國家體育場pfe膜結構總體設計與施工技術

國家體育場pfe膜結構總體設計與施工技術

1ptfe膜結構的施工技術難點國家體育中心的ptf膜結構為下涂層。下涂層噪聲收集膜、下涂層聲波吸收膜、參考肩胛架屏蔽膜和圓形防水膜由1068個膜單元組成，總覆蓋率約5.33萬米（圖1）。PTFE膜結構主要起到吸聲和吊頂裝飾的作用,保證整個鳥巢看臺空間的音響和裝飾效果。PTFE膜材厚度為350μm,吸聲率70%以上,透光率30%以上,防火等級B1級,使用壽命25年以上,具有高透光性、高強度、耐久性、防火性、耐腐蝕性、抗紫外線、自潔性等特點。對于聲學吊頂膜結構(圖2),設計提出明確要求:聲學吊頂分塊與屋面ETFE膜結構板塊投影幾何形狀相同,板塊之間保持100mm的間隔。要求PTFE膜的張力不在不同的板塊之間傳遞,也不對主桁架下弦桿件傳遞膜的張力和撐桿的軸向力。此外,下弦聲學吊頂還有18個需要為場地照明的燈光開口,其設計難度多大可想而知。而且,聲學吊頂結構大量采用了非軸心對稱空心圓鋼管的相貫焊接節(jié)點,這些相貫節(jié)點既承受軸向力,又承受平面內(nèi)和平面外的彎矩。而現(xiàn)行國內(nèi)外《鋼結構設計規(guī)范》(GB50017-2003)關于相貫節(jié)點的承載力設計值計算公式均是基于軸心對稱結構的,這給PTFE膜結構設計帶來了巨大的困難。對于看臺屏風膜(圖3),主體鋼結構和主體土建結構是完全脫離的兩個獨立的結構體系,而建筑師卻要求看臺屏風膜以光滑的曲面從下弦聲學吊頂過渡到土建看臺,不能有明顯的分界。這就要求PTFE膜結構系統(tǒng)既要滿足主體鋼結構在各種荷載下(主要是溫度荷載)的變形要求,又不能設置有明顯的變形縫,而看臺屏風膜的形狀又是千差萬別,毫無規(guī)律可循,其優(yōu)化難度可想而知?？傊?PTFE膜結構形狀異型、受力復雜,國內(nèi)外承包商均無成熟的施工經(jīng)驗可借鑒,而且,由于膜結構體系屬于較新的結構體系和施工工藝,國內(nèi)外均無施工質(zhì)量驗收標準可以引用。另外,設計院的膜結構施工圖僅為建筑方案,對其施工質(zhì)量均無明確要求。因此,如何對原設計方案進行優(yōu)化、采取何種施工工藝才能保證ETFE膜結構施工的順利進行、以及如何對其施工質(zhì)量進行驗收等關鍵問題成為制約膜結構施工的關鍵性技術難題。鑒于上述情況,本文主要從總體方案深化設計、施工工藝等方面進行研究。2深化設計的可行性根據(jù)PTFE膜結構的結構特點,按照部位選取典型板塊,分別從支座反力、膜材應力分布和板塊間相對位移控制等方面進行了研究,根據(jù)研究結果來確定深化設計方案的可行性。圖4為典型板塊一在不同荷載工況下的應力分布,其他板塊應力分布與此類似,不再贅述。另外,根據(jù)分析結果可知,各區(qū)塊支點反力、膜材力學性能和水平相對位移等均滿足設計師的有關要求。因此,該深化設計方案可應用于國家體育場PTFE膜結構工程。3安裝關鍵工藝PTFE膜結構安裝主要分膜附屬鋼結構安裝和膜塊安裝。3.1安裝步驟聲學吊頂膜附屬鋼結構安裝先在地面拼裝成整體,然后采用起重機由體育場內(nèi)環(huán)吊至周圈看臺的操作平臺上,最后再通過卷揚機在空中接力將膜附屬鋼結構拼裝單元吊至安裝位置,其主要安裝步驟如圖5～9所示?？磁_屏風膜附屬鋼結構采用散裝法安裝,其安裝順序為:邊緣構件→撐桿→小撐桿。邊緣構件和撐桿分段進場,在地面上接長后,整根吊裝就位。待邊緣構件和撐桿組成一個框架受力體系后,再進行小撐桿的安裝(圖10),其安裝防護如圖11所示。3.2膜單元張拉膜單元安裝采用流水作業(yè),實行定崗、定責、定人、定質(zhì)責任制,每組完成各自固定安裝內(nèi)容。膜單元安裝前,應在距主鋼構上下桁架支撐桿1.2m處鋪設工作人員高空行走安全繩,在距每個膜附屬鋼結構框架吊桿1.2m處鋪設人員行走安全繩(覫12無油鋼絲繩或覫20尼龍繩)。并用竹梯沿膜單元膜附屬鋼結構框架四周鋪設,將木板或竹梯在搭接處捆扎。(1)地面展膜。膜單元成品在地面展開檢查前,應清理清水混凝土看臺雜物并鋪設擦洗清潔的保護膜。然后將膜單元展開,展開的各邊與上面的膜附屬鋼結構基本吻合;展開過程中,注意保護膜面,防止膜面污染;膜單元完全展開后,檢查膜單元周邊尺寸、搭接、開孔位置、熱合縫是否符合設計要求,膜面有無破損、瑕疵或污染并做好記錄,待全部合格后進入預張拉工序。(2)膜單元預張拉。由于每個膜單元各邊都有設計補償值和熱合收縮量,膜單元地面展開且檢查合格后,對膜單元周邊尺寸進行預張拉(圖12)。(3)安裝膜單元。沿膜單元膜附屬鋼結構框架四周每5～7m設一個提升吊點,吊點繩扣采用尼龍帶,通過滑輪將繩放至地面(圖13)。(4)膜單元張拉。1)預應力施加順序:先邊角,后中部;先短邊,后長邊,對稱張拉。2)控制方法:位移控制為主,力值控制為輔。第一次位移量為設計位移量的50%,第二次位移量為設計位移量的30%,第三次位移量為設計位移量的20%,位移允許偏差為10%;用專用測力儀對張拉完成的膜單元代表性的施力點進行力值抽檢,力值允許偏差為10%。4驗收標準制訂為加強國家體育場膜結構工程的質(zhì)量管理、統(tǒng)一膜結構工程施工質(zhì)量的驗收、保證膜結構工程質(zhì)量,根據(jù)相關規(guī)范、規(guī)程和標準,并采用國內(nèi)外最新的科研成果,總結制訂出《國家體育場PTFE膜結構施工質(zhì)量驗收標準》。該標準以《膜結構技術規(guī)程》(CECS1582004)為基礎,以設計要求為準則,參照現(xiàn)行有關規(guī)范、標準和規(guī)程,結合膜結構分包單位的施工經(jīng)驗進行編寫。共分8章、7個附錄,編制過程中區(qū)分主控項目和一般項目;其中,主控項目46條,一般項目29條;并于2006年5月通過北京市建委審查、鑒定及備案工作。5施工過程的圖像圖14