图3 赖阳体育场典型模块

Fig.3 Typical module of Al Rayyan stadium

2 顶升和卸载研究

2.1 钢屋面安装方案简介

根据该钢结构体系的特点以及施工全过程模拟分析结果，确定最终主体钢结构的安装流程如图4所示。

图4 钢屋盖安装流程

Fig.4 Installation process of steel roof

该安装方案的特点是为了确保卸载过程中压环和拉环能被成功激活且能够完美实现结构原始设计的理念，在施工分析时考虑了拉环刚性拉杆在卸载完成且成功激活后的伸长量，并将该伸长量考虑进拉杆加工过程中，最后使得整圈拉环在钢屋盖自重作用下被动张拉。具体如下：

（1）拉环的加工长度要比设计状态下的长度短，根据计算，单根拉杆的长度比设计状态短7~11mm，而压环、主檩条等构件加工长度与设计状态一致。

（2）利用结构体系的变形特征，将钢屋盖整体顶升约400mm，利用屋顶模块间的间距在顶升和卸载过程中的变化，逐步将与设计状态长度不同的拉环刚性拉杆在零外力作用下安装完成。

2.2 全过程施工模拟分析

根据屋盖钢结构的特点，将屋盖划分为图5和图6所示的一个个典型模块进行拼装和吊装，典型模块之间的构件在高空补缺，包括压环、拉环、檩条、斜拉杆等，如图11所示。在此基础上，对整个屋盖钢结构的顶升和卸载全过程进行施工阶段分析。

图5 模块划分及其吊装顺序

Fig.5 Module division and lifting sequence

图6 典型吊装单元与压环合拢

Fig.6 Typical module lifting and compression ring closure

施工阶段分析是对整个施工过程进行静力非线性分析，对每个施工步进行定义和计算^[8]。这个项目采用SAP2000对项目的整个实施过程进行仿真模拟，采用ABAQUS进行顶升和卸载工装的设计。

2.2.1 计算条件

计算过程中考虑结构自重（含节点）、温度荷载、风荷载。温度荷载考虑基本温度+30℃、正温差+55℃、负温差-25℃，风荷载按照27m·s^-1的风速考虑，基本风压按0.456kN·m^-2考虑。

在施工阶段分析过程中，边界条件必须要严格符合施工过程的实际情况；在模块吊装过程中，摇摆柱固定，屋盖模块在支撑点水平固定；在顶升和卸载过程中，摇摆柱沿径向位移释放，环向位移固定，屋盖模块在支撑点水平位移释放，弯矩释放。

2.2.2 计算结果分析

（1）施工结束后拉环在卸载结束后会受到2,340kN的拉力，如图7所示。在此拉力下拉环刚性拉杆要伸长约7~11mm，从而导致屋盖的实际位形远低于设计位形。为了保证结构位形以及其他相关构件的受力均能满足设计理念，将拉环加工长度缩短，即比设计长度短7~11mm。

图7 施工后拉环受力（单位：kN）

Fig.7 TR force after construction （Unit：kN）

（2）压环合拢前，顶升屋盖会使得模块间距增大。在压环未合拢的情况下，顶升前模块间距比设计间隙小约-20mm左右，如图8所示。当所有模块顶升时，其间距逐渐减小；当顶升高度到达10~20mm时，模块间距才慢慢超过设计间隙。

图8 压环合拢前顶升对模块间隙的影响

Fig.8 Influence on module clearance of propping before CR closure

（3）压环合拢后，顶升屋面会使得模块间距减小，摇摆柱向场内径向摆动。当压环合拢后，随着屋顶模块的顶升，模块间距不断减小，当顶升至+400mm高度时，模块间距基本满足拉环刚性拉杆（比设计长度短7~11mm）的安装要求，如图9所示。由图10可以看出，在屋顶模块顶升和卸载过程中，摇摆柱在顶升和卸载过程中（从步骤P1~P40）会沿着径向不断摆动，最大摆动距离为106mm。

图9 压环合拢后顶升对模块间隙的影响

Fig.9 Influence on module clearance of propping after CR closure

图10 摇摆柱偏移

Fig.10 Shifting of steel swing columns

2.3 压环合拢补缺

模块与模块之间的压环补缺以及部分檩条的补缺工作是随着模块吊装进行而不断推进的。

由于压环加工长度比设计长度长，所以压环的补缺需要施加适当的外力来扩大补缺的间隙，如图11所示。其中：F_x表示计算所得压环安装所需外力；F_v表示F_x的竖向分力；F_d表示倒链所需外力。根据式（1）：

图11 典型压环合拢

Fig.11 Typical compression ring closure

每个模块压环补缺所需要反力均不超过10kN，具体反力如图12所示。实际操作中除了第17轴的压环外（模块31和模块33之间），其余均可使用5t手拉葫芦。

图12 毎榀补缺压环所需外力

Fig.12 Installation force of each infilling compression ring segments

结合结构特点以及计算分析结果，我们发现随着所有模块的顶升，压环补缺两侧的节点间距在逐渐增大，如图8所示。当顶升10mm时，压环两侧节点的间距与补缺压环长度的差值就从-16mm增大至6mm，满足压环补缺的要求。根据此计算结果，最终选择将所有模块顶升10~20mm，让补缺空缺间隙刚好满足补缺安装要求。

施工模拟时也对顶升前需要补缺安装的檩条和斜拉杆所需的外力进行计算，结果显示绝大部分檩条和斜拉杆所需的外力不超过5t，现场可使用5t手拉葫芦进行安装。

2.4 顶升和卸载过程分析

顶升和卸载是这个项目施工的关键环节。由于毎榀拉环的每根刚性拉杆长度比设计长度短7~11mm，所以顶升前拉环节点间距要大于拉杆长度，拉杆无法安装。根据结构特点以及施工仿真分析计算结果，当压环合拢之后，随着屋顶模块整体顶升，拉环节点间距不断减小。从图13可以看出，拉杆两头的节点孔为长圆孔，每侧均有20mm的空隙，所以当拉环节点间距比拉杆加工长度短5~35mm时，拉杆便能很轻松地在零外力下安装。具体步骤如下所述。

图13 拉环节点及节点孔

Fig.13 Ring node and node hole

（1）将所有模块均顶升至+400mm；

（2）将1轴和2轴的模块单独顶升至+440mm，再安装1~2轴之间拉杆；

（3）将1轴和2轴的模块卸载至+400mm，将3轴和4轴的模块单独顶升至+440mm，再安装3~4轴之间的拉杆；

（4）将3轴和4轴的模块卸载至+400mm，将5轴和6轴的模块单独顶升至+420mm，再安装5~6轴之间的拉杆；

（5）安装7~8轴之间以及9~10轴之间的拉杆；

（6）将11轴和12轴的模块单独顶升至+440mm，再安装11~12轴之间拉杆。

由于该结构为双轴对称结构，所以以下只显示四分之一结构的计算结果，即从轴线1到轴线12的结果。根据图9、表1和表2的计算结果，需要将钢屋盖顶升至+400~+440mm时，拉环间距才能满足不同轴线的拉杆的零外力补缺的要求。

为了提高拉环拉杆的安装效率，设计了铅锤小工装。该小工装由受温度影响较小的线和小铅锤组成，两头分别连接拉杆所要安装的节点，如图14所示。根据不同补缺位置所需的拉杆安装间隙，在线上分别标记上限和下限，在顶升过程中只要观察到该工装与拉杆节点的接触点到了上、下限标记之内时，便知道顶升高度满足要求，而不需要顶升一点就停下来测量，极大地提高了效率。

图14 拉杆安装铅锤工装

Fig.14 Plumb tools for tension rod installation

当拉环的刚性拉杆补缺完成之后，整个钢屋盖便可进入卸载流程，在卸载的过程中，选择合适的时机将剩下的斜拉杆及檩条等安装到位。此处合适的时机，指的是补缺两侧节点间距合适，或者安装所需外力最少。根据施工仿真分析结果，如表3所示，将钢屋盖逐步从+400mm高度卸载至-100mm高度时卸载成功，钢屋盖完全脱胎。

在整个卸载过程中，檩条和斜拉杆的补缺所需外力基本不超过50kN，如图15所示。实际操作过程中，1个或者2个5t手拉葫芦即可满足要求。

图15 檩条及斜拉杆补缺所需外力

Fig.15 Installation force of infilling purlins and diagonal tension rods

在施工仿真分析中，为了确保结构安全，各重要构件的应力均作为重点分析对象。我们对压环、拉环、檩条、斜拉杆等重要构件在顶升和卸载过程中的应力变化做了分析整理，其中构件最大应力大约为130MPa，最大应力比不超过0.35；拉杆最大应力为230MPa，最大应力比不超过0.45。如图16所示。

图16 顶升和卸载过程中杆件应力

Fig.16 Tension rod stress during propping and de-propping procrss

在实际卸载过程中，对屋顶位形以及拉杆应力进行实时监控，确保每一步顶升和卸载都在安全可控范围内（图17）。这里选取卸载过程中4个阶段的数据进行分析，分别是：

第1阶段，卸载至+365mm；第2阶段，卸载至+30mm；第3阶段，卸载至+5mm；第4阶段，理论计算卸载至-100mm，卸载结束（表3中步骤P38），实际卸载至-68mm时卸载结束。

图17 拉环刚性拉杆应力监测结果

Fig.17 Monitoring results of tension rod stress

通过对这4个阶段的数据分析，可以看出每个阶段的拉杆应力均与理论值相差不大。到了第4阶段，除了个别的应变片失效，其他的拉杆应力均在允许误差范围内。

从以上应力监测数据看，屋盖的顶升和卸载与施工仿真分析的结果非常接近。最终卸载到-68mm时整个屋盖全部脱离支撑架，卸载成功。

2.5 卸载工装设计

2.5.1 大位移可控滑移的顶升卸载工装

根据施工仿真分析，在整个顶升和卸载过程中，该工装需要承受巨大的竖向压力以及水平反力，并且每个卸载点都要能够满足大幅度的竖向和水平向滑移的要求，如表4所示。与常规砂箱卸载不同^[9-10]，该项目要求每个卸载点既要能够滑移，还要能够随时固定，即能够在滑移和固定两种状态下随时切换。

根据项目需求设计了如图18所示的工装。该工装安装在支撑架顶部，屋面模块拉环节点处设置滑靴，滑靴坐落在工装顶面的PTFE（聚四氟乙烯）区域。为了保证滑靴能够在顶升梁顶部滑动顺畅，我们在滑靴底部粘贴有5mm厚的PTFE板，PTFE四周焊接5mm厚的围护钢板。根据实验室检测数据，PTFE在最大2,155kN的滑靴作用下，其压缩量不超过1mm，所以围护钢板不会与顶升梁顶部不锈钢接触，如图19所示。

图18 顶升卸载工装

Fig.18 Tools for propping and de-propping

图19 工装详图

Fig.19 Details of the tool

顶升梁顶部设置有不锈钢板，这样就使得滑靴顶升梁上滑动地更顺畅。不锈钢板厚度为3mm，长、宽的选择需要根据施工模拟计算确定。通过施工模拟计算，得出施工全过程中的滑靴相对于顶升梁的滑移量，然后添加一定的安全余量。这里需要明确的是，必须根据计算得出的相对滑移量以及安全余量去选择不锈钢板的尺寸，而不是滑靴的绝对滑移量。

顶升梁本身的设计，需要考虑以下几个因素：

（1）滑靴滑移过程中顶升梁所承受的最大偏心距；

（2）滑靴滑移过程中对顶升梁的最大作用力，包括竖向压力和水平作用力。

在以上两个因素作用下，分别考虑仅两个液压千斤顶支撑作用，以及仅竖向位移塞板作用等两种边界条件。且在两种边界条件下顶升梁本身均不能发生倾覆和受力屈服。

导向柱在工装中主要起3个作用：防止顶升梁倾覆，承担顶升梁传递过来的水平力以及限制顶升梁只发生竖向位移。

水平限位挡板螺栓连接在顶升梁顶部，主要作用是为了在必要的时候限制滑靴的水平滑移。采用螺栓连接的目的是为了在需要水平释放却由于滑靴挤压而无法释放的情况下，可以通过释放螺栓，然后移除水平限位挡板来进行释放。水平限位挡板所围住的区域即为不锈钢板。

根据受力要求，该工装底部使用2个150t级液压千斤顶，采用1个泵站控制2个千斤顶的一拖二方式，更好地保证2个千斤顶的同步性。

该工装的有限元计算结果如图20所示。

图20 有限元计算结果

Fig.20 FE calculation results

从以上有限元计算结果可以得出：

（1）在滑靴传递过来的荷载作用下，顶升梁和导向柱结构安全，能够满足项目对于顶升、卸载以及滑靴在滑移区域内滑移的要求；

（2）顶升梁在滑靴偏心力作用下，顶升梁不会发生倾覆。

2.5.2 摇摆柱限位工装

48个摇摆柱直径均为610mm，壁厚均为15~30mm不等的圆管，底部与L3层的埋件销轴相连，穿过L4层混凝土楼板，顶部与钢屋盖销轴连接。L4层混凝土楼板孔直径比摇摆柱大200mm，即摇摆柱四周与混凝土楼板均有100mm净距。

在摇摆柱以及单个模块的吊装过程中，需要对摇摆柱提供侧向支撑以保证其稳定性。在屋顶模块的顶升和卸载过程中，由于结构体系的特点，摇摆柱需要沿着体育场径向方向摆动，而其环向摆动需要限制住，直至卸载结束才可拆除。这就需要限位工装，保证满足如下需求：

（1）能够限制摇摆柱各个方向的摆动，保证其稳定；

（2）能够满足摇摆柱沿着径向摆动，限制其环向摆动，根据计算，摇摆柱在L4层混凝土洞口处最大径向摆动距离超过100mm（图10），部分混凝土楼板的洞口需要扩大；

（3）能够承受摇摆柱传递到限位工装的20t水平力。

该工装分为环向工装与径向工装，两个方向的工装大体相同，主要由限位支架、限位螺栓、底部压板、橡胶垫组成，环向放置的工装多了顶部压板和PTFE，目的是为了保证摇摆柱能够沿着径向摆动。如图21和图22所示。

图21 限位工装

Fig.21 Limitation tool

图22 限位工装构造

Fig.22 Details for limitation tool

限位工装现场实拍限位支架有弧形板及上、下施力架组成，设置弧形板的目的是为了贴合混凝土楼板的圆形孔洞。上、下的施力架是为了使得限位支架保持平衡，而不至于在仅上侧或者仅下侧的反力作用下倾覆。

顶部压板、PTFE以及底部压板在限位螺栓的作用下贴合在摇摆柱上，在顶部压板和底部压板上都设置有防坠板，目的是为了在限位螺栓作用力没有及时加载到位时，防止顶部压板、PTFE及底部压板坠落。

3 结  论

本文通过对赖阳体育场钢结构施工全过程进行有限元模拟，对屋盖安装、压环高空补缺、屋盖整体顶升和卸载以及关键工装的应用设计等多方面进行了详细的分析与研究，可以得出以下主要结论：

（1）通过施工全过程仿真模拟，充分分析了结构体系，制定了与之相符的施工方案，完美实现了结构的设计理念。

（2）利用结构体系特点，通过顶升和卸载去改变屋盖模块的间隙，将拉环刚拉杆在零外力作用下安装，并以被动张拉的方式激活。

（3）根据顶升和卸载的特点，设计了集顶升卸载于一体且可全方位滑移的施工工装，使得顶升和卸载过程做到精确可控。

（4）为了满足项目要求，设计出单向可滑移、单向固定的摇摆柱工装，以及拉杆安装的铅锤工装，看似简单的设计却极大地提高了结构的安装精度和效率。

该体育场在施工分析与实际操作层面有诸多值得研究与总结的经验与技术，可供同行参考。

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