关键词：开闭屋顶；大跨度桁架系统；施工安装
摘要：可开启钢结构屋面系统在大型体育场馆工程中的使用在我国尚属首次。如何解决大跨度支撑桁架系统的安装，在大跨度桁架系统上安装可开合系统，保证桁架能正常运行开合系统。本文对其施工安装进行分析，为今后类似工程的施工提供经验和参考。
项目概况
本工程钢屋面分为固定屋面和活动屋面两部分。屋顶几何形状为球冠，固定屋顶采用拱形支撑网壳，网壳为单层网壳。固定屋盖主拱、副拱、斜拱、内环桁架的上弦轴节点位于半径为204m的球面上，主拱、副拱的下弦轴节点位于半径为204m的球面上。拱门、斜拱门和内环桁架位于球体半径200m范围内。活动顶采用多跨单层网壳，由移动台车多点支撑。单层格壳杆的轴节点位于半径为206.8m的球面上。小车的轨道位于固定顶主拱的上弦上。 。
固定钢屋盖由6个主拱桁、10个次拱桁、2个斜桁架、2个内环桁架和单层网壳组成。
主拱桁最大跨度262m，垂高55.4m。其主要受力特征为扁拱结构，主要承受轴向力。主拱桁中部约100m（最大）无侧向支撑。主拱桁间中距约40m，主拱与次拱桁间中距约20m。
主拱桁架支撑着整个屋顶的大部分重量，同时也作为滑轨的支撑结构。斜桁架作为次拱结构的上部支撑，调节主拱桁架之间的内力分布，同时也作为主拱桁架。侧向支撑传递侧向水平荷载，提高整体结构的侧向稳定性；副拱桁起到分散主拱桁受力和拱脚推力，减小屋面檩条跨度的作用；内环桁架作为活动屋盖完全关闭时的边缘支撑桁架，调整主拱桁架之间的内力分布，加强屋面刚度，同时起到建筑美观的作用；单层网壳屋面可增强屋面刚度，承受和均匀屋面面荷载。
有两个可移动的钢屋顶。每个屋顶在平面上都是新月形的。它是嵌入周围钢桁架的薄壳结构。该结构的面外刚度较差。它由固定屋顶的六个轨道上的机械传动和控制系统支撑。每个屋顶的支撑轮总数为22个。每个活动屋顶的运动由4个拉点和总共16根钢缆拉动。
2、整体安装思路
根据对本工程结构及施工场地的分析，确定以下启闭系统的安装方法及程序。
2.1 总体安装思路
2.1.1 拱门安装
两台400吨履带式起重机在展位内外行驶并分段吊装。
1) 所有杆均在工厂加工、预组装、分件运输、现场组装。
2）现场组装采用组装轮胎架设置，按极数进行整体组装。组装根据吊装分段要求，在分段弦杆上设置耳板连接装置，使构件组装成整体后可以方便地进行分段。
3）在分段拱下方设置临时高空支撑平台，满足分段安装的要求，同时也解决分段拱的高空定位要求。
4）主、副拱、斜拱吊装选用两台400t履带式起重机，分别在场地内外起重机运行路线上吊装斜拱外分段拱架。主拱中段采用两台400t履带式起重机。起重机双机平台起重机。
2.1.2 固定屋顶安装
使用400t履带吊吊装块
1）与拱门连接的固定屋顶部分的吊装应在拱门吊装完成且起重机退出比赛场地后进行。根据结构特点，屋顶可分为六边形块。采用400t履带式起重机在跨外行进，分块依次吊装。
2）固定顶安装完成后，应逐步拆除支撑。
3）分步卸荷完成后，将拱恢复到设计弧度后安装轨道梁和轨道。
2.1.3活动顶板安装：采用分段累积滑移
1）根据活动顶棚小车的分布情况，将活动顶棚分为四个区域进行组装和累积滑移。
2) 装配平台位于最靠近足弓脚的全开放区域。进行平台塔架架设及滑动辅助轨道安装。体育场东西两侧活动顶棚采用“片滑法”同步安装，并采用两台150t履带式起重机辅助安装。
拱门施工及吊装方法
3.1 设置安装支架
实施拱形分段吊装方案必须有大量的支撑架，保证在每段拱形下方设置临时高空支撑平台，满足分段安装的要求，同时也解决分段拱的问题框架高空定位要求。
本项目施工过程中将安装大量临时支架。支撑位置如图2、图3所示。支撑胎架采用格子钢管组合结构，上部设有操作平台、支撑胎架、微调千斤顶。高空地面支撑架受载后，需在其周围设置缆风绳，以增加其稳定性。电缆风绳固定在混凝土支架上或锚固在地面上。在地板上设置支撑有两种情况。一是在地板上预留支撑孔。无需设置风绳。另一种是当楼板上遇到梁或柱，且楼板上不能留洞时钢结构滑移安装施工技术，必须安装风绳，同时对梁或柱进行加固。
3.2 吊拱方法概述
拱门吊装的难点在于构件重、吊装高度高、受土建支架影响较大。如何克服上述困难是本工程钢结构吊装的重点。
主要吊装思路：主拱架分为五段，采用400t大型履带吊装、场外分段吊装和现场双机吊装相结合的方式进行。
3.3 主舞台隔断安装工作
根据工程特点、构件特点及所选吊装方案，本钢屋面工程分为五个施工区域。 （如图4所示）
3.4 提升部件的细分
主拱：以斜拱为界，主拱桁架分为内、外两部分。内部双机提升不再分段，最大起重约175t，外部分为两等份，最大起重92.5t。
辅助拱：在与斜拱相连的部分留1m左右的拉杆，最后与斜拱连接固定。剩下的一侧拱门按1：2的比例分成两段，较大一段的一端着地。副拱最大重量为56.2t。
斜拱与内环桁架：以主拱为界分段。
3.5 起重机选型
根据主要结构件的分段、重量以及桁架吊装所需的工作半径，选择两台400t履带式起重机作为主要起重机械，场地内外各一台。两台起重机机械配置如下：场外起重机主臂长63m，超载配重200t。现场起重机主臂长63m，在全部吊装作业中，起重机最大工作半径约为34m。
400t履带式起重机性能（以吊装最不利值计）
3.6 吊点位置的选择
吊点的位置和数量根据桁架形状、截面、长度、起重机性能等具体情况确定。
由于桁架截面为三角形，为了保证分段桁架在吊装过程中的稳定性、空中姿态的可调节性以及防止分段桁架变形，采用了四个吊点，每个吊点位于距离桁架1/2处。分段桁架的两端。 3处，两侧吊点相距15m左右。
3.7 拱门安装顺序
第一步是外围主拱、副拱、斜拱的安装。根据土建工程和场地条件，先进行东部结构施工。施工使用两台400吨履带式起重机，工地内外各一台，从工地南端或北端开始前行。当一个隔断的钢结构安装完毕后，即可开始下一个隔断的钢结构的施工。起重机绕现场一圈后，完成了整个第一阶段的安装任务。这样减少了起重机的往复运动，使施工进度更加紧凑。
施工区1至施工区4的安装内容基本相同。具体以施工区1安装为例。施工一区主拱、斜拱安装分13个安装段。
步骤 2 - 安装中间主拱和内拱。
桁架中部包括主拱中部和内拱中部。中间桁架的安装由两台400t履带式起重机进行。吊装过程中，起重机从场地一端开始吊装，完成主拱的吊装，然后吊装两个内拱，最后完成后续所有主拱和内拱的吊装。
3.8 施工区域安装方法1
3.8.1分段吊装高空对接解决方案
分段拱下方设置临时高空支撑平台，解决分段拱高空定位要求。在分段拱之间采用耳板连接装置实现钢拱的空中对接。整个拱门安装完毕，检查无误后，进行最后的焊接。 （耳板连接装置见图5）
构件吊装后，利用设置在高空支架上的垂直千斤顶完成高空上下部分的微调。横向上，组装在支撑架上的轮胎架主要用于保证各部件的相对位置。侧面千斤顶将横向位移调整到部件的预期安装位置，以进行整体焊接工作。
3.8.2 第五施工区安装
桁架中部包括主拱中部和内拱中部。中间桁架的安装由两台400t履带式起重机完成。吊装过程中，起重机从场地一端开始吊装。主拱吊装完成后，安装副拱和斜拱的连杆，使角拱和副拱形成一个整体；主拱吊装完成后，再吊装两个内拱，以此类推，完成后续的主拱和内拱吊装。
吊装由两台400吨起重机从南向北向后移动进行。
整个安装区域的主要安装流程分为14个安装步骤进行吊装。
3.8.3 主拱ZG-C、D中段吊装
吊装采用双吊，单吊性能选择：
使用两台起重机吊装时，根据起重机的起重能力进行合理的载荷分配（每台起重机的载荷不应超过其安全载荷的85%），并在作业时统一指挥。两台起重机的驾驶员应密切配合，防止一台起重机失重而使另一台起重机超载。在整个起吊过程中钢结构滑移安装施工技术，两台起重机的吊钩和滑轮组应保持垂直。
钢结构固定屋面格壳安装
固定屋面安装主要解决的问题是如何分块控制单层网壳整体吊装时的变形，如何分块使相交面连接拱门与格壳可顺利连接并安装到位。
4.1 固定顶（网壳）概述
本工程固定屋面采用单层网壳结构，支撑在主拱、副拱、斜拱与内环桁架之间，传递屋面檩条荷载，加强屋面平面刚度。
钢管与拱上弦采用相贯焊连接。钢管有两种连接方式。八根钢管相交为“梅花”形连接点，其余为相贯焊接。
4.2 固定屋面（网壳）施工
分析结构特点后发现，高空散装包装消耗支撑力过大。切片安装，切片不能直接放置。因此，采用六角块吊装、剩余构件重新安装的安装思路来安装固定屋顶格壳结构。
主拱、副拱吊装完毕，400t履带吊离开现场后，开始单层网壳安装。由于网壳占地面积大，节点数量多，且采用钢管相贯节点形式，高空焊接工作量大，节点空间定位困难。因此，结合已完成的拱形部分，采用自制的吊蓝工作平台作为施工平台，保证高空作业的安全。自制吊蓝应与已安装的拱形结构牢固连接，以保证工作平台的稳定性和安全性。 。
根据施工进度要求，单层网壳的安装可从一端推进到另一侧，以减少起重机的往复时间。由于网壳结构的特殊性，部分中间节点呈“梅花”形连接，给高空施工带来困难。为了减少高空拼装的工作量，降低高空作业的难度，同时为了加快施工进度，保证构件的安装质量，拟考虑每个主拱、副拱之间的固定格壳整体结构分为1～4个六角形构件，1～4个六角形构件吊装，其他杆件与已安装的六角形、边桁架、拱体组装。由于能够形成整体吊装的六边形数量有限，为了保证“梅花”形连接点的质量，将其在地面上焊接成排，两侧加装用于吊装的临时加固杆，也可采用整体吊装。
吊装时要注意构件两侧与拱的相交节点。安装时应缓慢下降。一侧相交到位后，另一端就位并临时固定。调整好整体曲率和位置后，进行焊接。固定的。
根据结构构件的块重情况，以及构件吊装的工作半径，选择400t履带式起重机作为主吊机械，布置在场外。在全部吊装工作中，起重机的最大工作半径约为76m（吊装两中拱之间的构件时达到该值）。组合成“梅花”形的构件重量为9.6t，加上挂钩、缆绳等重量为1.1t，总重量为10.7t。即工作半径为76m时，起升高度为48米，起重量为10.7t。该起重机机械配置为：最大主臂91m，超载配重200t。
固定网壳块吊装性能要求
活动屋面钢结构施工
5.1 活动顶盖特性分析
活动钢屋面是整个伸缩屋面的关键部分，其结构形式为单层网壳。整个单层网壳呈新月形，由两个完全对称的网壳组成。格壳由人字形斜杆组成菱形网格，并在南北方向增设连杆，使网格呈三角形。网壳东西边界为三角形截面封边桁架，所有单层网壳杆轴节点均位于半径为206.8m的球面上。活动顶棚由移动小车多点支撑，小车轨道位于固定顶棚的主拱上。共有6条对称轨道。南北两侧的两条轨道均未配备牵引装置，仅中间的4条轨道配备了牵引装置。小车上共有44个支点，每件22个。
活动顶板投影长度为201.92m，闭合宽度为120.466m，沿径向最大高差为8.86m，沿周向最大高差为27.481m。网壳结构由大直径钢管交叉组成。钢管最大直径为Φ630×30，位于活动顶板对接直边处。中间部分为Φ450×12~16。收边采用Φ351以下钢管组成的三角桁架。
5.2 安装方案的选择及总体思路和流程
根据建筑总体布置和结构特点。开敞屋面的安装应在固定屋面全部安装完毕、支撑件卸除、观察结构变形并重新检验几何尺寸、满足机械变形协调和补偿要求后开始。
综合考虑多方面因素，优化施工方案采用分段累计滑移施工方法。
5.2.1 总体安装思路和步骤。
固定顶板已全部安装完毕，支撑件已卸载，并观察结构变形并重新测试几何尺寸。满足打开屋顶的安装要求。
安装轨道梁并进行焊接以及直线度和标高调整。
开放式屋顶的钢结构部件在工厂进行切割和弯曲。段长约10m。
开启系统的动力和控制机械在工厂制造和调试。将敞开的屋顶分成四块，用于累积滑移。集材将使用开闭系统的小车和轨道进行。
滑动拼装平台应尽量靠近柱脚，拼装节点位于主拱、副拱处，支撑架支撑在主、副拱的上弦平面上。
在装配平台上组装第一滑动单元的屋顶格壳，并在相应位置安装开闭系统机械小车、小车及结构
第一单元卡瓦的临时固定。滑移牵引也将利用打开和关闭系统的牵引装置。
三个卡瓦逐渐堆积起来，最后一个卡瓦单元直接在现场组装。此时的结构位置为活动顶盖打开的位置。
结构滑动过程中，两侧角部结构由于没有主拱支撑，处于悬挑状态，变形较大。这里需要在辅助拱门上添加支撑点和滑轨。
5.2.2 活动顶棚分段拼装
在滑动单元的建议位置设置装配平台。装配平台采用脚手架钢管支撑，支撑在下看台地板上。固定屋顶格壳仅用于维护，不作为支撑点。
根据混凝土看台的布置和固定屋面结构，活动屋面起重机只能在拱脚外起吊。吊装采用150t履带式起重机。部件被散装吊装并组装成装配平台上的滑动单元。
滑动单元的装配顺序为：从中心向两侧推进。
分段安装时，先安装直杆，再安装相贯斜管。将小车安装在相应位置并临时固定。安装辅助拱滑动支撑。执行单位滑差。滑动完毕后，重复上述步骤组装下一组屋顶。一半屋顶安装完毕后，调试屋顶启闭系统。起重机和装配平台移至另一半，用于活动顶盖的滑动施工。
5.2.3 分片累计滑移。
*卡瓦滑动装置采用打开车顶的小车，牵引装置为临时绞车牵引装置。
*滑动单元在装配平台上组装并焊接成整体。并与小车临时固定在相应位置。临时固定应满足两个条件：一是满足承载能力要求，二是便于拆除。因此，小车与钢结构之间的连接法兰采用临时螺栓间隔固定。
* 将滑动装置放置在小车和轨道上。为了控制结构的变形，在转角处的副拱上加设支点。该支点仅用于垂直支撑，下部装有随滑动装置滑动的滚轮，但不作为牵引点。
* 在牵引机构的牵引下，滑动单元进行等高度同步滑动。滑动结构滑动一小车距离后停止滑动并受到限制。为装配平台让路，继续下一个滑动单元的装配和滑动。
*最后一个单元直接组装到位，无需滑动。
结论
通过本项目的施工实践，为今后类似采用大跨桁架结构，特别是开合屋盖系统的建设项目提供经验和参考；
这也标志着我国空间开闭结构系统工程技术进入世界先进水平。
