青岛体育中心体育场 (原颐中体育场) 膜结构篷盖于2000年8月竣工并投入使用, 是当时国内第1个用悬索膜结构建设的、面积最大的体育场篷盖, 至今已有12年, 设计使用寿命为15年.为确保安全及满足新的使用需求, 需进行必要的维修、维护及更换, 并增加新的灯光音响马道.膜结构篷盖体系由环索、脊索、谷索、上下吊索 (或上下桁架) 和钢立柱、受压环梁、斜腹杆与膜共同工作, 形成一个空间整体, 以抵御外荷载的作用.其中, 在长边直线段分别布置了6对悬挑桁架, 用于支撑内环索, 以平衡谷索和脊索的预应力, 其他弧线部分布置上吊索和下吊索, 使之形成一个环看台四周封闭的稳定空间受力体系.

青岛体育中心体育场 (原颐中体育场) 膜结构篷盖采用整体张拉式索膜结构, 由60个锥形索膜单元组成典型的脊谷式索膜张拉结构形式, 如图1所示.

整个建筑由两端半径各90 m的半圆弧和86 m长的直线段组成 (见图1) , 长轴为266 m, 短轴为180 m, 表面积约45 000 m2.索膜挑篷沿体育场看台周边均挑出37 m (见图2) , 以满足覆盖全看台之目的.

主要设备为:大型喷砂除锈设备 (6 m3) 1台, 储气罐 (1 m3) 1台, 喷砂罐 (0.5 m3) 2台及配套设备、喷漆设备4套, 角磨机20台, 砂带机5台, 高空用轻型除尘设备2套, 50 t汽车起重机2台, 25 t汽车起重机2台, 卷扬机4台, 施加预张力的千斤顶和测力传感器及仪表4套, 48 m/30 m高空作业平台车各2台, 紧绳机800套, 异形反力机构200套, 5 t手拉葫芦20套, 2 t手拉葫芦20套, LEISTER手持膜材熔接机5套, 打磨机5套等.

施工流程:工程开工→脚手架平台搭设、施工设备进场→钢结构原老化防火涂料铲除→节点部位现场喷砂除锈/手动机械除锈→钢结构主体上旧漆面机械打磨去除粉化层→钢结构防腐涂装 (底漆、中漆) →钢结构防火涂料涂装→膜工厂加工→新膜安装 (同时旧膜及旧膜配件拆除) →钢索端部防腐处理、地脚螺栓密封处理→脚手架平台拆除→完工验收→清场撤场.

由于屋盖钢结构高度高, 东、西两侧地下均有建筑物或构筑物, 且工期紧, 任务重, 落地脚手架方案搭设周期长, 对下部影响大, 故该工程考虑作业架台全部采用悬挂式脚手架平台, 配合使用30 m/48 m高空作业车, 虽然费用高, 但灵活高效, 对工期及施工品质提供了有利的保证.

吊车及登高作业平台车沿体育场内圈、外圈开行 (见图3) .其中, 体育场外由于东、西两侧有地下构筑物, 开行路线无法形成环路, 此区域运输及吊装考虑使用小型叉车及卷扬机等小型机具.

1) 所用脚手架钢管与扣件应经过严格筛选, 确保材料满足质量要求.凡是有严重锈蚀、严重弯曲、变形、裂缝、钢管薄壁、扣件螺纹 (螺丝) 已损坏等外观缺陷的, 均不得采用.

2) 严禁将外径ϕ48的钢管与其他不同直径的钢管混用.

3) 扣件应租赁正规厂家生产的可锻铸铁扣件, 具有出厂合格证和检测报告.扣件与钢管扣紧时接触良好, 接触面严格吻合.旋转扣件转动部位灵活, 两旋转面间隙应小于1 mm[1].当扣件夹紧钢管时, 开口处的最小距离不大于5 mm.

4) 立杆、纵向水平支撑杆 (斜撑、剪刀撑、抛撑) 的钢管长度为4～6.5 m, 横向水平杆的钢管长度为2.2～2.5 m.每根钢管不大于25 kg.

5) 脚手板选用.宽度不小于250 mm, 厚度不小于50 mm, 长度为1.5, 3.0 m两种.架板竹片有表面发黑、霉变、竹质变脆以及拉紧螺栓直径偏小或拉得不紧的不得使用, 确保施工安全.

1) 搭设程序.搭设前准备工作→放纵向扫地杆→逐根竖立立杆 (底部安装垫块) , 与纵向扫地杆扣牢→安装横向扫地杆, 并与立杆或纵向扫地杆扣牢, 安装第1步大横杆→安装第1步小横杆→安装第2步大横杆→安装第2步小横杆→安装第3步大横杆和小横杆→加设临时抛撑 (在第1, 2道拉结固定处拉结固定好后方可拆除) →安装第4步大横杆和小横杆→先把架板放置牢固可靠, 第5步脚手架开始悬挑架设→顶层拉结固定→加设剪刀撑→铺脚手板→绑护身栏杆和挡脚板→挂安全立网.

2) 搭设脚手架应注意的事项.

①搭设过程中应严格按顺序搭设脚手架.立杆的小横杆紧固于立杆上, 小横杆靠墙的一端应离开墙面30 cm.立杆和大横杆接头互相错开.脚手架各杆件伸出的端头, 均应大于10 cm, 以防扣件滑脱.

②剪刀撑设置.剪刀撑是将斜杆扣在立杆和小横杆上的伸出部分上.斜杆两端扣件与立杆节点的距离不大于20 cm, 最下面的一根斜杆与立杆的连接点离底部不大于50 cm, 且底部斜杆的下端应置于垫板上, 以保证架子的稳定.搭设脚手架时沿脚手架纵向按每组剪刀撑跨越立杆根数为5～6根 (>6 m) .脚手架外侧立面的两端各设1组剪刀撑, 由底部至顶部随脚手架升高连续设置, 中间不间断.剪刀撑斜杆采用搭接方式接长, 搭接长度不小于0.8 m, 设2个旋转扣件.每搭设一步高进行立杆和大横杆的校正.

③脚手架的搭设必须满足《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》 (JGJ 130—2011) 编制的构造及搭设要求.

由于钢结构的防火涂料已经全部龟裂脱落, 必须彻底铲除干净.对于底漆、中间漆仍然很坚固的管构件, 在铲除防火涂料后须用人工磨砂机械打磨的方法将油漆的粉化层清除并增加表面粗糙度以便增加覆涂漆面的黏结力.对于锈蚀严重的杆件应喷砂除锈达到Sa2.5级后进行防腐防火处理[1].钢结构节点则必须采取现场喷砂除锈的方式彻底清除铁锈, 除锈等级达到Sa2.5级后及时进行底漆、中间漆涂装, 漆膜总厚度必须满足设计要求.防火涂料的施工须在面漆完全固化后方可进行, 其厚度必须达到该工程防火等级规定的厚度值.

在膜固定节点处, 钢结构除锈防腐防火涂装施工与膜安装存在交叉作业情况, 具体表现为:新膜拉设、旧膜节点部分拆除、钢构件除锈防腐防火涂装存在交叉作业情况, 同时钢结构防腐作业用的操作平台影响膜的安装, 膜就位前需拆除.需合理组织安排, 以免对膜安装工序产生不利影响.

膜的安装难度在于单元膜面积大 (500～800 m2) 、易损坏和污染, 最困难的是需要与柔性边界进行较为精确的连接, 方法不当或考虑不周, 都会给安装带来很大难度, 甚至导致膜片的毁坏[2,3,4].因此, 必须选择合适的施工步骤和施工工艺, 才能保证施工过程中的安全、可靠, 保证各部件顺利安装到位, 尤其是大面积膜片 (该工程最大膜片单元面积约为834 m2) .另外, 施工中遇风雨天气, 如采取措施不当, 膜片很可能被撕裂或积水, 所以膜安装必须小心得当, 还要采取必要的临时保护措施.

新膜安装 (含旧膜拆除) 共60个类似的脊谷式单元, 以一个单元为例, 其他单元做法基本一样.

每个膜单元分为前膜片和后膜片, 均以脊索为边界.安装步骤具体如下:

1) 在地面组装悬挂脚手架体系, 用吊车安装悬挂脚手架.

2) 旧膜下拉设绳网.使用1 t紧绳机拉紧, 固定完毕的绳网应具有足够承载力, 膜铺于其上时, 绳网不应有大的塌陷和位移.

3) 全面检查钢结构表面有无未清理干净的焊渣焊瘤, 并对钢结构及构配件表面有可能在膜安装过程中对膜造成损害的突起的构件或边角进行包覆 (用柔软材料衬垫, 外包覆膜角料, 使用弹性绳捆绑牢固) , 避免膜在展开过程中被刮蹭或钩划.

4) 将脊索处雨水盖膜全部打开.使用专用液压千斤顶, 松开旧前膜片上谷索;使用吊车, 将前膜片成包从体育场内侧吊上旧膜屋面;使用膜专用限速展开器, 将膜成条状从前端高处向低处展开, 再在谷索与旧膜面间成面状打开;使用专用夹具及紧线器, 将膜边或角部临时固定到节点及脊索对应位置上 (紧线器及夹具间隔约2 m等距布置) .

5) 防风反绳网拉设、张紧.卸开旧膜配件, 将旧膜完全拆除.

6) 以上临时固定结束后, 就能保证最终固定完成前, 风、雨等特变气象条件下膜的安全.正式固定开始.

7) 首先安装膜角部到对应钢结构节点件上 (柱顶、前端内环索节点, 后端浮动环节点) , 再安装FLATBAR到全膜边上下 (U型卡位置使用双头螺杆) .等距布置膜专用张紧器 (间距0.5～1 m) , 对称、均匀张拉膜边到脊索位置.使用U型卡连接脊索与膜边, 将其固定在双头螺杆的上下端.全部配件安装完毕后, 使用扭矩扳手对螺栓进行终拧, 同时检查无缺失、无漏拧.同样方法安装后膜片.

8) 使用专用液压千斤顶及配套工装, 分次将谷索张拉到位.谷索张拉的同时, 完成膜面的预应力施加.

9) 同样方法安装下一个单元.全部膜单元安装完成后, 再次全面检查膜安装情况, 确保品质优良.

整体预张力施力点确定在60根谷索的后端部, 施力点设置施力机构, 采用千斤顶、力传感器及配套工具施加预张力.在位于双轴全对称的4个点同时施加预张力, 轮换扩展至全部施力点.实践证明, 到位时的力值基本上与设计的预应力状态下的谷索力值吻合[5].

该工程最终膜面预应力施加是通过张拉谷索实现的.

对称、同时进行张拉.

位移控制.第1次位移量为设计位移量的50%, 第2次位移量为设计位移量的70%, 第3次位移量为设计位移量的100%, 并据实际情况进行微调.

每次施加预应力间隔24 h: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, 遇有应力集中情况应及时调整, 避免膜面破坏.

1) 系统地论述了青岛体育中心体育场 (原颐中体育场) 膜结构篷盖改造施工技术, 通过对现场实际情况的分析, 结合整体张拉式索膜结构的施工方法, 制定出施工方案.具体步骤为:搭设脚手架→钢结构原锈蚀老化防腐防火涂装处理及新防腐防火涂料涂装→膜单元安装→预张力施加.

2) 重点论述了膜单元安装, 其中包括了旧膜拆除以及新膜安装.通过分析, 不难看出青岛体育中心体育场膜结构篷盖改造工程施工的可行性、安全性, 能够保证改造工程的质量.