上海浦东足球场钢结构工程施工技术优化

郁政华

(上海市机械施工集团有限公司，上海 200072)

1 工程概况

浦东足球场项目位于浦东新区金滇路以东、锦绣东路规划绿地以南、规划金湘路以西、规划金葵路以北地块。项目建筑高度为41.8m，总建筑面积139 304m2，其中地上64 186m2，地下75 118m2。足球场看台采用钢结构框架结构体系+预制混凝土看台板，钢屋盖采用轮辐式索承网格结构，通过立柱支承在下部钢结构看台上，如图1所示。屋盖平面长轴为211m，短轴为173m，根据看台形式，形成轻微的马鞍形，高差为2.5m，立面高度为4.5～26.9m。项目总用钢量约1.6万t，其中地下室劲性柱约1 500t，看台部分约1万t，屋盖部分约4 500t。

图1 浦东足球场效果

浦东足球场屋盖采用国际首创中置压环轮辐式张拉结构体系，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。这既适应了浦东足球场矩形外轮廓的建筑要求，又通过中置压环满足了结构优化的要求，为索承网格结构增添了活力。

屋盖受力体系如图2所示，屋盖8根环索、46根径向索及受压杆件V撑外肢、径向梁、中置压环梁组成自平衡体系，屋盖刚度主要由预应力提供，其在施工过程中为可变结构。

图2 屋盖受力体系示意

2 钢屋盖施工流程优化

传统大跨度钢结构自身刚度较大，设置临时支撑及预变形措施，能很好地控制结构的应力及变形，卸载后，结构完成态易满足设计初始态要求。而轮辐式张拉结构在施工过程中为可变结构，其刚度及变形均通过预应力张拉实现，结构刚度与预应力大小直接相关。结构达到互锁状态后，钢屋盖方才具有稳定性；但随着预应力张拉，屋盖体系刚度及位形具有不可逆性。因此，须对钢屋盖施工流程、张拉流程进行分析，通过不断与设计初始态对比，确定最优施工流程。

优化前钢屋盖施工流程为：①安装立柱、径向梁、压环梁；安装柱顶圈梁、次梁；安装V撑外肢，并临时固定；②安装内悬挑梁、次梁；③在看台铺设环索、径向索；提升环索，与V撑外肢固定；④张拉径向索；⑤安装V撑内肢；⑥卸载悬挑梁临时支撑；⑦安装屋面与马道，卸载临时支撑。

采用ANSYS有限元软件建立模型，分析各工况下索力、结构应力及位形。主要对比分析内容为：①临时支撑卸载时机，即张拉前卸载还是屋面施工完成后卸载；②内悬挑梁安装时机，即张拉前安装还是张拉后安装。

通过施工模拟对比分析，可得：①结构在张拉前卸载，完成态结构应力小于设计初始态，结构位形与设计要求相去甚远；②张拉前安装内悬挑梁，内悬挑梁在径向索张拉工况下产生附加应力，在卸载工况下，变形较大且不可逆，难以满足设计对结构应力、位形的要求。

因此，对施工流程进行优化调整。调整后的施工流程为：①安装柱、压环梁及其外侧圈梁(不含8个合龙段)；②铺设环索、径向索；提升环索，与V撑外肢固定；③张拉径向索；④安装压环梁外侧的合龙段圈梁、屋面支撑和柱间支撑；⑤安装V撑内肢和径向悬挑梁；⑥安装压环梁内侧的圈梁、屋面支撑及V撑横梁；⑦安装屋面与马道，卸载胎架。

通过施工模拟分析，优化后的施工完成态与设计初始态，在索力、结构应力、位形上的数值结果基本一致，施工流程可行。

3 施工机械选型、布置优化

大跨度钢结构通常采用跨内(外)节间综合法、跨内(外)大流水施工。其中，节间综合法在施工过程中能及时安装主构件间连系梁、交叉撑等，形成节间稳定体系，因此应用广泛。大跨度钢结构施工中，由于行走式塔式起重机、履带式起重机及大型汽车式起重机布置灵活，应用广泛。实际工程中，根据项目特点择优选型、布置。施工机械选型、布置不仅影响项目成本，且影响施工效率及工期。

前期策划阶段，制定跨外节间综合法施工技术路线，结合施工技术路线，在跨外布置2台行走式塔式起重机作为主力机械，跨内布置2台履带式起重机作为辅助设备。

本项目足球场看台采用钢结构框架结构体系+预制混凝土看台板，因此在看台结构施工阶段，在跨外首层楼板上对称布置2台M440D型塔式起重机进行钢结构框架结构施工，跨内布置2台150t履带式起重机进行预制混凝土看台板施工。

轮辐式索承网格结构施工阶段，保留跨外2台行走式M440D型塔式起重机，用于吊装屋盖立柱、联系次构件；在跨内布置1台600t履带式起重机，用于吊装径向梁、压环梁构件，1台150t履带式起重机用于吊装临时支撑及内悬挑等次构件。

看台施工阶段，为实现行走式塔式起重机上首层楼板作业，前置工况为首层楼板施工完成，且强度达到100%，这就意味着，地下室劲性柱施工阶段结束后，首层楼板分块施工阶段(4个多月)，钢结构无法正常连续施工，土建施工进度严重制约钢结构主体结构施工。屋盖施工阶段，由于屋盖构件偏重，尤其是中置压环梁及径向梁构件，外围行走式塔式起重机利用率不高，而跨内600t履带式起重机作为实际的主力机械，工效不足，无法满足屋盖的分区快速施工，且无法配合后续索施工。

综上所述，确定在跨外布置2台行走式塔式起重机作为主力机械，跨内布置2台主力履带式起重机、2台辅助履带式起重机，跨外布置2台小型汽车式起重机作为辅机的跨内综合安装方案。

看台结构施工阶段，在跨内场芯底板上对称布置2台300t履带式起重机进行钢结构框架结构施工，跨外布置2台100t汽车式起重机进行辅助吊装，如图3所示。

图3 优化后看台施工阶段机械选型及布置

轮辐式索承网格结构施工阶段，保留跨外2台行走式M440D型塔式起重机，用于吊装屋盖立柱、联系次构件；跨内布置1台600t履带式起重机，用于吊装径向梁、压环梁构件，1台150t履带式起重机用于吊装临时支撑及内悬挑等次构件，如图4所示。

图4 优化后屋盖施工阶段机械选型及布置

方案优化后，可解决土建顶板施工对钢结构连续施工的制约，大大缩短施工工期。同时，充分发挥大型履带式起重机起重能力大的优势，满足后续屋盖重型构件的安装要求。150t履带式起重机辅助机械也可满足后续预制看台板、临时支撑及索施工的配合需要。其在设备选型上最为经济。

4 钢屋盖构件分段优化

钢屋盖主要结构构件由压环梁、径向梁、内悬挑结构、V撑内肢、V撑外肢及联系次构件等组成，如图5所示。

图5 屋盖主要结构构件

径向梁(截面形式B1 400×700)共46榀，构件跨度为25.3～41.8m，压环梁(截面形式B1 500×1 500)共46榀，长8.2～11.3m，压环梁分段间采用法兰螺栓连接。

轮辐式张拉索的轴力变化直接影响径向梁、压环梁构件的加工和安装精度。为确保结构成型后索力值接近设计初始态，要求中置压环、径向梁每段构件长度偏差<±3mm，所有因素叠加产生的综合误差≤±10mm。

传统的轮辐式结构安装方法为：先形成闭合内压环，再安装径向梁，然后补相邻径向梁间的柱顶圈梁及次梁。该施工方案导致构件分段数量多，安装精度难控制。根据跨度数值，不可避免地要将径向梁分成2～3段，以满足构件实际运输需求。构件分段数量决定临时支撑胎架设计数量，大量临时支撑会增加施工成本，降低施工效率，同时也制约后续预制看台板施工。因此，在实际施工中，须对构件分段进行优化。

通过对比优化方案，最终确定由径向梁、压环梁、V撑外肢组合吊装的方案，T字组合构件共46榀，构件重52.52～68.47t。

图6 T字组合构件

T字组合构件在地面设置胎架扩大组榀，可大大降低临时支撑的投入，避免高空焊接带来的质量与安全风险，同时也大大提高构件的组拼质量，对构件的精度控制尤为重要。T字组合构件拼装精度要求如下。

1)径向梁牛腿的距离节点中心偏差±3mm，牛腿的翘曲或扭转偏差 ±3mm。

2)径向梁本体长度偏差±3mm，径向梁本体扭曲偏差 ±5mm。

3)压环梁截面尺寸偏差≤0.3mm，压环牛腿距离节点中心偏差±3mm，牛腿翘曲或扭曲偏差≤3mm。

4)压环梁法兰面平面度偏差≤0.3mm，垂直度偏差≤1.5mm，法兰面接触面不小于总面积的90%。

T字组合构件吊装充分利用600t履带式起重机的起重能力，大大提高施工效率。内悬挑径向梁与V撑内肢组合吊装，避免内侧临时支撑的使用，降低施工成本。

5 结语

浦东足球场项目看台采用钢结构框架结构体系+预制混凝土看台板，钢屋盖采用轮辐式索承网格结构，此结构体系在大跨度结构类型中是一种全新尝试。由于没有可借鉴的案例指导施工，项目团队在施工前期进行了大量富有成果的研究、探索、试验及实践。本文中涉及的钢屋盖施工流程优化、施工机械选型布置优化以及钢屋盖构件分段优化，均只是施工前期策划过程中的冰山一角。现场实施证明如下。

1)钢屋盖施工流程优化成功实现了结构由零应力态向设计完成态的转换，张拉卸载完成后，通过应力及位移监测，结构的位形及索应力均满足设计要求。

2)施工机械选型、布置优化，成功解决了土建主体结构施工对钢结构施工工序上的制约难题，在看台楼板施工阶段，大型履带式起重机提前进入场芯进行上部结构施工，缩短了近2个月的工期。

3)钢屋盖构件分段优化，大大提高了构件的拼装精度，利用大型设备进行构件组合吊装，提高了施工效率。同时，也减少了场内临时支撑的设置，降低了施工成本。

通过施工技术优化应用，最终为上海人民呈现了——“白瓷碗”版华丽的公共体育设施，也为钢结构行业增加了首例中置压环梁轮辐式索承网格结构施工的经典案例。