中钢构协（空间函）[2018] 第(38)号

关于开展第十一届“空间结构奖”评审活动的通知

      兹定于2018年12月开展第十一届“空间结构奖”的评审工作。会员单位参与完成的国内外空间结构相关项目均可申报。根据分会“空间结构奖评审办法”，本次评审奖项分为工程类（设计或施工）和技术类。其中工程类设金奖和银奖，旨在奖励在设计或施工技术与质量方面达到国内先进水平的工程项目；技术类设技术创新奖，旨在奖励在空间结构的材料、设计、制造或安装等方面具有突出的创新性、对推动空间结构技术发展具有重要作用的专项技术成果。在申报的工程类项目中包含的相关技术，原则上不再申报技术创新奖。本届评审范围为2016年1月至2017年12月完工的项目（需竣工验收证明材料）。

      “空间结构奖”的评审不收取任何评审费用。为了使这次评审工作顺利进行，请申报单位将申报表逐项如实填写清楚，并附相关材料及时寄交到分会秘书处，申报项目较多为四项。申报截止日期为2018年11月30日。

      本次评审后将继续编印《大跨空间结构奖汇编》，在2019年召开的技术交流会上作为资料发给参会代表，并颁发获奖证书和奖杯。请各申报单位将申请表、照片（室内外不少于三张且质量较好）、技术内容（工程概况、结构体系、技术措施以及经济指标等，按照样板文件格式）、主要平立剖面及节点图等以电子文档方式刻录光盘，并与申报材料一起寄交分会秘书处。

相关文件、申报表格及样板文件见附件。

      地  址：北京市朝阳区平乐园100号

      北京工业大学西校区基础楼808

      邮编：100124

      Email: kongjian1993@126.com

      联系人：张秀华、孙国军

中国钢结构协会空间结构分会

2018年10月22                  

工程名称：南通市体育会展中心体育场钢结构工程

建设地点：江苏省南通市

竣工时间：2005年12月

申报单位：浙江精工钢结构有限公司

一、工程概况

      南通市体育会展中心体育场工程位于南通市新城区内。建筑面积48565平方米，为国内第一个大型空间曲面屋盖开合结构。钢屋盖的几何形状为球冠，共分两部分：固定屋盖和活动屋盖。固定屋盖采用拱支单层网壳，其中的主拱、副拱、斜拱和内圈桁架的上弦轴线的节点位于半径为204米的球面上，下弦轴线节点位于半径为200米的球面上；活动屋盖采用由移动台车多点支承的多跨单层网壳，其杆件轴线位于半径为206.8米的球面上，台车的轨道位于固定屋盖的主拱上弦上。工程的特点有：

      1、屋盖开口规模为迄今国内较大，也超过世界上相同方式开合结构屋盖中的较大开口面积；开口越大，对设计、施工和开闭运行的要求就越高。

      2、屋盖开口部分的开闭运动在球状曲面上进行，即活动屋盖是在空间曲面上移动，既与平面移动方式不同，也与沿单曲率表面移动的活动屋盖不同。例如沿柱面母线方向的移动没有不等线速度、不等侧向位移等问题。该工程的活动屋盖运动方式要求结构系统和机械设备间必须有非常好的精度配合。

      3、该工程完全依靠国内自己技术力量实施，在国内鲜有大型开闭式建筑的具体条件下，必须创造性地解决许多挑战性课题。

      该工程由同济大学建筑设计研究院进行设计，由浙江精工钢结构有限公司进行深化设计、制作及安装。工程于2005年12月竣工。

二、结构体系

      固定钢屋盖由6榀主拱桁架、10榀次拱拱桁架、2榀斜桁架、2榀内环桁架和单层网壳组成，拱与桁架均采用空间管结构。

      主拱桁架较大跨度262米，矢高55.4米，其主要以承受轴向力为主，主拱桁架中部约100米范围无侧向支撑。主拱桁架中距约40米，主拱与次拱桁架中距约20米。

      主拱桁架支承着整个屋盖的大部分重量，又作为滑移轨道的支承结构。

      斜桁架作为次拱结构的上部支承，起着调整各主拱桁架间的内力分配，同时作为主拱桁架的侧向支撑，传递侧向水平荷载、提高整体结构的侧向稳定性。次拱桁架起到分散主拱桁架受力与拱脚推力、减少屋面檩条跨度的作用。

      内环桁架作为活动屋盖完全闭合时的收边支撑桁架，调整主拱桁架间的内力分配，加强屋盖刚度，同时起到建筑美学作用。

屋面单层网壳可加强屋面刚度，承担并均化屋盖面荷载。

      活动钢屋盖共两片，每片屋盖平面呈月牙形，为单层网壳内嵌于周边的钢桁架上，结构面外刚度较差。通过机械传动与控制系统支承于固定屋盖的六条轨道上，每片屋盖的支承台车数为22个。每片活动屋盖的移动由4个牵引点、共16根钢缆绳牵拉。

固定屋盖结构平面图

固定屋盖南北向立面图

活动屋盖平面图

主拱、台车、活动屋盖互连示意图

 主拱及节点详图

轨道梁节点详图

三、技术措施

      1. 总体安装步骤

      该工程安装包括了固定屋盖拱架、固定屋盖网壳、轨道梁、活动屋盖、机械控制系统、屋面板及膜结构等几大部分。总体安装步骤为：固定屋盖拱架（主拱、副拱、斜拱、内环拱）综合吊装→固定屋盖网壳吊装→固定屋盖整体卸载→轨道梁安装→檩条安装→活动屋盖安装→活动屋盖卸载→开闭系统机械部分安装→开闭系统机械调试→活动屋盖膜结构安装→固定屋盖屋面板安装

      拱架在工厂加工后散件运输到现场拼装，现场拼装采用两台35t龙门吊进行。

      体育场内外各设置一台400t履带吊分段吊装固定屋盖拱架，下部设置临时支撑架。吊装共分五个施工分区进行。拱架吊装完成后进行固定屋盖网壳的吊装。屋盖网壳在地面拼装成不同形式的分块后利用150t履带吊进行分区吊装。固定屋盖部分施工完成后进行屋盖的整体缷载。

      轨道梁在固定屋盖缷载完成后进行分段吊装。轨道梁在安装时应进行预偏及标高调整。固定屋盖檩条与轨道梁安装同步进行。

      轨道梁及固定屋盖檩条安装完成后吊装活动屋盖单层网壳。活动屋盖网壳在全开位置高空分块散拼。安装由中间开始，东西侧、南北侧对称安装。

      活动屋盖网壳安装过程中插入进行开闭系统机械台车的吊装，但台车在活动屋盖安装过程中完全处于自由状态，不承担任何外部荷载。活动屋盖网壳安装完成后连接台车，活动屋盖支撑缷载。

      活动屋盖膜结构及固定屋盖屋面板工程在开闭系统机械调试完成后进行施工。首先使活动屋盖处于全开状态下进行活动屋盖膜结构的安装，之后至全闭状态再进行固定屋盖屋面板的安装。

 主拱桁架地面拼装

轨道梁、活动屋盖安装

      2. 适应性分析

      开合结构有别于其他建筑体系的核心问题是移动屋盖能否安全、平稳、持久地运行，以保证相应建筑功能的实现。本工程施工重点、难点是如何保证活动屋盖顺利开合、机械开合系统与钢结构相适应问题。解决由于机械开合系统与钢结构的性能、要求不匹配所产生的设计、制作、施工中的问题。

      通过计算变形与反力及安装误差引起的适应性问题，深刻把握结构的变形特征及其影响因素，确定施工过程优化调整及结构预偏等施工措施，制定详尽的施工方案，达到顺利开合的目的。

      变形与反力计算表明，A拱台车运行过程适应性变形产生的侧向卡轨力基本与台车的水平调节能力相同，台车运行过程的变形占台车侧向变形调整能力的93%，结构施工误差等对适应性变形的不利影响不能超过适应性变形调整能力的7％，即5毫米，对结构安装的精度要求，对理论分析的准确要求都极为苛刻。

      安装误差引起适应性问题的预测分析表明：固定屋盖及活动屋盖安装误差对开合屋盖的适应性变形及反力影响，轨道局部位置变形对开合屋盖的适应性反力影响，轨道局部区域变形对开合屋盖的适应性反力影响，台车轨道不同球变形对开合屋盖的适应性反力影响均不大。

      据此，确定适应性施工的关键为：减小总变形差；确定位移变幅的中轴线；确保台车安装安全可靠；利用施工顺序消除固定屋盖自重变形对台车运行的影响，消除活动屋盖安装位置处的自重变形对运行的影响；利用轨道梁曲线偏位及台车直线偏位的预调节确保轨道梁处于位移变幅中轴线。

      3. 固定屋盖施工过程分析

      通过固定屋盖施工过程分析确定是否要预拱以及确定卸载顺序。

      计算表明，固定屋盖在自重作用下的竖向位移较大值出现在C拱跨中，为67mm；在开合过程中固定屋盖竖向位移较大值亦出现在在C拱跨中，较大值为250mm，可见活动屋盖行走过程中产生的变形量远大于固定屋盖安装过程中的变形量，所以结构在施工过程中不预拱。

      分析表明，卸载后在A拱产生了25mm的水平位移，B拱产生了11mm，C拱产生了4mm水平位移，此水平位移不能传递给台车，必须消除固定屋盖自重变形产生的水平变形对台车的影响，采取在活动屋盖安装前先释放该水平位移的方法，所以拆撑顺序选择在活动屋盖安装前，先卸载释放该部分水平变形。

      4. 活动屋盖施工过程分析

      由于活动屋盖通过台车连接固定屋盖，采用怎样的顺序安装活动屋盖及台车，如何消除活动屋盖安装对台车及屋盖开合的影响成为确定安装方案的关键。

      针对活动屋盖的布置条件及特点，有两种方法安装活动屋盖，分别为高空散装法及高空累积滑移法，两种方法各有优缺点，累积滑移法利用现有的牵引和滑移装置，可以在安装过程中完成初次滑移，同步实现钢结构施工与机械系统的调试，拼装操作在低空完成，有效降低施工难度，但不能消除屋盖安装过程中的自重变形对台车的影响；而高空散装法虽然支撑量较大、高空焊接量大，但可以利用临时支撑将整个活动网壳支撑住，而不利用台车支撑，在整个活动网壳拼装完成，水平位移发生后，再安装台车，这样保证了活动网壳的水平位移不对台车产生影响，基于这一点，较终选择高空拼装方案。较终消除活动屋盖自重变形产生的适应性变形，A拱消除20mm，B拱消除9mm，C拱消除3mm。

      安装活动屋盖共设置了320个支撑胎架，卸载顺序不合理将导致活动屋盖发生较大的水平位移，引起固定屋盖和活动屋盖变形不协调，荷载传递路径发生变化，较终导致活动屋盖开启不顺利。计算结果表明，活动屋盖和固定屋盖相对变形A拱较大，B拱次之，C拱较小，确定拆撑顺序对称进行，从边上向中间拆除拱间支撑，然后拆除拱上支撑，较后拆除台车位置支撑。台车位置的44个支撑从A拱开始拆除，拆除一个支撑马上在相应位置连接一台台车。

      计算表明活动屋盖在每次拆除过程中竖向位移均匀变化，较大竖向位移值为-38.5mm，水平位移成对称分布，较大水平位移为28.3mm。从应力比分布图看到，杆件较大应力比均小于0.4，绝大部分杆件应力比小于0.3，说明卸载过程安全可行。实测结果证明达到了预想效果，消除了活动屋盖安装带来的不利水平位移及内力对台车的不利影响。

      5. 轨道梁及台车预偏位确定

      考虑到活动屋盖开合过程中活动屋盖相对于固定屋盖的变形量接近于台车的调整能力，A拱台车相对水平位移变化幅度为65mm，而台车侧向变形调整能力为70mm。为保证结构顺利开合，需要施工过程中将轨道梁曲线预偏位。通过确定台车行走位移变幅的中轴线，A拱轨道梁向外曲线预偏位36mm，减少卡轨力。

      同时，考虑到B拱处活动屋盖与固定屋盖的相对变形在整个屋盖运行过程中为相向变形，因此将B拱4部台车向外直线预偏位29mm，通过台车预偏减小开合过程中的两者间的适应性变形。

      通过轨道梁预偏位或台车预偏位，使台车沿轨道行走过程中的侧向位移变幅较小，变形处于弹簧自适应调节范围内。

台车吊装、 台车就位并保护

      6. 施工控制测量

      由于该工程对精度的高要求，采用了多阶段、高精度、高密度的三维测量技术。多阶段主要表现在固定屋盖拱桁架安装过程的定位测量、固定网壳安装测量、固定屋盖拆撑卸载测量、轨道梁安装测量等一系列主要阶段的钢结构测量；高精度则是通过采用先进、高精度的测量仪器、测控网布设及相应的测量精度控制措施来保证；高密度就是在屋盖钢结构的主拱、副拱及单层网壳上布置密集的测量点。通过高精度、高密度、多阶段的三维测量技术，得到屋盖钢结构在各个主要施工阶段中完整、精确的变形情况，并采取相应措施来减少各种变形所导致活动屋盖与固定屋盖间的偏差。

      7. 高精度制作安装

      主拱结构采用大直径钢管截面，拱桁架主弦杆钢管较大截面Φ630×30，需要按照其圆弧度精确弯制，采用大型的日本生产的相贯线切割机、三轴辊圆机，完全保证弯弧精度要求。

      该工程多管相贯的节点很多且形式复杂，较多的达到9根圆管相贯，复杂节点的相贯顺序直接影响节点的现场装配和焊接顺序，严重时甚至可能装配不上和出现焊接死角。因此必须对复杂节点相贯顺序严格控制。制定了多管相贯原则：主管贯通，支管与之相贯；两支管相贯，壁厚较小支管相贯在壁厚较大支管上；后安装的管件相贯在先前安装的管件上。同时现场严格按照顺序拼装，确保相贯节点质量。

      轨道梁安装质量精度控制是本工程的重中之重。台车与轨道梁有三处接触面，主车轮与方形轨道接触，导向轮与挂板接触，反勾轮与封板接触。因此制作时的必控项目为：轨道梁上翼板弧度和封板的弧度、现场拼装对接口的匹配精度；轨道梁上翼缘板宽度方向平面度的控制；挂板的直线度；箱型截面对角线和轨道梁整体直线度；轨道梁整体制作精度。轨道梁制作完成并单个构件检验合格后，进行整榀预拼装，检验必控项目指标，对于超标的轨道梁采取火工进行矫正。较终使轨道梁精度满足要求。另外，由于6条主拱在拆除支撑后将出现不同程度的下挠，为保证了台车的正常运行和活动屋盖的正常开合对轨道梁支座进行了标高调整。

      8. 现场刚度试验

      在施工过程中进行了固定屋盖的刚度试验。刚度测试主要测量加载位置点处主拱的竖向与侧向位移，并与计算分析结果相对比，从而确定结构的刚度与设计的吻合程度。刚度试验利用未安装的轨道梁加载，在B、C拱跨中三点加载。刚度试验中利用同一全站仪测量，同时保证变形测试的温度条件基本相同以减小测量误差。

      刚度加载试验的测量结果同结构分析结果的对比分析表明：实际完成结构的刚度与结构设计中的结构刚度基本一致。因此结构的适应性分析，包括适应性变形分析与适应性反力分析的结果可以用来指导施工，从而保证结构的顺利开合。

      该工程在结构、机械交替施工的复杂条件下，从钢结构安装到屋盖开闭试运行，总工期仅为14个月。经过这些变形仿真分析、安装措施及高精度控制，较大限度消除了安装过程中有可能带来的变形及台车反力不适应变形，使活动屋盖开闭运动在球状曲线上进行得以顺利实现。开闭调试一次成功。自2006年10月正式使用以来，以每日开闭一次的频率运行，未发生任何运行故障。

四、经济指标

该工程结构总用钢量10342.24t，单位用钢量195kg/m2。

主要材料表：

五、工程照片

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