國家速滑館大跨度馬鞍形索結(jié)構(gòu)吊掛荷載施工技術(shù)*

王自偉，冀 智，張 雷，朱富力，駱建坡，陳利敏，徐 浩

(1.北京城建集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100088； 2.中國礦業(yè)大學(xué)，北京 100083)

1 工程概況

國家速滑館又稱“冰絲帶”，位于北京奧林匹克森林公園網(wǎng)球中心南側(cè)，是北京2022年冬奧會(huì)的標(biāo)志性場館之一，也是北京冬奧會(huì)新建冰上競技場館。冬奧會(huì)期間，可進(jìn)行冰球、冰壺、大道速滑等項(xiàng)目的比賽和訓(xùn)練，為綜合性場館[1-10]，如圖1所示。冬奧會(huì)后，該場館將成為繼水立方、鳥巢后，又一個(gè)集社會(huì)服務(wù)功能和企業(yè)運(yùn)營為一體的運(yùn)動(dòng)健身場館。

圖1 封頂后的國家速滑館

國家速滑館屋蓋設(shè)計(jì)為單層雙向正交馬鞍形索網(wǎng)結(jié)構(gòu)，索網(wǎng)東西向最大跨度124m，南北向最大跨度198m，標(biāo)高為15.800～33.800m，承重索和穩(wěn)定索都采用雙索結(jié)構(gòu)，共98根直徑64mm的承重索，60根直徑74mm的穩(wěn)定索，索體總長約20 410m，總重約968t，是世界上類似結(jié)構(gòu)中跨度和規(guī)模最大的索網(wǎng)結(jié)構(gòu)[11]，如圖2所示。

圖2 國家速滑館屋面索網(wǎng)結(jié)構(gòu)

施工過程中，索網(wǎng)等柔性屋面結(jié)構(gòu)剛度尚未形成，荷載及邊界條件等都在不斷發(fā)生變化，從初始態(tài)到施工完成態(tài)需經(jīng)歷剛性構(gòu)件安裝、索體就位、張拉、結(jié)構(gòu)加載、增減臨時(shí)支撐等多個(gè)環(huán)節(jié)，是包含眾多復(fù)雜因素的非線性過程[12]。為保證施工質(zhì)量，施工過程中應(yīng)進(jìn)行找形及變形控制。本文提出新型吊掛荷載施工技術(shù)，可進(jìn)行索網(wǎng)結(jié)構(gòu)豎向位移找形，應(yīng)用于國家速滑館大跨度柔性索網(wǎng)屋面施工中，可較好控制索網(wǎng)變形，保證工程質(zhì)量。

2 工藝特點(diǎn)

國家速滑館大跨度索網(wǎng)屋面結(jié)構(gòu)較柔，一定自重加上屋面系統(tǒng)質(zhì)量，施工前后一般會(huì)有較大下?lián)献冃危貏e是在索網(wǎng)中心位置更加明顯。如不進(jìn)行配重，而在索網(wǎng)上直接安裝屋面板系統(tǒng)，則施工前后索網(wǎng)會(huì)發(fā)生較大變形，進(jìn)而使屋面板間隙隨安裝進(jìn)度不斷發(fā)生變化，導(dǎo)致安裝不緊密，可能造成屋面漏水等情況。采取吊掛荷載施工技術(shù)，使施工前后及施工過程中索網(wǎng)承受荷載幾乎一樣，屋面板系統(tǒng)在安裝過程中，屋面板間幾乎不發(fā)生相對(duì)位置變化，屋面板可連續(xù)進(jìn)行各工序施工，加快施工速度，還能保證屋面完整性和密封性。

通過在索網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的IBC集裝桶內(nèi)注水進(jìn)行配重，隨屋面系統(tǒng)施工工藝逐步推進(jìn)適時(shí)調(diào)節(jié)配重，區(qū)域內(nèi)屋面系統(tǒng)施工完畢后完全卸載，最大程度保證施工前、施工中及施工后的變形一致。吊掛荷載吊掛點(diǎn)設(shè)置在索夾底部吊掛耳板上，當(dāng)索夾沒有設(shè)計(jì)吊耳時(shí)，直接繞過索夾斜跨在索夾上，配套工法所增加的材料極少，最大程度節(jié)約成本。吊掛荷載采用的IBC集裝桶由高分子量低壓聚乙烯材料制成，衛(wèi)生環(huán)保、耐酸抗堿、適用性強(qiáng)，可重復(fù)利用，使用成本低。采用水作為配重流體，來源及排放非常方便，同時(shí)配重大小可根據(jù)需要自由調(diào)節(jié)，成本低廉。

3 索網(wǎng)變形分析

施工前，使用ANSYS數(shù)值模擬軟件，對(duì)索網(wǎng)進(jìn)行變形分析。各種工況條件及相應(yīng)的最大豎向位移如表1 所示。索網(wǎng)向上最大豎向位移為332mm，向下最大豎向位移為520mm，吊掛活荷載后最大豎向位移為向下356mm(見圖3)。根據(jù)承重索和穩(wěn)定索長度及變形分析得出，承重索拉索變化長度最大壓縮量為206mm，最大伸長量為52mm，承重索上單塊面板變化量向上1.79mm、向下7.1mm。穩(wěn)定索拉索變化長度最大伸長量152mm，最大壓縮量35mm，穩(wěn)定索上單塊面板變化量向上3.17mm、向下0.73mm，如表2，3所示。

表1 各工況下索網(wǎng)最大豎向位移 mm

表2 承重索變形分析

圖3 穩(wěn)定索和承重索的變形分析

4 施工流程與操作要點(diǎn)

吊掛荷載安裝前，應(yīng)根據(jù)工程情況確定吊掛荷載分布形式和荷載大小。分布方式為矩形、梅花形等，荷載大小根據(jù)設(shè)計(jì)屋面荷載進(jìn)行確定。屋面下吊掛馬道荷載應(yīng)與吊掛荷載協(xié)調(diào)計(jì)算，最終確定吊掛點(diǎn)實(shí)際荷載，形成完整的吊掛荷載施工方案。每個(gè)節(jié)點(diǎn)懸掛荷載為11.6kN。該施工階段結(jié)構(gòu)外圍相對(duì)封閉，不考慮風(fēng)荷載作用下吊掛荷載搖晃振動(dòng)的影響。

表3 穩(wěn)定索變形分析

1)吊掛鋼絲繩安裝與提升 當(dāng)索網(wǎng)索夾安裝完成、驗(yàn)收合格但未提升時(shí)，在索夾底部耳板位置穿掛鋼絲繩，鋼絲繩雙股用作吊掛，總長度需大于張拉完成時(shí)吊掛點(diǎn)離地(混凝土結(jié)構(gòu)面)高度的2倍，以便后期操作人員在地面即可解除吊掛鋼絲繩。當(dāng)索夾沒有設(shè)計(jì)吊耳時(shí)，鋼絲繩直接繞過索夾斜跨在索夾上。當(dāng)?shù)鯍旌奢d吊掛點(diǎn)設(shè)置在鋼結(jié)構(gòu)馬道下部時(shí)，應(yīng)設(shè)置在馬道橫梁上。吊掛點(diǎn)處使用柔性墊片保護(hù)鋼絲繩。索網(wǎng)提升與吊掛鋼絲繩安裝同步進(jìn)行，互相配合，所有穿掛點(diǎn)在鋼絲繩安裝后施工完成，按照索網(wǎng)施工要求進(jìn)行提升和固定。

2)索網(wǎng)節(jié)點(diǎn)配重測試 索網(wǎng)就位后選擇合適的測試點(diǎn)組裝IBC集裝桶及外框，逐步完成吊裝、固定、灌水、放水、拆卸等測試工作。測試過程中校核IBC集裝桶內(nèi)容量，以保證配重精確。吊裝設(shè)備從上而下為25t汽車式起重機(jī)+曲臂車、吊掛鋼絲、15t電子吊秤、9m兜繩、IBC集裝桶外框、IBC集裝桶、鋼托盤等。

3)IBC集裝桶安裝及吊掛 根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)施工方案將索網(wǎng)結(jié)構(gòu)下部馬道及其吊掛鋼絲繩安裝就位。按照就近原則，分區(qū)域?qū)BC集裝桶分散至每個(gè)吊掛點(diǎn)放置，必要時(shí)在每個(gè)吊掛點(diǎn)下設(shè)置1.5m×1.5m多層板保護(hù)下方臺(tái)板，合理劃分區(qū)域以便安裝車輛行走。IBC集裝桶就位后，安裝IBC集裝桶兜繩，截取9m長φ6鋼絲繩，將兜繩穿入IBC集裝桶外框，使用3個(gè)繩卡鎖死兜繩，以確保吊裝時(shí)鋼絲繩不滑脫。按照每個(gè)吊掛點(diǎn)編號(hào)，分別在兩端和兩側(cè)4個(gè)方向?qū)ΨQ吊掛IBC集裝桶。使用25t汽車式起重機(jī)和曲臂車配合吊掛IBC集裝桶，距地500mm。將所有IBC集裝桶吊掛就位后調(diào)整IBC集裝桶位置，保證距地高度，并使用鋼絲繩輔助定位，采用3m長鋼絲繩對(duì)IBC集裝桶牽引固定，保證IBC集裝桶靜止、不旋轉(zhuǎn)、不晃動(dòng)、無磨損情況發(fā)生，并設(shè)置防風(fēng)措施。

4)IBC集裝桶注水 使用直徑100mm水管，分別從兩端開始，從兩側(cè)依次注水，然后分別從中間部位依次推進(jìn)，并派專人監(jiān)督，保證索網(wǎng)逐步加載。注滿水后測量IBC集裝桶與地面距離，離地高度盡量控制在300～500mm，同時(shí)按編號(hào)標(biāo)記和記錄。對(duì)每個(gè)吊點(diǎn)進(jìn)行荷載測試，均達(dá)到11.6kN要求。

5)安全措施及日常維護(hù) 吊掛完成后，在每個(gè)IBC集裝桶上張貼安全標(biāo)識(shí)。吊掛施工完成后，安排專人封閉管理整個(gè)吊掛區(qū)域，設(shè)置定型圍擋或警戒線，并配置相應(yīng)警戒標(biāo)識(shí)。按照實(shí)際吊掛點(diǎn)數(shù)量的5%額外購置IBC集裝桶，以便損壞后及時(shí)更換。專門設(shè)置1名管理人員和2名工人負(fù)責(zé)日常檢查和維護(hù)，檢查項(xiàng)目包括滲漏、水量、封閉情況等，并做好記錄，發(fā)現(xiàn)問題立即匯報(bào)并進(jìn)行調(diào)整。

6)拆除工作 鋼結(jié)構(gòu)環(huán)桁架球鉸支座鎖定后，吊掛荷載根據(jù)屋面施工需要調(diào)整和拆除IBC集裝桶。根據(jù)屋面單元板塊安裝部位，調(diào)整相應(yīng)部位集裝桶，即安裝1個(gè)屋面單元板塊拆除IBC集裝桶。拆除時(shí)使用抽水泵將IBC集裝桶內(nèi)的水從上口抽出，根據(jù)需要再利用或排至污水井。同時(shí)利用叉車拆除IBC集裝桶和吊掛鋼絲繩并清出場地外。

5 結(jié)語

1)吊掛荷載施工技術(shù)在最大程度上消除大跨度索網(wǎng)結(jié)構(gòu)在施工前后及施工過程中變形不一致的問題，保證屋面板系統(tǒng)連續(xù)安裝，加快施工進(jìn)度，同時(shí)保證屋面板系統(tǒng)施工質(zhì)量。

2)施工技術(shù)配套成本低，具有良好的經(jīng)濟(jì)性。吊掛鋼絲繩穿掛在索夾底部耳板上或直接斜跨在索夾上，節(jié)約成本。IBC集裝桶經(jīng)濟(jì)環(huán)保、適用性強(qiáng)，采用水為配重荷載，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、排放方便。

3)荷載吊掛無工人高空作業(yè)，安全性強(qiáng)。

該施工技術(shù)成功應(yīng)用于國家速滑館屋面系統(tǒng)施工中，保證屋面系統(tǒng)安裝質(zhì)量，提高經(jīng)濟(jì)效益，加強(qiáng)施工安全性，推進(jìn)我國索網(wǎng)結(jié)構(gòu)等大跨度柔性屋面結(jié)構(gòu)找形施工技術(shù)的創(chuàng)新與應(yīng)用，對(duì)類似工程具有指導(dǎo)意義。