2022世界杯主場館鋼結構卸載施工及監測技術研究*

張 健

(中國鐵建國際集團有限公司，北京 100039)

0 引言

隨著科技水平進步和體育事業不斷發展，近年來我國建設了多座綜合性的大型體育場館[1]。鋼結構具有自重小、強度高和韌性好等特點，是建造大跨度體育場的理想結構形式[2]。在大型體育場建設過程中，主體鋼結構的卸載施工不僅技術要求高、操作流程復雜，而且實施風險多、過程監控困難。卸載的結果不但直接影響屋面結構的后續施工，而且將直接決定體育場結構的整體安全性[3]。近年來我國在大型體育場鋼結構設計與施工領域取得了長遠的進步和發展[4]。

2022年卡塔爾世界杯主場館盧賽爾體育場，是中國企業首次以設計施工總承包商身份承建的世界杯體育場，也是近年來中國企業參與建設的最具國際影響力的項目之一。該體育場在項目規模、投資總額、實施難度、技術先進性和國際化水平等各項指標方面均遠超同類項目。體育場觀眾容量達92 100人，屋面索網跨度達274m，為目前世界最大跨度屋面索網結構。體育場主體鋼結構采用分階段分步卸載方式，對卸載點的結構形式和卸載順序進行優化，建立了系統化的應力、應變監測方案，為今后同類項目的實施積累了寶貴經驗。

1 工程概況

盧賽爾體育場位于卡塔爾首都多哈以北的盧賽爾新區，將承擔世界杯小組賽、半決賽、決賽和閉幕式等重大賽事活動。項目占地面積100萬m2，建筑面積19萬m2，是世界上規模最大和最先進的體育場之一[5]。

該項目由中國企業與卡塔爾當地企業組成緊密型聯營體，采用設計施工總承包模式共同承建，合同總額7.67億美元，是中國在海外承建的規模最大的專業體育場，也是卡塔爾國家“一號工程”[6]。項目效果如圖1所示。

圖1 盧賽爾體育場

2 結構形式

2.1 外部主體結構

體育場外部主體結構由屋面索網、受壓環梁、V形鋼結構柱(簡稱V柱)、V柱間幕墻桁架以及鋁板幕墻組成。

1)屋面索網 徑向魚尾式主索共48榀，環向拉索分為上、下2層，各8道。

2)受壓環梁 簡稱“壓環”，共有24榀，將主索的徑向拉力轉換為壓環內部的環向壓力。

3)V柱 共有48片，每兩片V柱的頂部在壓環底部相交后形成支承點，將壓環的豎向重力傳導至下部的24根巨型鋼筋混凝土柱。

4)V柱間幕墻桁架 主要作用為增強V柱間的整體性并連接幕墻。

5)幕墻體系 三角形單元中空鋁板幕墻，固定在V柱間幕墻桁架上。

2.2 內部主體結構

內部主體結構由看臺鋼結構、現澆鋼筋混凝土結構和預制鋼筋混凝土看臺結構組成。

1)看臺鋼結構 又稱“次鋼構”，主要目的為支撐上部看臺。

2)現澆鋼筋混凝土結構 主要由28個樓梯間核心筒及現澆鋼筋混凝土框架結構組成。

3)預制鋼筋混凝土看臺 所有看臺梁板均為模塊化的預制結構，現場吊裝拼接而成，方便賽后拆除改建。體育場主體結構如圖2所示。

圖2 盧賽爾體育場主體結構

3 體育場主體鋼結構施工方案

在卸載前，需首先完成體育場主體鋼結構的施工。本項目在鋼筋混凝土柱施工后，搭建24根鋼結構臨時支撐塔架(以下簡稱“塔架”)用于V柱和壓環的施工，卸載的主要工作即為壓環合龍后塔架與V柱的分離與移除。每片V柱在地面焊接完成后，選用大型履帶式起重機將V柱架設到鋼筋混凝土柱和塔架上，每兩片V柱的上部搭設在一個塔架上形成穩定受力體系。在V柱安裝完成后，選用大型履帶式起重機將地面拼裝好的壓環吊裝到V柱上進行焊接。壓環合龍后進行卸載并拆除塔架，最后進行屋面索網施工。體育場主體鋼結構施工如圖3所示。

圖3 主體鋼結構施工

4 卸載點結構形式及千斤頂布置

4.1 卸載點結構形式

每個塔架上與相鄰兩片V柱共有4個支撐點，即每片V柱2個支撐點，這些支撐點即為卸載點，其結構形式如圖4所示。

圖4 卸載點結構形式

支撐點的主要目的是為V柱提供徑向、環向與豎向的支撐反力。徑向是支撐點與球場中心的連線方向，環向是水平面內與徑向垂直的方向，豎向是重力方向。在豎向上，焊接在塔架上的支承梁限位柱承受支承梁荷載，支承梁又通過鋼墊板為焊接在V柱上的小短柱提供豎向反力；在環向和徑向上，焊接在支承梁上的側向擋板通過中間的鋼墊板為小短柱提供水平向反力。

整個支撐點在3個方向上為V柱提供支撐反力，而卸載過程就是用千斤頂抵消掉支撐反力后，抽出3個方向的鋼墊板，最后再將塔架起吊移除。

4.2 千斤頂布置

根據卸載點結構形式以及卸載應力計算結果，豎向卸載選用2臺150t液壓千斤頂，環向與徑向各選用50t液壓千斤頂。具體布置如圖5所示。

圖5 卸載千斤頂布置

5 分階段分步卸載

5.1 卸載階段劃分

體育場共有塔架24個，編號為T1～T24。由于主體鋼結構為左右、上下對稱結構，根據卸載模擬計算結果和應力變形分析，將所有塔架分為6個卸載階段，具體劃分如圖6所示。由于每個卸載階段需同時卸載4個塔架，因此需要4個卸載小組。

圖6 卸載階段劃分

5.2 各階段水平向卸載順序

在每個卸載階段內，4個臨時支撐塔架共16個卸載點需首先完成反力較小的水平向卸載，此水平向卸載分為徑向與環向。各階段水平向卸載依次完成后，再開始豎向卸載，每階段的16個卸載點需同步卸載。在每階段水平向卸載時，需要先完成卸載量較小的環向卸載，之后再進行徑向卸載。以徑向卸載為例，單個卸載點的卸載方法如下。

1)頂升徑向50t液壓千斤頂，推動小短柱在徑向位移，此時不銹鋼板和不銹鋼板下預設的PTFE膜會減小摩擦阻力。

2)取出徑向鋼墊板。

3)回落徑向千斤頂，完成徑向卸載。

徑向卸載方法如圖7所示，環向卸載與此類似。

圖7 徑向卸載示意

5.3 各階段豎向分步卸載順序

在Midas軟件中進行卸載應力、應變的模擬分析，將豎向卸載分3輪進行，分別為6，8，10～23mm。單個塔架的豎向卸載步驟如圖8所示。

圖8 單個塔架豎向卸載步驟

以第1輪卸載為例，單個卸載點的卸載方法如下。

1)同步頂升2臺豎向150t液壓千斤頂，使支承梁脫離豎向鋼墊板2mm。

2)取出20mm厚的鋼墊板，放入14mm厚的鋼墊板，確保豎向第1輪卸載值為6mm。

3)回落豎向千斤頂，完成豎向第1輪卸載6mm。

與此類似，第2輪卸載8mm時，可取出14mm厚的鋼墊板，放入6mm厚的鋼墊板。第3輪卸載時，可直接取出剩余鋼墊板，完成所有豎向卸載。

6 卸載監測

6.1 卸載監測方案分類

如何在大型體育場鋼結構的卸載施工中通過系統化的監測方案來保障結構安全，一直是卸載過程中最重要的環節[7]。本項目應用多種先進的監測工具，在卸載全過程中對各重要部位進行全面監測，并做如下分類。

1)按照監測部位 分為壓環、V柱、V柱球形支座、塔架和卸載點等。

2)按照監測目標 分為應力監測與應變監測。

3)按照監測時間 分為卸載前、中、后監測。

4)按照監測工具 分為全站儀、應力計、3D掃描儀和直尺等。

6.2 全站儀監測

全站儀主要用于監測壓環、V柱、V柱球形支座和塔架的位移，在卸載前、卸載中和卸載后都需進行，是卸載能否滿足理論要求的控制性指標。當全站儀測量數據不滿足要求時，參照應力監測數據進行下一步判斷。

6.2.1監測點布置

1)壓環監測點

由于卸載時塔架相鄰的兩榀壓環都會受影響，因此每個塔架卸載時需要測量相鄰的兩榀壓環。對于每個塔架，選擇壓環內下弦3個節點和相應的外下弦3個節點進行測量，即每個階段4組測量的點數為24個。可在體育場中心位置架設1臺全站儀測量內下弦節點，而外下弦節點可與V柱一同在場外測量，測點布置如圖9所示。

圖9 壓環內下弦監測點

2)V柱監測點

需要測量每個正在卸載的支撐塔架兩側共4片V柱，每片V柱都需要測量內弦和外弦的跨中節點。因此，每個卸載階段V柱的測量點數為：8×4=32個。

3)V柱球形支座監測點

需要測量每個正在卸載的支撐塔架兩側共2個支座。由于全站儀架設在2個支座中間后最多只能測量到每個支座的3個節點，所以每階段卸載需要測量的支座點數為：6×4=24個。

4)臨時支撐塔架監測點

需要測量每個正在卸載的塔架及相鄰的2個塔架，每個塔架測量1個點。所以每階段需要測量的塔架點數為：3×4=12個。

從場外進行測量的壓環外下弦、V柱、支座和塔架的監測點如圖10所示。

圖10 場外測量點

全站儀對所有點都需測量4次，分別為卸載前、豎向第1次卸載后、豎向第2次卸載后和全部卸載完成后，所有測點均采用貼片方式。每個階段所需全站儀數量為內場1臺、外場4臺，備用全站儀2臺。

6.2.2溫度修正

由于大型鋼結構變形對溫度較為敏感，而實際卸載和測量過程中的鋼材表面溫度很難做到完全相同，考慮到溫度差異可能引起的測量誤差，有必要在正式卸載前通過統計分析，得出溫度變化對鋼結構變化影響的規律，以對不同溫度下全站儀的測量數據進行修正[8]。選取第1階段卸載所涉及的8榀壓環的內下弦索孔位置進行5d連續觀測，時間選取早、中、晚不同時段，并用測溫儀測量鋼結構母材的表面溫度。

分析連續5d的測量數據，可知鋼材表面溫度最大差值約10℃/d，通過建立氣溫變化對鋼結構在三維方向的函數曲線，可知氣溫對環向和豎向的影響較小，對徑向的影響較大。

實際操作中，為了消除溫度影響，卸載監測需在每天天氣條件良好時的同一時段進行，對每次卸載時的鋼材表面溫度、氣溫和風向等做好記錄。一般每天卸載時鋼材表面溫度差值低于5℃，如果每次測量的鋼材表面溫度差異過大，則需對測量數據進行溫度修正。

6.3 應力計監測

應力計主要用于監測V柱和壓環重點位置的內部應力，作為卸載是否滿足要求的輔助指標。

6.3.1V柱頂部應力監測點布置

盧賽爾體育場鋼結構為對稱結構，結合結構易損性分析結果，同時考慮現場安裝進度及監測點可操作性，最終確定在1/4象限內14片V柱的頂部布設傳感器，分布在V柱的內弦、外弦靠近壓環處，具體在卸載千斤頂支承點與下節點中間部位，測點共計28個。考慮現場V柱內側面不易布設傳感器，故每個測點布置3個傳感器，傳感器數量共計：28×3=84個(見圖11)。

圖11 V柱頂部傳感器示意

6.3.2V柱中部應力監測點布置

根據現場實際情況與應力監測要求，選取1/4象限內的4片V柱布設傳感器，具體位置在桿件下節點端部以上0.5m位置處。測點共計8個，每個測點需要4個傳感器，共需：8×4=32個。

6.3.3壓環應力監測點布置

選取1/4象限內的2榀壓環布設傳感器。由于下弦桿操作空間受限制，因此只能布設在上弦桿上，具體位置在桿件跨中的內、外側處。同時，每榀壓環還需選擇2根內側斜腹桿布設，具體位置同樣在桿件跨中的內、外側處。因此，需布設測點8處，傳感器共計：8×2=16個。

6.3.4應力監測軟硬件系統

本項目選用MOS-6301式振弦式傳感器，該傳感器兩端通過螺栓固定在連接端頭上，連接端頭與被測構件焊接，其性能參數如表1所示。

表1 應力監測儀性能參數

傳感器每6～10min自動采集數據，通過有線電纜將數據傳輸至現場的解調儀，解調儀通過4G無線方式將數據傳輸回現場辦公室和設在北京的數據處理平臺，實現對數據的遠程監控和處理。設置好應力預警值后，數據平臺可實現應力超限自動報警。解調儀的主要作用為收集傳感器的數據，并進行無線傳輸。單個解調儀最多可采集40個傳感器的數據，根據傳感器的數量，現場需設置4臺解調儀。

6.4 高精度3D掃描儀監測

本項目創造性地將高精度3D激光掃描用于卸載過程監測，根據結構特點及監測要求，快速對卸載前后整個體育場的三維空間進行重構，利用Navisworks將3D掃描點云與BIM模型進行可視化比對，得到卸載前后任意節點的位移量，再選取重點部位與理論位移量進行對比后可迅速而準確地判斷是否超限[9]。

6.4.1主要軟硬件

主要硬件為掃描儀和計算機，主要軟件為SCENE，Midas，Revit和Navisworks，如表2所示。

表2 3D掃描儀監測所需軟硬件

6.4.2監測流程

1)卸載前 確定掃描在卸載中應用的總體方案，包括掃描次數、部位和流程，數據對比內容與方法，以及掃描時間安排等[10]；在外場對所有V柱進行掃描；利用SCENE將每個正V形的2榀V柱生成一個點云文件；選取1/4象限的V柱，將掃描數據與模型數據進行對比，檢驗是否具備卸載條件。

2)卸載中 如果位移或應力監測值超限，則對相關部位進行掃描，并與卸載前數據進行對比，幫助分析問題產生的原因；收集分析全站儀在卸載前、卸載中和卸載后的測量數據；確定各對比點位的理論位移值。

3)卸載后 在外場對所有V柱重新進行掃描；選取1/4象限，將卸載前和卸載后的3D掃描點云數據導入Navisworks中，同時與施工圖(IFC)模型進行對比，進而分析卸載前后V柱的實際位移，并與理論計算值進行對比，對卸載結果和設計假定進行驗證；在內場對全部索孔位置進行掃描；選取1/4象限的索孔，將3D掃描點云數據與卸載的模型數據進行對比，為下一步主索的施工提供指導；將3D掃描點云數據與全站儀測量數據進行對比，以相互驗證位形監測的可靠性；整理所有V柱與壓環索孔的掃描數據，方便后期查閱和問題處理。

6.4.3監測結果評價

對1/4象限內12榀V柱的60個節點進行分析，結合應力監測結果，確定其應力應變均滿足設計要求，卸載安全可靠。

為了檢查3D掃描進行卸載監測的實際精度，利用全站儀的監測結果對其進行驗證。分別在卸載前后利用全站儀對T3塔架左側V柱的5個外弦節點進行測量，并與3D掃描數據進行對比分析，其監測結果對比如表3所示。

表3 全站儀與3D掃描監測結果對比 mm

由此可知，3D掃描與全站儀監測結果的差值在±3mm以內，此誤差可完全滿足監測精度要求，充分證明了3D掃描進行卸載監測的可靠性。

6.5 直尺監測

直尺主要用于控制豎向卸載的位移量，確保每次豎向卸載在預定的限值內。由于環向和徑向的側向擋板與小短柱的距離是固定的，卸載過程中會存在個別擋板阻礙小短柱徑向位移的現象，因此徑向卸載前后需要利用直尺測量小短柱與側向擋板的徑向距離，必要時可將擋板割除。

7 結語

通過研究盧賽爾體育場主體鋼結構的卸載及監測方案，并在實施過程中檢驗和完善，可以得到以下結論。

1)大型世界杯體育場鋼結構的卸載應充分考慮卸載點的受力形式，對卸載千斤頂進行合理選型和布置。

2)卸載順序的確定和卸載方法的選擇，應充分考慮模擬計算和應力變形分析結果。

3)運用多種先進的監測工具，在卸載全過程中對各重要部位進行系統監測，是保障卸載成功的基本條件，監測點布設應能充分滿足數據采集需要并應具有一定的代表性。

4)3D掃描儀與全站儀相互結合用于卸載位移監測，將大大提高監測效率和數據精度，具有超越傳統監測方式的優越性。

盧賽爾體育場鋼結構卸載施工的成功實施，對各種先進監測技術的探索和實踐，不僅填補了我國在該領域的空白，更為今后同類項目的建設提供了寶貴經驗。