国家速滑馆大跨度马鞍形索结构吊挂荷载施工技术*

2022-10-10王自伟朱富力骆建坡陈利敏

施工技术(中英文) 2022年17期

王自伟，冀智，张雷，朱富力，骆建坡，陈利敏，徐浩

(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

国家速滑馆又称“冰丝带”，位于北京奥林匹克森林公园网球中心南侧，是北京2022年冬奥会的标志性场馆之一，也是北京冬奥会新建冰上竞技场馆。冬奥会期间，可进行冰球、冰壶、大道速滑等项目的比赛和训练，为综合性场馆[1-10]，如图1所示。冬奥会后，该场馆将成为继水立方、鸟巢后，又一个集社会服务功能和企业运营为一体的运动健身场馆。

图1 封顶后的国家速滑馆

国家速滑馆屋盖设计为单层双向正交马鞍形索网结构，索网东西向最大跨度124m，南北向最大跨度198m，标高为15.800～33.800m，承重索和稳定索都采用双索结构，共98根直径64mm的承重索，60根直径74mm的稳定索，索体总长约20 410m，总重约968t，是世界上类似结构中跨度和规模最大的索网结构[11]，如图2所示。

图2 国家速滑馆屋面索网结构

施工过程中，索网等柔性屋面结构刚度尚未形成，荷载及边界条件等都在不断发生变化，从初始态到施工完成态需经历刚性构件安装、索体就位、张拉、结构加载、增减临时支撑等多个环节，是包含众多复杂因素的非线性过程[12]。为保证施工质量，施工过程中应进行找形及变形控制。本文提出新型吊挂荷载施工技术，可进行索网结构竖向位移找形，应用于国家速滑馆大跨度柔性索网屋面施工中，可较好控制索网变形，保证工程质量。

2 工艺特点

国家速滑馆大跨度索网屋面结构较柔，一定自重加上屋面系统质量，施工前后一般会有较大下挠变形，特别是在索网中心位置更加明显。如不进行配重，而在索网上直接安装屋面板系统，则施工前后索网会发生较大变形，进而使屋面板间隙随安装进度不断发生变化，导致安装不紧密，可能造成屋面漏水等情况。采取吊挂荷载施工技术，使施工前后及施工过程中索网承受荷载几乎一样，屋面板系统在安装过程中，屋面板间几乎不发生相对位置变化，屋面板可连续进行各工序施工，加快施工速度，还能保证屋面完整性和密封性。

通过在索网节点的IBC集装桶内注水进行配重，随屋面系统施工工艺逐步推进适时调节配重，区域内屋面系统施工完毕后完全卸载，最大程度保证施工前、施工中及施工后的变形一致。吊挂荷载吊挂点设置在索夹底部吊挂耳板上，当索夹没有设计吊耳时，直接绕过索夹斜跨在索夹上，配套工法所增加的材料极少，最大程度节约成本。吊挂荷载采用的IBC集装桶由高分子量低压聚乙烯材料制成，卫生环保、耐酸抗碱、适用性强，可重复利用，使用成本低。采用水作为配重流体，来源及排放非常方便，同时配重大小可根据需要自由调节，成本低廉。

3 索网变形分析

施工前，使用ANSYS数值模拟软件，对索网进行变形分析。各种工况条件及相应的最大竖向位移如表1 所示。索网向上最大竖向位移为332mm，向下最大竖向位移为520mm，吊挂活荷载后最大竖向位移为向下356mm(见图3)。根据承重索和稳定索长度及变形分析得出，承重索拉索变化长度最大压缩量为206mm，最大伸长量为52mm，承重索上单块面板变化量向上1.79mm、向下7.1mm。稳定索拉索变化长度最大伸长量152mm，最大压缩量35mm，稳定索上单块面板变化量向上3.17mm、向下0.73mm，如表2，3所示。

表1 各工况下索网最大竖向位移 mm

表2 承重索变形分析

图3 稳定索和承重索的变形分析

4 施工流程与操作要点

吊挂荷载安装前，应根据工程情况确定吊挂荷载分布形式和荷载大小。分布方式为矩形、梅花形等，荷载大小根据设计屋面荷载进行确定。屋面下吊挂马道荷载应与吊挂荷载协调计算，最终确定吊挂点实际荷载，形成完整的吊挂荷载施工方案。每个节点悬挂荷载为11.6kN。该施工阶段结构外围相对封闭，不考虑风荷载作用下吊挂荷载摇晃振动的影响。

表3 稳定索变形分析

1)吊挂钢丝绳安装与提升当索网索夹安装完成、验收合格但未提升时，在索夹底部耳板位置穿挂钢丝绳，钢丝绳双股用作吊挂，总长度需大于张拉完成时吊挂点离地(混凝土结构面)高度的2倍，以便后期操作人员在地面即可解除吊挂钢丝绳。当索夹没有设计吊耳时，钢丝绳直接绕过索夹斜跨在索夹上。当吊挂荷载吊挂点设置在钢结构马道下部时，应设置在马道横梁上。吊挂点处使用柔性垫片保护钢丝绳。索网提升与吊挂钢丝绳安装同步进行，互相配合，所有穿挂点在钢丝绳安装后施工完成，按照索网施工要求进行提升和固定。

2)索网节点配重测试索网就位后选择合适的测试点组装IBC集装桶及外框，逐步完成吊装、固定、灌水、放水、拆卸等测试工作。测试过程中校核IBC集装桶内容量，以保证配重精确。吊装设备从上而下为25t汽车式起重机+曲臂车、吊挂钢丝、15t电子吊秤、9m兜绳、IBC集装桶外框、IBC集装桶、钢托盘等。

3)IBC集装桶安装及吊挂根据钢结构施工方案将索网结构下部马道及其吊挂钢丝绳安装就位。按照就近原则，分区域将IBC集装桶分散至每个吊挂点放置，必要时在每个吊挂点下设置1.5m×1.5m多层板保护下方台板，合理划分区域以便安装车辆行走。IBC集装桶就位后，安装IBC集装桶兜绳，截取9m长φ6钢丝绳，将兜绳穿入IBC集装桶外框，使用3个绳卡锁死兜绳，以确保吊装时钢丝绳不滑脱。按照每个吊挂点编号，分别在两端和两侧4个方向对称吊挂IBC集装桶。使用25t汽车式起重机和曲臂车配合吊挂IBC集装桶，距地500mm。将所有IBC集装桶吊挂就位后调整IBC集装桶位置，保证距地高度，并使用钢丝绳辅助定位，采用3m长钢丝绳对IBC集装桶牵引固定，保证IBC集装桶静止、不旋转、不晃动、无磨损情况发生，并设置防风措施。

4)IBC集装桶注水使用直径100mm水管，分别从两端开始，从两侧依次注水，然后分别从中间部位依次推进，并派专人监督，保证索网逐步加载。注满水后测量IBC集装桶与地面距离，离地高度尽量控制在300～500mm，同时按编号标记和记录。对每个吊点进行荷载测试，均达到11.6kN要求。

5)安全措施及日常维护吊挂完成后，在每个IBC集装桶上张贴安全标识。吊挂施工完成后，安排专人封闭管理整个吊挂区域，设置定型围挡或警戒线，并配置相应警戒标识。按照实际吊挂点数量的5%额外购置IBC集装桶，以便损坏后及时更换。专门设置1名管理人员和2名工人负责日常检查和维护，检查项目包括渗漏、水量、封闭情况等，并做好记录，发现问题立即汇报并进行调整。

6)拆除工作钢结构环桁架球铰支座锁定后，吊挂荷载根据屋面施工需要调整和拆除IBC集装桶。根据屋面单元板块安装部位，调整相应部位集装桶，即安装1个屋面单元板块拆除IBC集装桶。拆除时使用抽水泵将IBC集装桶内的水从上口抽出，根据需要再利用或排至污水井。同时利用叉车拆除IBC集装桶和吊挂钢丝绳并清出场地外。