乐清市体育中心位于乐清市旭阳路,由体育场、游泳馆和体育馆组成,总建筑面积61 378m2,其中体育场建筑面积21 058m2。体育场建筑南北长约229m,东西宽约211m,柱顶标高约42m,屋面采用弯月形非封闭空间索桁体系覆盖PTFE膜材,最大悬挑跨度约57m。PTFE膜分为两部分,靠内环单元使用圣戈班PTFE网格膜,面积为2 200m2,其他单元使用圣戈班SF-Ⅱ PTFE膜材,面积为14 730 m2,膜屋面总面积为16 930m2。整个膜结构屋面呈曲面波浪形,交替起伏,膜结构曲面波浪由索桁体系上的 ? 273 × 10 钢管拱支撑成型,在两个波浪的谷底布置索结构下弦索,膜结构轴测图如图1 所示。

整个膜屋面分为31 组,每组由6 个膜片单元组成,单元膜片四周边界分别与压环箱梁、下弦索及钢管拱等进行连接,膜单元布置如图2 所示。整个膜结构屋盖充分利用了结构基础的整体承载能力,最大限度地发挥了材料力学的效能,具有设计新颖、结构独特、造型美观、技术难度高等特点。

由于屋盖为索桁体系,在索上安装钢管拱,技术难度非常高。钢管拱在没有跟膜连为整体时是一个可变体系,采取何种临时固定措施非常关键。钢管拱结构的安装误差直接影响到膜的安装质量、张力分配以及整体外观效果。膜屋面共分为31 组,每组有6 个膜片单元,具有膜结构连接形式多样、膜片单元节点复杂等特点,膜屋面的吊装、安装顺序、预应力张拉方式等都是至关重要的。由于工程复杂,施工过程中对膜屋面应力的测试与监控非常必要。因此,本工程膜结构安装的重点是钢管拱结构的安装、膜屋面的安装与预应力施加、膜屋面应力检测等。

由于钢管拱矢长在12 ~ 17m,矢高在3. 9 ~4. 7 m,不能满足运输条件,所以155 件钢管拱都由工厂分两段制作后,在现场地面进行拼装,再进行吊装。每件钢管拱放置4 件铁马凳作拼装胎架,拼装胎架离地面高度1m。将每个钢管拱的矢高和矢长投影到地面上,以检验钢管拱的拼装质量。

考虑到整体工期及安装钢拱与膜结构施工人员的操作需要,采取钢爬梯平用的方案搭设走道和操作平台。制作单节长度6 ~ 9m的钢走道,钢走道上捆绑木板使钢走道一面形成平面,使用1 ~ 2t尼龙吊带将钢走道捆绑于径向索上,下挂高度1. 2m,吊点间距3m,如图3 所示。1 台起重机吊装走道,1 台吊装吊笼,安装第1 段走道时,人站在吊笼内进行走道安装。

索桁体系地面拼装完成后,将连接在索夹上的连拱耳板在地面安装完成,待索桁体系提升、张拉结束后,连拱耳板也随索桁体系安装到位,接着再安装钢管拱。

根据膜屋面的安装顺序,钢管拱分别从②和???轴向???和???轴方向进行安装( 见图4) ,同一膜单元内钢管拱安装顺序如图5 所示。钢管拱矢长在12 ~ 17m,采取3 点吊装,中间钢丝绳加葫芦可以调节钢管拱的位置。待钢管拱吊装至安装位置后,先将一端连接插板插入钢管拱内开槽处,然后安装另一端,最后将2根缆风绳临时固定,点焊完成后再松钩。

钢管拱吊装之前,在钢管拱最高点提前绑好2根缆风绳,钢管拱吊装后,2 根缆风绳分别从2 个方向进行纠正和固定。采取土洋结合的方式进行钢管拱的测量定位。“土”即在钢管拱最高点绑扎1根钢丝,下吊线锤,根据钢丝的投影点和钢管拱下调节索的位置关系,进行调节; “洋”即在钢管拱最高点下口部位提前做好标定,利用激光铅垂仪的投影点来调节钢管拱的偏差。待钢管拱测量纠偏完成之后,立即进行焊接钢管拱与连拱耳板之间的焊缝。钢管拱安装完成后进行膜结构施工。

索、附属钢结构施工完成后对每个单元采用全站仪进行相对位置测量,根据实际测量数据进行膜单元裁剪设计。由于本工程索膜结构为空间曲面,裁剪就是用平面膜材来表示空间曲面,因此裁剪难度很大,通过拉伸试验进行精确确定。膜片下料完成后再根据排水方向和膜片连接节点确定热熔合方案。

最大膜片单元面积约为180m2,质量约180kg,因PTFE膜不宜折叠,膜包装运输时使用滚轴进行包装。包装完成后,在膜体外包装上标记包装内容、使用部位及膜体折叠与展开方向。在运输时也要充分考虑安装顺序,尽量将膜体一次运送到位,避免膜体在场内的二次运输,减少膜体受损的机会。

先将地面位置上的杂物和油渍清理干净,将突出地面的带有锐角的硬物剔除; 然后将已经清洗干净的保护膜铺设在地面上并拉设好防护绳; 接着将需要安装的膜单元从堆放场运至安装位置; 拆除包装,将膜单元展开,检查膜单元周边尺寸、搭接长度、开孔位置、热合缝是否符合要求,检查膜面有无破损,有无瑕疵,有无污染,合格后进入下道工序;最后检查清理膜单元与钢结构接触的表面,将残留的飞溅物、尖角清除并打磨光滑。

膜片分31 组,将月牙形中部② ~ ???轴的膜组单元标记为M1,将② ~ ???轴的膜片分别标记为M2,…,M16,将???~ ???轴的膜片分别标记为M2',M3',…,M16'。膜结构施工时,首先施工月牙形中部 ② ~ ???轴的膜单元M1,然后从月牙形的中部往两边对称施工,一边从②轴往???轴安装M2,…,M16,另一边从???轴往???轴施工M2',M3',…,M16'。

膜单元施工前,先复核支承结构的各个尺寸,使每个控制点的安装误差均在设计和规范允许的范围内; 然后在膜单元安装位置的钢拱上、钢索上每隔2m布置提升吊点,采用人力同步提升膜单元并提升至安装空间位置。膜单元吊装到位后,将膜夹具、螺杆按设计图纸要求与膜单元连接部位组装,组装完成后用工装夹板与钢拱的边界、索的边界作临时拉接。

膜与索的边界、膜与钢管拱的边界为固定边界,膜展开后先使用张拉机具将膜与钢管拱的边界、膜与索的边界作临时拉接。当膜单元所有配件都连接上,将膜单元定位点与钢管拱的边界、索的边界进行对正,通过调节螺栓将膜布张拉至安装位置; 接着对称地将钢管拱边界张拉到位,并由钢管拱中部向两边依次安装膜附件及螺栓; 最后在索的边界进行对称张拉并安装不锈钢卡具,通过膜组单元张拉微调完成整组膜组单元的张拉工作。依次进行其他膜组单元安装。如图6 所示为膜结构安装完成后膜片与下弦索、钢管拱的连接情况。

体育场内侧膜单元为网格膜,网格膜下有索网。先将膜在地面展开,穿入索网的横向拉接索,接着穿入索网的纵向索,然后将膜与索网整体提升到安装位置,在高空进行索网与边索的安装,再安装张拉膜单元,最后安装不锈钢拉杆。

膜结构安装过程即为预应力施加过程,每个膜单元施加预应力时采用“先短边,后长边; 先边角,后中部; 对称张拉”的施工方法。每个膜单元的6个膜片标识为膜片1、膜片1'、膜片2、膜片2'、膜片3、膜片3',张拉顺序为: 膜片1、膜片1' →膜片2、膜片2'→膜片3、膜片3'。每个膜片的张拉顺序为: 先同时安装张拉钢管拱边,再同时安装张拉下弦索边。张拉时逐步均衡给膜面施加预张力,膜组单元张拉顺序如图7a所示,膜片张拉顺序为先同步对称张拉短边,再同步对称张拉长边( 见图7b) 。

在张拉过程中整个结构的刚度尚没有完全建立,某些构件的超载对结构施工的稳定性影响较大,因此必须严格控制膜张拉的应力与应力施加间隔。

第1次位移量为设计位置量的50%,第2次位移量为设计位置量的30%,第3次位移量为设计位置量的20%,位移允许偏差±10%。

每次施加预应力间隔24h。第2,3次施加预应力时,各工作点位人员随时观察膜面张紧度,遇有应力集中的情况应及时调整,避免膜面破坏。膜单元张拉完成后,安装焊接盖口膜。

用膜专用测力仪对有代表性的膜单元的施力点进行应力检测。重点检测膜单元的检测点不少于5个,重点检测单元为(2)~(95)轴,(4)~(2)轴,(10)~(12)轴,(18)~(20)轴,(23)~(26)轴,(30)~(32)轴,(95)~(93)轴,(87)~(85)轴,(79)~(77)轴,(73)~(71)轴,(67)~(65)轴的各膜面单元,其他膜面单元检测≥1个点。检测完成并形成《膜单元应力检测记录》,检测结果全部符合要求。

靠近环索处的膜单元为网格膜单元,网格膜单元与附属索网一起构成整体受力单元,为确保索膜的共同抗风要求,进行索鞘撕裂强度检测。经试验确定,索鞘处膜材在受力超过要求时,主膜撕裂而索鞘处膜材完好,满足设计要求。

膜是一种新型建筑材料,具有强度高、使用年限长、易造型、但又易划伤的特点,施工过程控制尤为重要。膜面安装前需检查所有与膜面相关的连接点是否有飞溅、毛刺等现象,确保无锋利刺口。膜面安装前,用棉布将周边可能伤及膜的构件进行包盖; 周边螺栓固定结束后,逐一进行检查,保证做到螺栓无缺少、无漏拧。安装夹板时,必须确保膜边绳边露在上夹板外侧。安装人员在膜面行走时必须穿软底工作鞋,保证鞋底无污染物。

乐清市体育中心体育场屋面覆盖PTFE膜材,整个膜屋面共有31 组,呈曲面波浪形,交替起伏,设计新颖、结构独特。通过合理优化、对称安装、均衡张拉,膜面成型后膜面平整光滑,外观质量符合要求,膜面无褶皱和撕裂现象,经检测相关参数符合要求,确保了膜结构的顺利施工,保证了工程质量。乐清市体育中心一场两馆工程获得了2013 年度中国钢结构金奖。