国家速滑馆屋面结构球铰支座施工技术*

王自伟，冀 智，高树栋，朱富力，庞少波，刘宇栋，马伟国，周雷蕾

(1.北京城建集团有限责任公司，北京 100088； 2.中国矿业大学，北京 100083)

1 工程概况

国家速滑馆位于北京市朝阳区奥林匹克公园西侧，国家网球中心南侧，总建筑面积8万m2，是北京2022年冬奥会的标志性场馆。冬奥会期间，国家速滑馆将承担速度滑冰项目的比赛和训练。冬奥会后，该场馆既可继续承办大型冰上比赛项目，又可成为市民冰上运动场所和集社会服务功能、企业运营为一体的运动健身场馆。外观效果如图1所示。

图1 国家速滑馆效果

支座是连接上部结构和下部结构的重要构件，可将上部结构的力传递至下部结构，协调或释放上部结构变形。建筑工程中的球铰支座来源于桥梁工程的桥梁支座，由于施工、温度、荷载变化等因素使支座及下部结构发生转角及位移的改变，球铰支座可有效防止下部结构有害应力的产生，从而提升工程质量。国家速滑馆主体结构为现浇钢筋混凝土结构，屋盖为大跨度马鞍形双向单层正交索网，支承于周圈钢结构环桁架上，环桁架与混凝土柱之间采用成品固定球铰支座连接。整体结构三维效果如图2所示。

图2 整体结构三维效果

2 施工重难点分析及解决措施

速滑馆钢结构环桁架重达8 500t，为椭圆形的马鞍形双曲面结构，在加工与施工过程中易出现一定的偏差，产生一部分变形。此外，速滑馆柔性屋面结构施工是国内首个大吨位、大面积的超大跨度单层正交索网同步张拉工程，大跨度马鞍形索网结构屋盖东西向跨度为124m，南北向跨度为198m，标高为15.800～33.800m，索体总长20 410m， 重达968t。目前无成熟的工程施工经验可借鉴，施工难度大，在索网张拉过程中不可避免地会产生一定的位移偏差。索网上铺设的屋面板重达1 000t， 进行屋面板施工时，若不及时采取措施，施工前后荷载的变化会使索网结构、环桁架产成一定的变形。上述施工过程很可能使环桁架产生过大变形，若直接将环桁架、球铰支座、混凝土柱连接固定在一起，所有变形均会进一步传递至主体结构，可能会对混凝土柱造成损害，严重影响工程质量。故在球铰支座施工时，需充分考虑环桁架结构所受荷载和变形，在屋面变形释放完成后，再焊牢支座，锁定环桁架。屋面结构变形控制主要有环桁架自身制造及安装过程中产生的变形及索网张拉和屋面荷载造成的变形。

2.1 环桁架位移控制

在国家速滑馆屋面结构中，环桁架为主要承重构件，其位移也直接影响到下部支座安装坐标的确定，故保证环桁架加工及施工过程精准度是工程重点。在钢桁架加工过程中，环桁架大口径钢管筒体采用专用钢管数控卷板机加工成型，将钢板先卷制成若干个钢管小节段，然后接长焊接至10m左右，最后进行内部加劲板焊接，筒体采用自动焊接或用自动焊接胎架在滚轮胎架上进行埋弧焊接，筒体内外侧纵向和环向焊缝均采用自动埋弧焊，并采取措施对外侧焊缝余高进行控制，使焊缝余高≤2mm。桁架弦杆分节对接，端面机加工采用机械动力装置进行端面端铣加工，通过对分段端面机进行加工，使分节两端面保持平行且与弦杆轴心线相互垂直，同时精确控制分段长度，在环桁架加工过程中最大限度地保证了加工精度。

施工过程中，环桁架采取“南北区吊装+东西区滑移”的施工总体安装方案。环桁架施工区域划分如图3所示。现场安装作业按构件类型严格实行三级检验制度，上道工序不合格不得进行下道工序的施工。构件组装时应确保零件厚度和外形尺寸已检验合格，在拼装平台上画出定位基准线并采用全站仪进行检测。拼装过程中应对杆件及节点定位精度进行复测。拼装完成后，对杆件及节点进行整体检测，保证整体拼装精度，节点中心偏差≤3mm，杆件中心与节点中心偏移≤3mm，桁架对角线长度偏差≤20mm，桁架节点处杆件轴线错位≤3mm。环桁架现场焊接包括大量的主弦杆对接和腹杆相贯线焊接，针对不同板厚、截面、坡口形式，预先考虑纵向变形和横向收缩余量。通过对环桁架制作和安装过程的误差控制，保证了环桁架施工整体精度。

图3 环桁架施工区域划分

2.2 索网张拉变形控制

屋盖索网规模大，施工过程复杂，拉索规格尺寸大、数量多、张拉力大，屋盖索网拉索为158根，拉索在提升张拉过程中对周边钢环梁产生很大的拉力，在整个屋盖索网成型过程中必须确保环桁架的稳定。屋面索网结构施工通过有限元分析软件MIDAS Gen进行了全过程仿真模拟，在模拟中，48个球铰支座无水平约束，即球铰支座能自由移动。整体结构位移如图4所示。

图4 整体结构位移(单位：mm)

施工过程中，选取环桁架和索网变形较大的位置作为位移监测点，实时观测施工过程中结构变形。其中环桁架、索网分别设置8，5个监测点，监测点布置如图5所示。考虑到加工和安装过程中的索长误差，提出了索头两端可调的解决方案。索头可调100mm，集中解决了由于索长不一致所导致的变形问题。

图5 位移监测点布置

2.3 屋面荷载控制

国家速滑馆屋面荷载主要包括马道和屋面板两部分。马道根据位置可分为2类：一类吊挂于拉索屋盖下方，另一类吊挂于环桁架下方。吊杆上端与索网以销轴连接，下端与马道焊接。马道两侧有栏杆，底面为钢板网。吊挂于环桁架下方的马道通过吊杆与环桁架下弦焊接。拉索屋盖张拉完成后使用2台25t汽车式起重机和2台曲臂车安装马道，先安装外圈后安装内圈。环桁架下方马道利用50t汽车式起重机在外围从北侧起顺时针安装。拉索屋盖下方马道安装顺序如图6所示。将马道本体、钢板网及栏杆拼成一体，以吊杆为界划分为小的吊装单元。用汽车式起重机先安装吊杆，然后再吊装马道单元。拉索屋盖下马道分段最大质量为1.5t，环桁架下方马道分段最大质量为1t。马道安装过程中，实时监测钢桁架滑移情况，保证施工安全。

图6 马道安装顺序

国家速滑馆屋面采用单元式安装，先预制单元板块成品，然后运送到现场安装，共1 080块单元式屋面板。由于屋面板质量大，为等效单元板块安装前后索网的变形，采用吊挂荷载施工技术，使施工前后索网所承受荷载一致。通过在IBC集装桶内注水的方式在索网节点进行配重，随着屋面系统施工的逐步推进适时调节配重，使索网在施工过程中几乎不发生形变，最大程度地保证钢桁架稳定性，为后续支座焊接、钢桁架锁死提供了有利条件。

3 支座位移计算

采用大型有限元软件MIDAS Gen进行施工仿真分析，有限元模型采用结构整体模型，边界条件与实际结构吻合。对整个施工过程进行了初步的施工全过程仿真分析，按照施工顺序对每个施工工序进行仿真计算，得到各状态的拉索索力、结构位移。所有拉索张拉完成且屋面施加配重后的状态为最终状态。

模拟过程包括环桁架施工完成、幕墙索张拉和安装、屋面索网系统张拉和安装、索网加配重。经过模拟计算，加完配重后，支座x向最大位移在轴网横向中间位置，约210mm；y向最大位移在轴网纵向中间位置，约180mm。 支座位移模拟结果如图7所示。

图7 支座位移模拟结果(单位：mm)

4 支座坐标验收与对比

通过采取一系列变形控制措施，在索网张拉、马道安装、吊挂荷载施工等工序完成后，进行支座坐标验收并与数值模拟计算得出的坐标值进行对照。除被马道遮挡无测量数据的支座坐标值外，支座实际坐标值在x向最大偏差为61mm，y向最大偏差为62mm，z向最大偏差为27mm。支座坐标验收值与数值模拟计算值偏差不大，满足设计要求，证明在施工中所采取的变形控制措施有效。

5 结语

详细介绍了国家速滑馆屋面球铰支座施工技术，由于劲性柱为主体承载结构，索网结构、钢桁架结构与劲性柱组成了层层传导的受力体系，为保证施工安全和工程质量，球铰支座施工必须为索网结构、钢桁架结构变形预留空间，避免索网和钢桁架变形传递至主体结构的混凝土柱上，使劲性柱承受过大应力。为充分指导施工过程和提高施工质量，对索网结构施工全过程进行仿真分析，得出每个关键步骤的索力、索网变形、球铰支座位移等理论参数值。在支座焊接牢固前，必须先进行马道、吊挂荷载、索力及索网位形和支座坐标验收，验收合格后，还需进行支座焊接人员、设备及焊接条件验收。待全部验收合格后，才能进行支座锁定。