2022世界杯主場館結構精度控制措施和可調節點設計*

黃韜睿

(中國鐵建國際集團有限公司，北京 100039)

0 引言

體育場館通常采用空間大跨結構設計，鋼結構支撐體系加環形張力索桁結構是一種較為常用的結構組合。環形張力索桁結構用于支撐覆蓋體育場周邊看臺的罩棚結構，其一端固定在周邊支撐構件上(如受壓環梁或桁架)，另一端與內部環索連接，其上覆蓋膜材等高強輕質屋面覆蓋材料[1]。結構的豎向剛度基本上由拉索體系的預應力提供，受壓環的位形對成型狀態的索力有重要的影響[2]。同時，鋼結構支撐體系外立面通常會包覆幕墻結構，起到建筑外圍護結構或裝飾性結構的作用。鋼結構支撐體系以及附著在鋼結構上的幕墻連接件的加工、安裝精度直接影響到幕墻的掛裝質量和施工效率[3]。因此，嚴格控制每一分項工程的加工和安裝精度，對保障工程最終質量和性能至關重要。

通常影響鋼結構最終位形精度的因素主要有加工、拼裝偏差，施工、測量偏差，以及施工時的溫度影響[4]。另外，鋼結構施工往往涉及臨時支撐的設置和拆除卸載，臨時支撐在安裝階段承受鋼結構的自重及施工荷載，安裝完成后臨時支撐的卸載必然會引起鋼結構產生變形位移[5]。通過有限元軟件計算模擬卸載前后的位形偏差，采用預變形的方式可以抵消部分卸載對鋼結構位形的影響，但是理論分析與工程實踐往往存在偏差，預變形無法完全抵消卸載對位形的影響。在工期緊張且精度要求高的工程中，通過引入可調連接節點的設計來抵消前道工序的誤差就尤為必要。

本文以卡塔爾世界杯盧賽爾體育場為例，通過施工過程模擬分析，評估了鋼結構和索桁結構在施工過程中的位形偏差，分析了每道工序的可能誤差來源，介紹了鋼結構、索桁結構以及膜結構的精度控制措施和可調節點的調差機制。

1 工程概況

盧賽爾體育場是卡塔爾2022世界杯的主體育場，將承辦小組賽、閉幕式、決賽及半決賽等重大賽事活動，觀眾總容量約92 100人。體育場外觀為一金碗，由金色的鋁板幕墻實現。屋蓋為馬鞍形的白色膜結構，東西高、南北低(見圖1a)，平面投影為直徑309m的正圓。外立面主體結構由主體鋼結構和環形張力索桁結構組成。主體鋼結構由24對V形鋼結構柱(簡稱V柱)支撐受壓環，V柱由24根矩形混凝土結構柱支撐，之間由球形支座連接，實現鉸接。受壓環連接48榀魚腹式索桁架構成的主索系，索桁架懸挑長度達76m(見圖1b)。V柱之間填充連接幕墻的次鋼構桁架，主索系之上是連接膜結構的水平索網和拱桿系統，之間由上撐桿相連(見圖1c)。

圖1 盧賽爾體育場建筑及結構示意

2 施工過程模擬分析及誤差控制

2.1 施工工序

根據本工程結構特征的定性分析，施工順序可初步定義為V柱→壓環→拉索→屋面次結構→膜結構。然后根據一系列的建模定量分析，綜合考慮工期、加工方案、拼裝轉運方案、場地布置、穿插施工方案等因素[6]，將整個體育場的施工分為以下8個關鍵施工階段： ①V柱安裝階段； ②壓環安裝階段； ③正V形幕墻次鋼構桁架安裝階段； ④支撐架拆除階段； ⑤倒V形幕墻次鋼構桁架安裝階段； ⑥屋面主索安裝階段； ⑦屋面次索及拱桿安裝階段； ⑧屋面膜結構安裝階段。

2.2 施工過程模擬分析方法

本項目密切結合施工方案，對鋼結構施工采用正裝迭代法、屋蓋索網和膜結構施工采用逆裝迭代法進行了精細的施工過程分析[7]，獲得各關鍵階段的結構變形預調值，評估各結構構件受力特性，在施工過程中對主體結構進行分階段驗收和施工精度控制。

施工階段分析是靜力非線性分析類型，對于前5個階段，采用Midas Gen有限元分析軟件進行，考慮分析過程中的各種結構變化(包括結構剛度、質量、荷載，以及邊界條件)，對每個定義的施工階段分析一次，每次分析都在上一次分析的結果基礎上進行。同時在階段分析過程中，Midas Gen會根據階段定義情況，判斷哪些對象是新增的，哪些對象是移除的。對于新增的對象，其剛度和質量會以初始無應力狀態添加到結構中去；對于移除的對象，其剛度和質量會立刻從結構中移除。對于后3個階段，采用ANSYS通用有限元分析軟件進行，通過生死單元來逆向模擬主索和次索的安裝順序。

2.3 模擬結果分析

依照上述的施工階段劃分和模擬方法進行模擬后發現，V柱、壓環在階段1～5由于受自重作用會不斷向場外、向下偏移。而在階段6主索張拉之后，V柱、壓環在索網拉力的作用下，會向場內、向上偏移。位形敏感性自壓環上弦向V柱以下遞減。最終位形與鋼結構安裝之初相比，整體會向下偏移，壓環會向場內收縮，而V柱會向場外拱出。以正東西向軸線的截面為例，外立面7個節點(見圖2)的徑向、環向、豎向在各階段的偏移量如表1所示。

圖2 節點編號

表1 各節點各階段偏移量 mm

從表1可以看出，第1階段V柱受自重作用變形較大，面外剛度較弱，需進行預變形控制位形。

1)考慮第1階段V柱通過預變形抵消自重導致的位形偏移，將第2～8階段的偏移量累加，用來評估幕墻的安裝時機和連接件的設計調節量。由表1可知，在第6階段之后，壓環的偏移量相比V柱要大很多。幕墻連接件的調節量考慮到經濟性，不宜設計過大。V柱部分的幕墻，可以選擇在第6階段完成之前安裝，連接件的調節量可以考慮V柱部分的位形偏移量疊加鋼結構的施工偏差以及幕墻的加工偏差量。而壓環部分的幕墻，最好在主索張拉完成之后安裝。

2)壓環合龍后，幕墻次鋼構對V柱和壓環的位形影響很小。而主索張拉就位后，鋼構加索桁架的主體結構成型，剛度較大，后續次結構的安裝對主體結構的影響較小。

2.4 各工序精度控制措施

本工程要控制鋼結構的位形偏差、索桁架結構的節點位形偏差、拱桿的位形偏差，以及主、次索索力誤差在允許的范圍內，最終保證幕墻順利準確掛裝，屋面膜順利鋪裝并達到設計膜面應力。依據模擬分析得到的各階段的理論位形，分階段進行控制。原則上，后一階段的施工要對前一階段的施工誤差進行糾偏，盡量消除前道工序誤差，做好本道工序的精度控制。

1)第1階段，48個V柱依次安裝就位于支座和臨時支撐塔架上(見圖3)。此過程的分析結果顯示，V柱面外剛度較小，同時受臨時支撐塔架剛度的影響，單榀V柱安裝時，自重作用下，V柱跨中最大變形74mm。同一柱腳的2榀V柱，以及同一支撐塔架上的2榀V柱，后裝的一榀會對前一榀造成進一步變形和偏移[8]。

圖3 第1階段，48個V柱依次安裝

為盡可能抵消此步的變形，V柱需要進行拼裝預變形。V柱的預變形值需要與實際的安裝順序進行匹配。通過將計算模型中V柱各節點的理論變形值進行等值反向獲得。同時為了保證下一步壓環牛腿與V柱頂部順利對接，以V柱頂部的位形作為驗收控制點，并以計算模型中各V柱安裝時的理論變形值疊加初始設計坐標作為驗收依據。

2)第2階段，壓環安裝。整個壓環分24段吊裝，由于壓環的最大周長近1 000m，溫度效應很大[9]，經計算分析，設置了4段壓環合龍段(見圖4)。第1段壓環與V柱頂部對接施焊后，起重機松鉤并吊裝第2段。第2段與V柱頂部和第1段壓環對接施焊后，起重機松鉤并吊裝第3段，直至合龍段。此過程的分析結果顯示，第1段壓環就位松鉤后，壓環頂端會向場外偏移10mm，第2段壓環就位松鉤后，亦會向場外偏移9mm，并且帶動第1段壓環繼續偏移。為保障壓環的最終精度，盡可能減小壓環偏差對索的影響，在壓環就位過程中，以模擬分析得到的壓環上徑向索耳板的耳孔中心坐標為驗收依據。

圖4 第2階段，24段壓環吊裝

3)第3階段，由于V柱的環向剛度較弱，考慮到前2階段的拼裝、安裝、測量等誤差的綜合影響，宜在卸載之前安裝不受臨時支撐架干擾的正V形幕墻次鋼構桁架，增加V柱環向剛度，提高卸載階段的結構安全性(見圖5)。根據模擬分析結果，幕墻次鋼構桁架的安裝對V柱和壓環的位形影響僅在1mm內，可忽略不計。對于安裝順序，可根據現場需求調整。

圖5 第3階段，安裝正V形幕墻次鋼構

幕墻次鋼構桁架的精度將直接影響幕墻連接件生根的精度，以及后續幕墻的安裝精度。為保障次鋼構桁架的安裝精度，并抵消一部分V柱和壓環的偏差，在次鋼構桁架拼裝階段，即要考慮V柱和壓環在現階段的實際位形。將測量得到的桁架與V柱、壓環連接端的實際坐標代入模型，維持球形節點在這一階段的理論坐標，調整桁架與球形節點、V柱、壓環的連接角度，以此為依據進行拼裝，并以球形節點在這一階段的理論坐標作為幕墻次鋼構桁架的驗收依據。

4)第4階段，卸載并拆除臨時支撐塔架。主要根據分析計算，確定合理的卸載順序，出于安全考慮，對卸載階段進行位形監控，不做位形控制。

5)第5階段，安裝倒V形幕墻次鋼構桁架。此階段倒V形幕墻次鋼構桁架對主體鋼結構的位形影響在1mm左右，可忽略。因此，該階段的施工順序和精度控制原則與第3階段一致。本階段結束后，鋼結構施工完成。

6)第6階段，安裝張拉主索系(見圖6)。在此階段開始之前，需要對壓環的徑向索耳板進行測量，并與第5階段的理論位形進行比較，得到壓環的實際偏差值。依據此偏差值，在正式張拉之前，對拉索CS1，CS2的長度進行調整，目標是維持交叉節點板的理論位置不變，將鋼結構的誤差控制在主索桁架的第6段之內，保證交叉節點至上下環索的5段不受鋼結構誤差的影響。

圖6 主索桁架結構

在計算索長調節量時，以柱面坐標系為基準，體育場中心為原點，耳孔中心到體育場中心的直線投影距離為R，環向偏差值為ΔC，環向偏轉角度為Δθ=ΔC/R。根據實測的偏差數據，壓環上全部96個耳板，耳孔最大環向偏差為32mm，相應軸線R=135 150mm，環向偏差對索長和索桁架位形的影響可以忽略不計，僅考慮徑向偏差ΔR和豎向偏差ΔZ的影響(見圖7)。當ΔR為正時，說明耳孔相對于理論位形向場外偏差，當ΔZ為正時，說明耳孔相對于理論位形豎直向上偏差。理論上在更新了索長之后，索力要根據力的方向的變化一并更新，以保證CS1和CS2的新索力合力F′12能夠與CS3和CS4的設計索力合力F34相平衡。而實測最大的ΔR為50mm，實測最大的ΔZ為-42mm，相比CS1和CS2的索長14m和16m的量級，偏角β可忽略，可視為CS1和CS2索長調節量沿原設計方向伸長或縮短，索力維持不變。

圖7 索長調差示意

CS1和CS2的索長調節量可做如下簡化計算(見圖8):

ΔLCS1=ΔRcosα+ΔZsinα

ΔLCS2=ΔRcosα-ΔZsinα

圖8 索長調節簡化計算

7)第7階段，安裝膜索、拱桿等屋面次結構。經過上一階段精確調節CS1和CS2的索長，理論上鋼結構的施工誤差即被控制在主索桁架第6段，交叉節點板至拉環的5段索桁架的誤差來源，僅為索體與索夾的加工定位偏差和現場的裝配偏差，依靠索體和拱桿的可調節點的調節量即可消化。而主索桁架第6段的拱桿，宜在第6階段主索張拉完成并復測壓環的位形后，利用次索施工的時間差，重新放樣加工，保障最后一段拱桿能夠順利安裝。

圖9 幕墻連接件

8)第8階段，膜材安裝。至此到了屋面施工的最后一步，只能依靠膜材的節點調節量去消化前道工序的偏差。相應的，與壓環相連的節點，調節量要設置的盡量大一些，去消化控制在主索桁架第6段的鋼結構偏差。而交叉節點板以內的部分，考慮到經濟性，調節量可設置的相對小一些。

3 可調節點設計

3.1 幕墻連接件

本工程幕墻件的設計，分第1連接組件、第2連接組件和夾板組件3部分。第1連接組件為工字型鋼，中間布置柱狀節點，四角開螺栓孔，預先焊接在鋼結構上。第2連接組件為角鋼，中間對應第1連接組件的柱狀節點位置開通孔，通孔半徑大于柱狀節點半徑，即為第1連接組件工字鋼腹板平面內的x，y方向上的可調節量。通孔四周開6個螺栓孔，與夾板組件通過螺栓連接。四角對應第1連接組件螺栓孔的位置同樣開孔，螺栓孔直徑大于螺栓直徑，與可調節量對應(見圖9a, 9b)。第2連接組件預先與幕墻栓接組裝，在幕墻的安裝過程中，與第1連接組件通過4個角點的螺栓和夾板組件連接固定(見圖9c)。之后通過夾板組件，分別鎖定x，y方向上的調節量，最終固定幕墻就位(見圖9d, 9e)。第1連接組件與第2連接組件可呈夾角固定，以此獲得面外偏轉的調節量(見圖9f)。

3.2 索體錨具

本工程的索長度均要求至少可調1倍的直徑。索體錨具一端為不可調節，索體直接與U形接頭的錨杯澆鑄連接。另一端為可調節端，索體與錐形錨杯澆鑄連接，錐形錨杯通過調節螺桿與U形接頭連接。通過調節螺桿于接頭和錨杯的進深，達到調節索長的目的(見圖10)。

圖10 索體錨具可調節端

3.3 拱腳節點

為消除可能存在的主、次索系加工、標記、施工、測量等誤差對拱桿就位造成的影響，將拱腳節點設計為可調節。在環索索夾、次索節點、壓環與拱桿相連的單耳板上，布置向心關節軸承，通過銷軸與拱腳雙耳板相連，軸承提供的轉角，可以消除索夾、次索節點、壓環上的單耳板可能存在的偏轉，保障拱桿垂直就位。拱腳節點與拱桿對接截面為工字鋼，通過雙夾板和螺栓連接。拱桿一側的工字鋼開長圓孔，以此獲得拱桿沿徑向長度的可調節量(見圖11)。

圖11 拱腳節點

3.4 膜節點

膜驗收以膜面張拉應力控制在(1±15%)設計應力內為依據，同時兼顧排水要求。膜面應力是否能夠滿足要求除了受膜自身加工精度影響外，還受邊界條件的影響。整個屋面膜的脊線連接在拱桿上，谷線連接在次索系上。拱桿的拱腳節點的調節量，只能輔助拱桿順利連接到節點上，無法對節點的位形進行糾偏。而次索的預應力如果不滿足精度要求，也會影響膜的張力。因此，膜節點設計為可調非常必要，且可調節量要能覆蓋膜自身的加工偏差、拱桿和次索的施工偏差、以及環索和壓環的偏差。膜與次索的連接節點，通過U形夾將次索與轉換梁相連，通過調節螺桿將轉換梁與膜封邊鋁型材相連，通過改變調節螺桿于轉換梁的進深，達到調節膜節點長短的目的(見圖12a)。膜與拱桿的連接節點，通過調節螺桿將拱桿頂部的連接板與膜封邊鋁型材相連，通過改變調節螺桿于連接板的進深，達到調節節點的目的(見圖12b)。

圖12 膜節點

4 結語

采用Midas Gen和ANSYS軟件對卡塔爾盧賽爾體育場主體結構進行設計，嚴格控制施工精度，合理安排施工工序。采用“分階段精度控制，誤差分段化處理”的策略，配合可調節點的設計，避免誤差累積，保障了膜結構和幕墻結構順利安裝。通過本工程設計實踐可得到如下結論。

1)鋼結構與索結構組合的大跨復雜結構，施工過程中變形較大，需通過全過程的仿真模擬分析合理確定施工順序，便于安全與質量的控制。

2)在仿真分析的基礎上，分工序分階段對施工精度進行控制，將可能產生的施工偏差分段化處理，避免誤差累積，有利于最終實現設計目標。

3)仿真分析與實際施工難免會存在偏差，對于工期緊、精度要求高的工程，在設計時要充分考慮施工過程中的容差機制，如可調節的節點設計。

4)對于魚腹式索桁架，通過調節“魚尾”的索長來消化鋼結構的偏差，將鋼結構的偏差截留在交叉節點板以外，可以最大限度地減小鋼結構偏差對索結構的影響。