樂清市體育中心體育場復雜膜結構施工技術
金 振，何 勇，潘國華
（廣廈建設集團有限責任公司，浙江杭州 310012）
[摘要]樂清市體育中心體育場屋面采用彎月形非封閉空間索桁體系覆蓋PTFE膜材，整個膜屋面共有31組，每組由6個膜片單元組成，單元膜片四周邊界分別與壓環(huán)箱梁、下弦索及鋼管拱等進行連接，屋面呈曲面波浪形，交替起伏，結構獨特。通過合理優(yōu)化、對稱安裝、均衡張拉，確保了膜結構的順利施工，保證了工程質量。
[關鍵詞]體育場；膜結構；安裝；張拉；施工技術
[中圖分類號]TU758[文章編號]1002-8498(2016)08-0060-04
1工程概況
樂清市體育中心位于樂清市旭陽路，由體育場、游泳館和體育館組成，總建筑面積61 378m2，其中體育場建筑面積21 058 m2。體育場建筑南北長約229m，東西寬約211m，柱頂標高約42m，屋面采用彎月形非封閉空間索桁體系覆蓋PTFE膜材，最大懸挑跨度約57m。PTFE膜分為兩部分，靠內環(huán)單元使用圣戈班PTFE網格膜，面積為2 200m2，其他單元使用圣戈班SF-ⅡPTFE膜材，面積為14730m2，膜屋面總面積為16 930m2。整個膜結構屋面呈曲面波浪形，交替起伏，膜結構曲面波浪由索桁體系上的咖273×10鋼管拱支撐成型，在兩個波浪的谷底布置索結構下弦索，膜結構軸測圖如圖1所示。
整個膜屋面分為31組，每組由6個膜片單元組成，單元膜片四周邊界分別與壓環(huán)箱梁、下弦索及鋼管拱等進行連接，膜單元布置如圖2所示。整個膜結構屋蓋充分利用了結構基礎的整體承載能力，最大限度地發(fā)揮了材料力學的效能，具有設計新穎、結構獨特、造型美觀、技術難度高等特點。
2工程特點
由于屋蓋為索桁體系，在索上安裝鋼管拱，技術難度非常高。鋼管拱在沒有跟膜連為整體時是一個可變體系，采取何種臨時固定措施非常關鍵。鋼管拱結構的安裝誤差直接影響到膜的安裝質量、張力分配以及整體外觀效果。膜屋面共分為31組，每組有6個膜片單元，具有膜結構連接形式多樣、膜片單元節(jié)點復雜等特點，膜屋面的吊裝、安裝順序、預應力張拉方式等都是至關重要的。由于工程復雜，施工過程中對膜屋面應力的測試與監(jiān)控非常必要。因此，本工程膜結構安裝的重點是鋼管拱結構的安裝、膜屋面的安裝與預應力施加、膜屋面應力檢測等。
3 鋼管拱施工
3.1 地面拼裝方法
由于鋼管拱矢長在12~17m，矢高在3.9~4. 7m，不能滿足運輸條件，所以155件鋼管拱都由工廠分兩段制作后，在現(xiàn)場地面進行拼裝，再進行吊裝。每件鋼管拱放置4件鐵馬凳作拼裝胎架，拼裝胎架離地面高度1m。將每個鋼管拱的矢高和矢長投影到地面上，以檢驗鋼管拱的拼裝質量。
3.2 走道及操作平臺安裝
考慮到整體工期及安裝鋼拱與膜結構施工人員的操作需要，采取鋼爬梯平用的方案搭設走道和操作平臺。制作單節(jié)長度6~9m的鋼走道，鋼走道上捆綁木板使鋼走道一面形成平面，使用1~ 2t尼龍吊帶將鋼走道捆綁于徑向索上，下掛高度1. 2m，吊點間距3m，如圖3所示。1臺起重機吊裝走道，1臺吊裝吊籠，安裝第1段走道時，人站在吊籠內進行走道安裝。
3.3連接耳板安裝
索桁體系地面拼裝完成后，將連接在索夾上的連拱耳板在地面安裝完成，待索桁體系提升、張拉．結束后，連拱耳板也隨索桁體系安裝到位，接著再安裝鋼管拱。
3.4吊裝鋼管拱
根據膜屋面的安裝順序，鋼管拱分別從②和95軸向32和65軸方向進行安裝（見圖4），同一膜單元內鋼管拱安裝順序如圖5所示。鋼管拱矢長在12～17m，采取3點吊裝，中間鋼絲繩加葫蘆可以調節(jié)鋼管拱的位置。待鋼管拱吊裝至安裝位置后，先將一端連接插板插入鋼管拱內開槽處，然后安裝另一端，最后將2根纜風繩臨時固定，點焊完成后再松鉤。
3.5 鋼管拱測量糾偏
鋼管拱吊裝之前，在鋼管拱最高點提前綁好2根纜風繩，鋼管拱吊裝后，2根纜風繩分別從2個方向進行糾正和固定。采取土洋結合的方式進行鋼管拱的測量定位。“土”即在鋼管拱最高點綁扎1根鋼絲，下吊線錘，根據鋼絲的投影點和鋼管拱下調節(jié)索的位置關系，進行調節(jié)；“洋”即在鋼管拱最高點下口部位提前做好標定，利用激光鉛垂儀的投影點來調節(jié)鋼管拱的偏差。待鋼管拱測量糾偏完成之后，立即進行焊接鋼管拱與連拱耳板之間的焊縫。鋼管拱安裝完成后進行膜結構施工。4膜結構安裝
4.1膜材裁剪
索、附屬鋼結構施工完成后對每個單元采用全站儀進行相對位置測量，根據實際測量數據進行膜單元裁剪設計。由于本工程索膜結構為空間曲面，裁剪就是用平面膜材來表示空間曲面，因此裁剪難度很大，通過拉伸試驗進行精確確定。膜片下料完成后再根據排水方向和膜片連接節(jié)點確定熱熔合方案。
4.2膜材運輸
最大膜片單元面積約為l80m2，質量約180kg，因PTFE膜不宜折疊，膜包裝運輸時使用滾軸進行包裝。包裝完成后，在膜體外包裝上標記包裝內容、使用部位及膜體折疊與展開方向。在運輸時也要充分考慮安裝順序，盡量將膜體一次運送到位，避免膜體在場內的二次運輸，減少膜體受損的機會。
4.3現(xiàn)場準備
先將地面位置上的雜物和油漬清理干凈，將突出地面的帶有銳角的硬物剔除；然后將已經清洗干凈的保護膜鋪設在地面上并拉設好防護繩；接著將需要安裝的膜單元從堆放場運至安裝位置；拆除包裝，將膜單元展開，檢查膜單元周邊尺寸、搭接長度、開孔位置、熱合縫是否符合要求，檢查膜面有無破損，有無瑕疵，有無污染，合格后進入下道工序；最后檢查清理膜單元與鋼結構接觸的表面，將殘留的飛濺物、尖角清除并打磨光滑。
4.4膜單元吊裝 95軸向32和65
膜片分31紐，將月牙形中部②~95軸的膜組單元標記為M1，將②~32軸的膜片分別標記為M2，…，M16，將95~65軸的膜片分別標記為M2’,M3’，…，M16’。膜結構施工時，首先施工月牙形中部②~95軸的膜單元M1，然后從月牙形的中部往兩邊對稱施工，一邊從②軸往32軸安裝M2，…，M16，另一邊從95軸往65軸施工M2’,M3’，…，M16’。
膜單元施工前，先復核支承結構的各個尺寸，使每個控制點的安裝誤差均在設計和規(guī)范允許的范圍內；然后在膜單元安裝位置的鋼拱上、鋼索上每隔2m布置提升吊點，采用人力同步提升膜單元并提升至安裝空間位置。膜單元吊裝到位后，將膜夾具、螺桿按設計圖紙要求與膜單元連接部位組裝，組裝完成后用工裝夾板與鋼拱的邊界、索的邊界作臨時拉接。
4.5膜安裝張拉
膜與索的邊界、膜與鋼管拱的邊界為固定邊界，膜展開后先使用張拉機具將膜與鋼管拱的邊界、膜與索的邊界作臨時拉接。當膜單元所有配件都連接上，將膜單元定位點與鋼管拱的邊界、索的邊界進行對正，通過調節(jié)螺栓將膜布張拉至安裝位置；接著對稱地將鋼管拱邊界張拉到位，并由鋼管拱中部向兩邊依次安裝膜附件及螺栓；最后在索的邊界進行對稱張拉并安裝不銹鋼卡具，通過膜組單元張拉微調完成整組膜組單元的張拉工作。依次進行其他膜組單元安裝。如圖6所示為膜結構安裝完成后膜片與下弦索、鋼管拱的連接情況。
體育場內側膜單元為網格膜，網格膜下有索網。先將膜在地面展開，穿入索網的橫向拉接索，接著穿入索網的縱向索，然后將膜與索網整體提升到安裝位置，在高空進行索網與邊索的安裝，再安裝張拉膜單元，最后安裝不銹鋼拉桿。
4.6膜張拉順序
膜結構安裝過程即為預應力施加過程，每個膜單元施加預應力時采用“先短邊，后長邊；先邊角，后中部；對稱張拉”的施工方法。每個膜單元的6個膜片標識為膜片1、膜片1’、膜片2、膜片2’、膜片3、膜片3’，張拉順序為：膜片1、膜片1’→膜片2、膜片2’→膜片3、膜片3’。每個膜片的張拉順序為：先同時安裝張拉鋼管拱邊，再同時安裝張拉下弦索邊。張拉時逐步均衡給膜面施加預張力，膜組單元張拉順序如圖7a所示，膜片張拉順序為先同步對稱張拉短邊，再同步對稱張拉長邊（見圖7b）。
4.7膜張拉控制方法
在張拉過程中整個結構的剛度尚沒有完全建立，某些構件的超載對結構施工的穩(wěn)定性影響較大，因此必須嚴格控制膜張拉的應力與應力施加間隔。
1)張拉螺桿位移控制 第1次位移量為設計位置量的50%，第2次位移量為設計位置量的30%，第3次位移量為設計位置量的20%，位移允許偏差±10%。
2)預應力施加間隔 每次施加預應力間隔24h。第2，3次施加預應力時，各工作點位人員隨時觀察膜面張緊度，遇有應力集中的情況應及時調整，避免膜面破壞。膜單元張拉完成后，安裝焊接蓋口膜。
4.8膜安裝質量檢測
1)膜單元應力檢測
2)撕裂強度檢測
靠近環(huán)索處的膜單元為網格膜單元，網格膜單元與附屬索網一起構成整體受力單元，為確保索膜的共同抗風要求，進行索鞘撕裂強度檢測。經試驗確定，索鞘處膜材在受力超過要求時，主膜撕裂而索鞘處膜材完好，滿足設計要求。
4.9成品保護措施
膜是一種新型建筑材料，具有強度高、使用年限長、易造型、但又易劃傷的特點，施工過程控制尤為重要。膜面安裝前需檢查所有與膜面相關的連接點是否有飛濺、毛刺等現(xiàn)象，確保無鋒利刺口。膜面安裝前，用棉布將周邊可能傷及膜的構件進行包蓋；周邊螺栓固定結束后，逐一進行檢查，保證做到螺栓無缺少、無漏擰。安裝夾板時，必須確保膜邊繩邊露在上夾板外側。安裝人員在膜面行走時必須穿軟底工作鞋，保證鞋底無污染物。
5 結語
樂清市體育中心體育場屋面覆蓋PTFE膜材，整個膜屋面共有31組，呈曲面波浪形，交替起伏，設計新穎、結構獨特。通過合理優(yōu)化、對稱安裝、均衡張拉，膜面成型后膜面平整光滑，外觀質量符合要求，膜面無褶皺和撕裂現(xiàn)象，經檢測相關參數符合要求，確保了膜結構的順利施工，保證了工程質量。樂清市體育中心一場兩館工程獲得了2013年度中國鋼結構金獎。
