近年来，以举办重大赛事、国际博览会为契机，国内大跨空间钢结构得到了蓬勃发展，不少新型空间结构形式涌现，空间折板网格结构即为典型的代表之一。由于空间折板网格结构具有十分出色的建筑表现力，在深圳大运会体育中心体育场[1]、沈阳文化艺术中心[2]、济青高铁青岛红岛站[3]、浙江音乐学院体育馆[4]、张家界荷花机场新航站楼[5]、黄石体育馆[6]等工程中得到了广泛的应用，诸多学者也开展了一系列有针对性的研究[7-10]。郭彦林等[1]建立了深圳大运会体育中心体育场1∶10缩尺试验模型，并基于破坏性加载试验得到了荷载-位移曲线，研究了模型最终破坏部位及承载力大小。赵宪忠等[2]基于沈阳文化艺术中心项目进行了“恒载+活载+短轴向风荷载”分级加载模型试验，认为单层折板空间网格结构的设计方案有良好的抗连续性倒塌能力。李当生、徐凌峰、郑春林等[3-5]分别基于各自工程项目对空间折板结构形式、主要设计荷载取值、构件选择及节点形式等设计情况进行说明，对结构静动力变形及受力特性、屈曲分析及整体稳定性分析等展开了具体研究。刘峰成、周学军、崔皓等[8-10]对不同项目的钢罩棚结构设计思路及优化算法展开了探索实践。综合其他已有研究[11-15]可见，当前成果集中在模型试验、结构设计、数值计算、施工技术等方面，而对新型安装技术的研究则鲜有提及。由于空间折板网格结构形式复杂，目前多采用高空原位安装。但这一方法临时支撑胎架的措施量大、高空作业多、焊接质量控制难，因此，亟需对空间折板网格结构的安装方法及工艺展开深入研究，以满足工程施工需求。

广州新足球场钢罩棚为超大悬挑巨型带肋空间折板网格结构。以此项目为依托，对足球场钢罩棚的结构形式及特点进行分析。为规避常规安装方法的不足，先是提出了空间钢结构竖转法安装的新思路。然后，对负角度竖转法的关键因素进行逐一剖析，提出了两种初判可行的方案，并对其关键技术指标进行比选。最后，建立了一次竖转到位方案的数值计算模型，对施工过程工况的变形及内力进行分析。作为大跨空间钢结构新型安装技术的应用探索，期望为后续类似钢结构项目的安装方案选择及实施提供一定的参考。

1、项目概况

1.1工程概况

广州新足球场项目位于广州市番禺区钟村，项目占地面积15.09万m2,总建筑面积53.43万m2,是国内第一个球场与商业结合，场心下设地下室(地下2层、局部3层)的体育文化综合体项目。项目建成后将是一座规模大、档次高、配套全、科技含量高的国际FIFA标准专业足球场(图1)。

图1足球场三维效果图

1.2钢罩棚概况

钢罩棚平面约呈椭圆形，南北方向长约325m,东西方向宽约287m。最大悬挑长度约为91m,结构最高点标高88.6m。钢罩棚自下而上分别由3层花瓣状体块构成，每层花瓣含12片菱形单元，共计36片花瓣。结构构件沿每层花瓣轮廓线布置，单个网格尺寸为40～64m,整体形成巨型带肋空间折板网格结构。其中，“带肋”指设置径向和内环、中环加强桁架；“折板”指结构杆件沿屋面形状峰点和谷点连线布置(图2、3),主要杆件截面尺寸见表1。

图2广州新足球场钢罩棚结构

表1主要杆件截面

钢罩棚整体设计为落地壳体，上拉力环处通过设置摇摆柱与顶层混凝土看台铰接，以减小构件内力与支座反力。同时，对水平向构件设置肋杆以增强壳体竖向刚度，并在中部开口，设置内压环桁架以保证力流连续，设置外压环桁架以解决折板环向受力不均的问题。

广州新足球场钢罩棚主要有如下特点：结构悬挑超长、高度超高、重量超重；箱形构件交汇节点多、尺寸大、互不共面；自重及施工荷载作用下结构自身的变形量大。

图3钢罩棚主要杆件

2、竖转法安装思路

大跨度场馆钢罩棚的常用安装方法有：高空原位安装、分条/分块安装、高空滑移、双机/多机抬吊、整体提升/顶升等。以上几种常规施工方法如高空原位安装、高空滑移等方法在广州新足球场项目中虽然具备应用条件，但在方案评估过程中均发现存在措施量大、高空作业多、工期不可控等问题。另外，施工期间强对流天气多，日间温度高、昼夜温差大，对施工影响不容小觑。如何更好地规避这些问题，提出适用于空间折板网格结构的安装方法是研究的关键。

2.1桥梁竖转法

桥梁转体施工是将桥梁结构在非设计轴线位置制作成型后通过转体就位的一种架桥工艺。根据转动平面不同，可分为平转法及竖转法。其中，竖转法对于施工场地受限的高山峡谷、自然保护区等有明显优势，且对于起重吊装设备要求低，可节约大量支撑胎架，广泛应用于肋拱桥[16-17]。近年来竖转法得到了巨大发展，大瑞铁路澜沧江特大桥[18]采用的“二次竖转”是竖转法的又一大突破。

图4整体安装设想

图5竖转单元划分

2.2空间钢结构新型竖转法

在参考桥梁竖转法施工工艺的基础上，将“低位拼装、竖转到位、合拢卸载”的思路拓展至大跨度空间钢结构领域。对于广州新足球场项目，具体可分为以下4个步骤安装(图4):1)步骤1,沿看台混凝土结构对屋盖罩棚进行卧拼(立面罩棚同步逆时针原位安装);2)步骤2,布置提升架、动力系统及竖转铰；3)步骤3,拼装完成后，采用提拉装置将屋盖罩棚竖转到位；4)步骤4,剩余杆件采用高空散装后，钢罩棚合拢后进行体系转换。

竖转法的主要优势如下：

(1)节约胎架用量：将结构单元沿看台结构进行低空卧拼，大幅降低了卧拼胎架的高度。相对于原位安装，粗略估算至少可节约1 500t胎架量。

(2)提高安装效率：竖转结构单元重量大，各单元间需要嵌补的杆件数量少，安装工效高。

(3)减少高空吊装、焊接作业：在看台结构上进行卧拼施工，采用履带吊及塔吊配合安装大大减少了构件分段，进度更快，中低空作业更安全。

(4)有利于工期控制：看台混凝土主体结构施工至一定高度后可安排钢罩棚插入施工，即提前安装卧拼胎架、提升架以及竖转结构单元的部分构件。屋盖罩棚卧拼安装、竖转到位时间短。相较于高空原位安装方案，可节约至少2个月工期。

(5)由于转体过程时间短，强对流天气对竖转单元施工的影响相对较小。

3、竖转体系分析

竖转体系设计的核心是竖转单元分组、竖转路径选择、提升架的合理布置。另外，在施工过程中还应保证结构稳定及体系的顺利转换。

3.1竖转单元分组

钢罩棚构件截面大、杆件长、自重大，竖转单元的选择对构件的变形及内力影响明显。结合杆件布置平面(图5(a)),可按单榀、两榀、三榀、单组(菱形)花瓣、组合花瓣等形式进行单元分组。

具体地，若按照单榀或单组花瓣竖转，则平面外稳定性差、单元分组多、施工组织难；若按照两榀分组竖转，则单元呈现出左右不对称、抗扭刚度不足、嵌补杆件多且组拼精度控制难度大；若按照组合花瓣竖转，则单元重量重，对动力系统及转铰要求高。按三榀分组形式，设置3类竖转单元：A类、B类、C类，如图5(b)所示，具有如下优点：单元数量少、单元间嵌补杆件数量少、安装效率高且结构基本对称，竖转过程整体稳定性好。

3.2竖转路径选择

根据设计图纸，A类、B类、C类单元后端的左、右节点标高相同，中间节点为屋面形状的峰点或谷点(A类、C类峰点，B类谷点),故宜优先考虑按照左、右节点连线为转轴的轴线。由图6(a)可见，当仅设置左、右两个转铰节点时，由于中间节点处的杆件受力类似悬挑结构，其端部变形量极大，对结构线型的控制不利，故宜对中间节点进行处理。处理方式有3种：一是对中间节点进行局部杆件转换，形成三点同心共轴；二是在中间节点布置后提升架，同时兼顾节点水平及竖向滑移；三是对中间节点上的杆件局部先行断开，减小悬挑长度，后期再对断开的杆件进行嵌补。根据钢罩棚实际情况，如采用三点同心共轴方案，则需要对局部杆件进行加强处理。另外，由于竖转过程节点亦存在不同程度的变形，三点协同转动难度极大，故可考虑后两种处理方式，其对应的变形计算结果见图6(b)、(c)。

图6设计线型处单元自重作用下的变形图/mm

转轴的空间布置位置可选于摇摆柱底或摇摆柱顶。以设置2个转铰+后提升架为例，可选择2种类型：1)类型1,当布置于摇摆柱底时，由于无可用支点，后部设置3个提升架(后端左、右节点形成虚拟转轴),见图7(a);2)类型2,当布置于摇摆柱顶的节点区范围内，可考虑立面罩棚先成环后，以此为基点转动，见图7(b)。如按图7(b)设置实体转铰，应遵循安全稳定、转动灵活、便于安装等原则。临时转铰节点细部构造图见图8。

图7转轴空间布置简图

图8转铰节点细部构造图

按图8设置的转铰为永临结合铰，其详细作业步骤可参见文献[19-20]。当所有单元竖转到位后，进行销轴周边板件的整体封装。

3.3提升架布置

提升架的主要布置原则为：1)应布置在构件几何重心前侧(A类、B类、C类单元重心位置以红点标识于图9),由此可见提升架仅可布置于场心或低看台区；2)尽可能布置在看台高位处，以减少提升架高度，即当场心与低看台区均可布置时，优先选择布置于低看台区；3)由于竖转角度越大，则其对应的滑移路径越长(图10),为避免提升架与结构杆件发生碰撞，低区看台可布置提升架的空间则越小(表2),故应尽可能减小竖转角度，当转体角度大至一定程度时，提升架仅可布置于场心。此时钢绞线无法实现垂直提拉，施工过程中不可避免地产生一定的水平力，故需考虑相应的控制措施。

根据以上论述，提出两种初步可行的竖转法方案，具体如下：

表2

(1)方案1:

“转轴”在摇摆柱底，由于后部不具备设铰条件，故均需布置提拉点。先在看台低位竖转，竖转过程中拉索具有水平及竖向的移动功能，确保提拉过程中拉索为垂直状态。竖转至到位状态后，进行空间整体提升至设计标高，见图11(a)。

(2)方案2:

“转轴”在摇摆柱顶，由于整体加固处理难度大，结合钢罩棚受力情况，先将立面罩棚成环，再将竖转铰布置于上拉力环杆件节点区。值得关注的是，由于拉索与水平方向呈一定角度，实际施工过程存在一定的水平力。在施工过程中，对称单元按同步竖转考虑，并通过背拉钢丝绳消除作用在前提升架上的水平力，见图11(b)。针对提出的2个方案进行指标比选，汇总至表3。

图9提升架布置空间示意

图10竖转滑移轨迹图

由表3可见，方案2在提升架措施量、嵌补杆件数量、单元定位及组拼、檩条安装等方面更有优势。

表3方案指标对比

图11方案剖面图

4、竖转法施工过程计算分析

采用软件MIDAS Gen建立方案2的数值模型，对竖转体系的变形及受力进行分析。模型由7 522个节点和8 314个单元组成，钢罩棚主结构选用钢材型号为Q420B,均采用梁单元模拟。对于摇摆柱等仅受轴向作用力的杆件，需进行梁端约束释放。

4.1竖转法施工过程工况分析

竖转法施工过程最主要的分析工况为不同竖转角度、卸载后的计算结果，见图12、13。结合图12、13可见：

图12不同竖转角度下计算曲线图

(1)单元竖转至水平状态下时竖向变形达到极大值。不同竖转角度下的最大竖向变形均位于最长杆件位置处。

(2)竖转过程中，各个单元最大拉压应力值呈逐步增长趋势，其最大拉应力值位于与拉杆直接接触的竖杆处；最大压应力值为与最大拉应力杆相连的斜向腹杆处。竖转各工况下最大拉应力为164.8MPa,最大压应力为162.7MPa;卸载工况下最大拉应力为153.1MPa,最大压应力为116.1MPa。

(3)A类、C类单元完全对称、提拉点对称，拉索轴力值相等；B类单元不完全对称、提拉点不对称，但不同角度下拉索轴力差值基本稳定。由此可见，在类似工程中，需根据重心位置设置对称提拉点，以便于施工过程工况控制。

图13卸载工况下应力云图/MPa

图14卸载后计算变形图/mm

(4)根据变形、内力及应力的计算结果综合判断，竖转单元的控制难度排序为：B类>C类>A类。

4.2施工过程与设计工况对比

卸载后计算变形见图14。由图14可见，仅考虑主结构时，施工过程中的主结构最大变形为397.6mm,设计给出的主结构在自重作用下的最大变形为381.7mm。由此可见，竖转法对施工过程中的控制与设计要求基本一致，也论证了该施工方案的可行性和合理性。

值得注意的是，前述计算仅考虑主结构在自重作用下的变形值。实际施工中还应包含次结构的影响，并综合以恒荷载、活荷载、风荷载及温度荷载共同作用下的变形值进行构件预拱值设计，以确保整体结构的最终线型与设计线型相一致。

5、结语

针对巨型带肋空间折板网格结构的受力特点，提出了屋盖罩棚负角度竖转法。这一方法具有节约措施量、减少高空作业、节省工期及造价等优势。该项目中竖转单元采用三榀分组，待立面罩棚整体成环后将转铰布置于上拉力环杆件节点处，并在场心布置前提升架，通过布置对拉钢绞线消除水平力，这一整体方案具有较强的可操作性。

相较于传统安装方法，竖转法在空间折板网格结构的施工质量、安全、工期、造价等方面均有一定的优势，应用前景良好。但是，竖转体系的合理规划及设计是一个复杂的系统工程，仍需结合具体实施方案及现场监测结果进行深入探究。

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基金资助:中建四局科技研发项目(CSCEC4B-2021-KTA-15);

文章来源:贾新卷,张在晨,莫海钊,等.竖转法在超大悬挑巨型带肋空间折板网格结构安装中的应用[J].建筑结构,2024,54(14):47-52.