中鋼構協（空間函）[2018] 第(38)號

關于開展第十一屆“空間結構獎”評審活動的通知

      茲定于2018年12月開展第十一屆“空間結構獎”的評審工作。會員單位參與完成的國內外空間結構相關項目均可申報。根據分會“空間結構獎評審辦法”，本次評審獎項分為工程類（設計或施工）和技術類。其中工程類設金獎和銀獎，旨在獎勵在設計或施工技術與質量方面達到國內先進水平的工程項目；技術類設技術創新獎，旨在獎勵在空間結構的材料、設計、制造或安裝等方面具有突出的創新性、對推動空間結構技術發展具有重要作用的專項技術成果。在申報的工程類項目中包含的相關技術，原則上不再申報技術創新獎。本屆評審范圍為2016年1月至2017年12月完工的項目（需竣工驗收證明材料）。

      “空間結構獎”的評審不收取任何評審費用。為了使這次評審工作順利進行，請申報單位將申報表逐項如實填寫清楚，并附相關材料及時寄交到分會秘書處，申報項目較多為四項。申報截止日期為2018年11月30日。

      本次評審后將繼續編印《大跨空間結構獎匯編》，在2019年召開的技術交流會上作為資料發給參會代表，并頒發獲獎證書和獎杯。請各申報單位將申請表、照片（室內外不少于三張且質量較好）、技術內容（工程概況、結構體系、技術措施以及經濟指標等，按照樣板文件格式）、主要平立剖面及節點圖等以電子文檔方式刻錄光盤，并與申報材料一起寄交分會秘書處。

相關文件、申報表格及樣板文件見附件。

      地  址：北京市朝陽區平樂園100號

      北京工業大學西校區基礎樓808

      郵編：100124

      Email: kongjian1993@126.com

      聯系人：張秀華、孫國軍

中國鋼結構協會空間結構分會

2018年10月22                  

工程名稱：南通市體育會展中心體育場鋼結構工程

建設地點：江蘇省南通市

竣工時間：2005年12月

申報單位：浙江精工鋼結構有限公司

一、工程概況

      南通市體育會展中心體育場工程位于南通市新城區內。建筑面積48565平方米，為國內第一個大型空間曲面屋蓋開合結構。鋼屋蓋的幾何形狀為球冠，共分兩部分：固定屋蓋和活動屋蓋。固定屋蓋采用拱支單層網殼，其中的主拱、副拱、斜拱和內圈桁架的上弦軸線的節點位于半徑為204米的球面上，下弦軸線節點位于半徑為200米的球面上；活動屋蓋采用由移動臺車多點支承的多跨單層網殼，其桿件軸線位于半徑為206.8米的球面上，臺車的軌道位于固定屋蓋的主拱上弦上。工程的特點有：

      1、屋蓋開口規模為迄今國內較大，也超過世界上相同方式開合結構屋蓋中的較大開口面積；開口越大，對設計、施工和開閉運行的要求就越高。

      2、屋蓋開口部分的開閉運動在球狀曲面上進行，即活動屋蓋是在空間曲面上移動，既與平面移動方式不同，也與沿單曲率表面移動的活動屋蓋不同。例如沿柱面母線方向的移動沒有不等線速度、不等側向位移等問題。該工程的活動屋蓋運動方式要求結構系統和機械設備間必須有非常好的精度配合。

      3、該工程完全依靠國內自己技術力量實施，在國內鮮有大型開閉式建筑的具體條件下，必須創造性地解決許多挑戰性課題。

      該工程由同濟大學建筑設計研究院進行設計，由浙江精工鋼結構有限公司進行深化設計、制作及安裝。工程于2005年12月竣工。

二、結構體系

      固定鋼屋蓋由6榀主拱桁架、10榀次拱拱桁架、2榀斜桁架、2榀內環桁架和單層網殼組成，拱與桁架均采用空間管結構。

      主拱桁架較大跨度262米，矢高55.4米，其主要以承受軸向力為主，主拱桁架中部約100米范圍無側向支撐。主拱桁架中距約40米，主拱與次拱桁架中距約20米。

      主拱桁架支承著整個屋蓋的大部分重量，又作為滑移軌道的支承結構。

      斜桁架作為次拱結構的上部支承，起著調整各主拱桁架間的內力分配，同時作為主拱桁架的側向支撐，傳遞側向水平荷載、提高整體結構的側向穩定性。次拱桁架起到分散主拱桁架受力與拱腳推力、減少屋面檁條跨度的作用。

      內環桁架作為活動屋蓋完全閉合時的收邊支撐桁架，調整主拱桁架間的內力分配，加強屋蓋剛度，同時起到建筑美學作用。

屋面單層網殼可加強屋面剛度，承擔并均化屋蓋面荷載。

      活動鋼屋蓋共兩片，每片屋蓋平面呈月牙形，為單層網殼內嵌于周邊的鋼桁架上，結構面外剛度較差。通過機械傳動與控制系統支承于固定屋蓋的六條軌道上，每片屋蓋的支承臺車數為22個。每片活動屋蓋的移動由4個牽引點、共16根鋼纜繩牽拉。

固定屋蓋結構平面圖

固定屋蓋南北向立面圖

活動屋蓋平面圖

主拱、臺車、活動屋蓋互連示意圖

 主拱及節點詳圖

軌道梁節點詳圖

三、技術措施

      1. 總體安裝步驟

      該工程安裝包括了固定屋蓋拱架、固定屋蓋網殼、軌道梁、活動屋蓋、機械控制系統、屋面板及膜結構等幾大部分。總體安裝步驟為：固定屋蓋拱架（主拱、副拱、斜拱、內環拱）綜合吊裝→固定屋蓋網殼吊裝→固定屋蓋整體卸載→軌道梁安裝→檁條安裝→活動屋蓋安裝→活動屋蓋卸載→開閉系統機械部分安裝→開閉系統機械調試→活動屋蓋膜結構安裝→固定屋蓋屋面板安裝

      拱架在工廠加工后散件運輸到現場拼裝，現場拼裝采用兩臺35t龍門吊進行。

      體育場內外各設置一臺400t履帶吊分段吊裝固定屋蓋拱架，下部設置臨時支撐架。吊裝共分五個施工分區進行。拱架吊裝完成后進行固定屋蓋網殼的吊裝。屋蓋網殼在地面拼裝成不同形式的分塊后利用150t履帶吊進行分區吊裝。固定屋蓋部分施工完成后進行屋蓋的整體缷載。

      軌道梁在固定屋蓋缷載完成后進行分段吊裝。軌道梁在安裝時應進行預偏及標高調整。固定屋蓋檁條與軌道梁安裝同步進行。

      軌道梁及固定屋蓋檁條安裝完成后吊裝活動屋蓋單層網殼。活動屋蓋網殼在全開位置高空分塊散拼。安裝由中間開始，東西側、南北側對稱安裝。

      活動屋蓋網殼安裝過程中插入進行開閉系統機械臺車的吊裝，但臺車在活動屋蓋安裝過程中完全處于自由狀態，不承擔任何外部荷載。活動屋蓋網殼安裝完成后連接臺車，活動屋蓋支撐缷載。

      活動屋蓋膜結構及固定屋蓋屋面板工程在開閉系統機械調試完成后進行施工。首先使活動屋蓋處于全開狀態下進行活動屋蓋膜結構的安裝，之后至全閉狀態再進行固定屋蓋屋面板的安裝。

 主拱桁架地面拼裝

軌道梁、活動屋蓋安裝

      2. 適應性分析

      開合結構有別于其他建筑體系的核心問題是移動屋蓋能否安全、平穩、持久地運行，以保證相應建筑功能的實現。本工程施工重點、難點是如何保證活動屋蓋順利開合、機械開合系統與鋼結構相適應問題。解決由于機械開合系統與鋼結構的性能、要求不匹配所產生的設計、制作、施工中的問題。

      通過計算變形與反力及安裝誤差引起的適應性問題，深刻把握結構的變形特征及其影響因素，確定施工過程優化調整及結構預偏等施工措施，制定詳盡的施工方案，達到順利開合的目的。

      變形與反力計算表明，A拱臺車運行過程適應性變形產生的側向卡軌力基本與臺車的水平調節能力相同，臺車運行過程的變形占臺車側向變形調整能力的93%，結構施工誤差等對適應性變形的不利影響不能超過適應性變形調整能力的7％，即5毫米，對結構安裝的精度要求，對理論分析的準確要求都極為苛刻。

      安裝誤差引起適應性問題的預測分析表明：固定屋蓋及活動屋蓋安裝誤差對開合屋蓋的適應性變形及反力影響，軌道局部位置變形對開合屋蓋的適應性反力影響，軌道局部區域變形對開合屋蓋的適應性反力影響，臺車軌道不同球變形對開合屋蓋的適應性反力影響均不大。

      據此，確定適應性施工的關鍵為：減小總變形差；確定位移變幅的中軸線；確保臺車安裝安全可靠；利用施工順序消除固定屋蓋自重變形對臺車運行的影響，消除活動屋蓋安裝位置處的自重變形對運行的影響；利用軌道梁曲線偏位及臺車直線偏位的預調節確保軌道梁處于位移變幅中軸線。

      3. 固定屋蓋施工過程分析

      通過固定屋蓋施工過程分析確定是否要預拱以及確定卸載順序。

      計算表明，固定屋蓋在自重作用下的豎向位移較大值出現在C拱跨中，為67mm；在開合過程中固定屋蓋豎向位移較大值亦出現在在C拱跨中，較大值為250mm，可見活動屋蓋行走過程中產生的變形量遠大于固定屋蓋安裝過程中的變形量，所以結構在施工過程中不預拱。

      分析表明，卸載后在A拱產生了25mm的水平位移，B拱產生了11mm，C拱產生了4mm水平位移，此水平位移不能傳遞給臺車，必須消除固定屋蓋自重變形產生的水平變形對臺車的影響，采取在活動屋蓋安裝前先釋放該水平位移的方法，所以拆撐順序選擇在活動屋蓋安裝前，先卸載釋放該部分水平變形。

      4. 活動屋蓋施工過程分析

      由于活動屋蓋通過臺車連接固定屋蓋，采用怎樣的順序安裝活動屋蓋及臺車，如何消除活動屋蓋安裝對臺車及屋蓋開合的影響成為確定安裝方案的關鍵。

      針對活動屋蓋的布置條件及特點，有兩種方法安裝活動屋蓋，分別為高空散裝法及高空累積滑移法，兩種方法各有優缺點，累積滑移法利用現有的牽引和滑移裝置，可以在安裝過程中完成初次滑移，同步實現鋼結構施工與機械系統的調試，拼裝操作在低空完成，有效降低施工難度，但不能消除屋蓋安裝過程中的自重變形對臺車的影響；而高空散裝法雖然支撐量較大、高空焊接量大，但可以利用臨時支撐將整個活動網殼支撐住，而不利用臺車支撐，在整個活動網殼拼裝完成，水平位移發生后，再安裝臺車，這樣保證了活動網殼的水平位移不對臺車產生影響，基于這一點，較終選擇高空拼裝方案。較終消除活動屋蓋自重變形產生的適應性變形，A拱消除20mm，B拱消除9mm，C拱消除3mm。

      安裝活動屋蓋共設置了320個支撐胎架，卸載順序不合理將導致活動屋蓋發生較大的水平位移，引起固定屋蓋和活動屋蓋變形不協調，荷載傳遞路徑發生變化，較終導致活動屋蓋開啟不順利。計算結果表明，活動屋蓋和固定屋蓋相對變形A拱較大，B拱次之，C拱較小，確定拆撐順序對稱進行，從邊上向中間拆除拱間支撐，然后拆除拱上支撐，較后拆除臺車位置支撐。臺車位置的44個支撐從A拱開始拆除，拆除一個支撐馬上在相應位置連接一臺臺車。

      計算表明活動屋蓋在每次拆除過程中豎向位移均勻變化，較大豎向位移值為-38.5mm，水平位移成對稱分布，較大水平位移為28.3mm。從應力比分布圖看到，桿件較大應力比均小于0.4，絕大部分桿件應力比小于0.3，說明卸載過程安全可行。實測結果證明達到了預想效果，消除了活動屋蓋安裝帶來的不利水平位移及內力對臺車的不利影響。

      5. 軌道梁及臺車預偏位確定

      考慮到活動屋蓋開合過程中活動屋蓋相對于固定屋蓋的變形量接近于臺車的調整能力，A拱臺車相對水平位移變化幅度為65mm，而臺車側向變形調整能力為70mm。為保證結構順利開合，需要施工過程中將軌道梁曲線預偏位。通過確定臺車行走位移變幅的中軸線，A拱軌道梁向外曲線預偏位36mm，減少卡軌力。

      同時，考慮到B拱處活動屋蓋與固定屋蓋的相對變形在整個屋蓋運行過程中為相向變形，因此將B拱4部臺車向外直線預偏位29mm，通過臺車預偏減小開合過程中的兩者間的適應性變形。

      通過軌道梁預偏位或臺車預偏位，使臺車沿軌道行走過程中的側向位移變幅較小，變形處于彈簧自適應調節范圍內。

臺車吊裝、 臺車就位并保護

      6. 施工控制測量

      由于該工程對精度的高要求，采用了多階段、高精度、高密度的三維測量技術。多階段主要表現在固定屋蓋拱桁架安裝過程的定位測量、固定網殼安裝測量、固定屋蓋拆撐卸載測量、軌道梁安裝測量等一系列主要階段的鋼結構測量；高精度則是通過采用先進、高精度的測量儀器、測控網布設及相應的測量精度控制措施來保證；高密度就是在屋蓋鋼結構的主拱、副拱及單層網殼上布置密集的測量點。通過高精度、高密度、多階段的三維測量技術，得到屋蓋鋼結構在各個主要施工階段中完整、精確的變形情況，并采取相應措施來減少各種變形所導致活動屋蓋與固定屋蓋間的偏差。

      7. 高精度制作安裝

      主拱結構采用大直徑鋼管截面，拱桁架主弦桿鋼管較大截面Φ630×30，需要按照其圓弧度精確彎制，采用大型的日本生產的相貫線切割機、三軸輥圓機，完全保證彎弧精度要求。

      該工程多管相貫的節點很多且形式復雜，較多的達到9根圓管相貫，復雜節點的相貫順序直接影響節點的現場裝配和焊接順序，嚴重時甚至可能裝配不上和出現焊接死角。因此必須對復雜節點相貫順序嚴格控制。制定了多管相貫原則：主管貫通，支管與之相貫；兩支管相貫，壁厚較小支管相貫在壁厚較大支管上；后安裝的管件相貫在先前安裝的管件上。同時現場嚴格按照順序拼裝，確保相貫節點質量。

      軌道梁安裝質量精度控制是本工程的重中之重。臺車與軌道梁有三處接觸面，主車輪與方形軌道接觸，導向輪與掛板接觸，反勾輪與封板接觸。因此制作時的必控項目為：軌道梁上翼板弧度和封板的弧度、現場拼裝對接口的匹配精度；軌道梁上翼緣板寬度方向平面度的控制；掛板的直線度；箱型截面對角線和軌道梁整體直線度；軌道梁整體制作精度。軌道梁制作完成并單個構件檢驗合格后，進行整榀預拼裝，檢驗必控項目指標，對于超標的軌道梁采取火工進行矯正。較終使軌道梁精度滿足要求。另外，由于6條主拱在拆除支撐后將出現不同程度的下撓，為保證了臺車的正常運行和活動屋蓋的正常開合對軌道梁支座進行了標高調整。

      8. 現場剛度試驗

      在施工過程中進行了固定屋蓋的剛度試驗。剛度測試主要測量加載位置點處主拱的豎向與側向位移，并與計算分析結果相對比，從而確定結構的剛度與設計的吻合程度。剛度試驗利用未安裝的軌道梁加載，在B、C拱跨中三點加載。剛度試驗中利用同一全站儀測量，同時保證變形測試的溫度條件基本相同以減小測量誤差。

      剛度加載試驗的測量結果同結構分析結果的對比分析表明：實際完成結構的剛度與結構設計中的結構剛度基本一致。因此結構的適應性分析，包括適應性變形分析與適應性反力分析的結果可以用來指導施工，從而保證結構的順利開合。

      該工程在結構、機械交替施工的復雜條件下，從鋼結構安裝到屋蓋開閉試運行，總工期僅為14個月。經過這些變形仿真分析、安裝措施及高精度控制，較大限度消除了安裝過程中有可能帶來的變形及臺車反力不適應變形，使活動屋蓋開閉運動在球狀曲線上進行得以順利實現。開閉調試一次成功。自2006年10月正式使用以來，以每日開閉一次的頻率運行，未發生任何運行故障。

四、經濟指標

該工程結構總用鋼量10342.24t，單位用鋼量195kg/m2。

主要材料表：

五、工程照片

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