經驗介紹：馬鞍形預應力索膜結構施工技術
作者：鄭曉敏
1 工程概況
武漢中央文化區(qū)漢秀劇場項目裝飾性造型幕墻設置在主體結構外側，與結構主體之間保持5 - 2lm的距離，其直徑為110 m，高約60 m，由橢圓形輪輻環(huán)管（前廳部分加強為環(huán)桁架）、傘撐、桅桿支撐、單層馬鞍形預應力索網和豎索構成，為非封閉的裝飾性構筑物，其外表面由小圓盤與拉索構成，造型獨特（圖1）。
索網幕墻為雙向單索幕墻系統(tǒng)，以橢圓形環(huán)管（前廳部分為桁架）為骨架，在骨架交叉形成的區(qū)格中填充單層馬鞍形預應力索網。索網幕墻底部與裙樓拉接，立面上通過布置傘狀支撐與主體結構相連，頂部通過桅桿支撐與屋蓋結構相連。通過橢圓形環(huán)管承受環(huán)向壓力，裙樓提供向下的拉力，單層索網為環(huán)管提供豎向面內的穩(wěn)定性并形成蒙皮效應，豎索為環(huán)桁架的內弦提供了豎向聯(lián)系，從而使整體結構形成為一個張力空間結構。該索結構幕墻體型大，結構形式和力學性能獨特，與一般屋蓋和幕墻的索結構差異大，可借鑒的工程案例少。
橢圓形環(huán)管／環(huán)桁架（Φ400 mm×10/20 mm），斜向相互交叉，構成了Φ110 m的幕墻面骨架。環(huán)管自身難以獨立承受自重及外荷載，需通過布置傘狀支撐依附于主體結構。由于在前廳部分幕墻與主體結構距離較大（最大可達20 m），難以布置傘撐，故將前廳部分環(huán)管加強為環(huán)桁架，并在頂部通過撐桿與屋蓋結構相連（圖2）。
單層馬鞍形預應力索網填充在環(huán)管區(qū)格中，各區(qū)格的邊界形狀和面積大小差異較大，最大跨度為33.30 m，最小跨度為2.20 m。由于通透性的要求，拉索布置細密、規(guī)格小、間距小、根數(shù)多。索網張拉完成后在拉索交點處安裝圓形碟片，形成“紅燈籠”的建筑效果。根據(jù)設計要求，預應力索需施加30 kN的預應力。
馬鞍形預應力索網分為內外2層鋼索，2層鋼索均采用Φ20 mm不銹鋼拉索，2層索網通過圓形鍛鑄鋁夾具連接，共計2 900根鋼索。鋼索兩端與橢圓形鋼桁架或鋼管結構相連，索頭采用壓制錨具、叉耳式連接件和套筒調節(jié)裝置（兩端可調），并通過1個轉向耳板與環(huán)管耳板銷軸連接，實現(xiàn)多向轉動。索網的雙向拉索通過圓形索夾夾持在一起，碟片安裝在索夾上。
拉索連接節(jié)點處由夾具和紅色圓盤組件兩大部分組成（圖3）。其中，夾具由金屬壓盤1、金屬壓盤2、金屬壓盤3組成，金屬壓盤2和金屬壓盤3構成內層斜索夾具，金屬壓盤l和金屬壓盤2構成外層斜索夾具；最外層安裝Φ800 mm紅色圓盤。本工程金屬壓盤共有18 000余套，由于索網預緊成型后，交點處內外索受壓，因此索夾不承受拉力。索網安裝完成后的軸測如圖4所示。
2 索網幕墻安裝、張拉難點分析
2.1耳板定位難
1)難點描述：所有的索網均通過耳板與鋼結構主龍骨相連接，索網最終的造型與耳板的定位息息相關；外龍骨呈立體圓形，單個外龍骨為立體橢圓形，耳板在外龍骨上的定位十分困難。
2)解決對策：通過采用有限元軟件對外龍骨安裝階段和最終成型階段進行建模模擬，將所有的索網進行精確模擬，從而確定外龍骨的空間坐標；現(xiàn)場實施時，根據(jù)設置在周邊的基準點通過全站儀進行每一個耳板的精確定位。
2.2索網安裝難
1)難點描述：索網依附在鋼結構龍骨上，而該龍骨與主體結構距離5 - 21 m；索網最高處達70 m，周邊沒有結構可以依附，耳板焊接和預應力索的安裝較難進行。
2)解決對策：利用安裝鋼結構龍骨所設置的外置塔架作為操作平臺；遇到不設塔架而僅設三角支撐的部位，利用鋼結構三角支撐設置吊籃；高出結構的部分，在外龍骨安裝完成后，在外龍骨頂部設置吊籃。
2.3立體交叉施工安全監(jiān)管難
1)難點描述：工期緊張，外龍骨與索網同時施工，索網下部還在進行外幕墻施工，存在上下立體交叉施工的安全隱患，安全監(jiān)管難。
2)解決對策：調整施工順序，室內外分隔，建立立體作業(yè)面移交制度，加強安全監(jiān)管。在外龍骨安裝前完成+19.00 m水平幕墻的安裝，并在水平玻璃幕墻上設置防護，通過水平玻璃幕墻的安裝，將上部外龍骨和索網安裝與室內精裝修施工分隔開來；按照外龍骨的分隔將索網安裝范圍分成若干工作段，每個工作段內只允許1個施工單位進行作業(yè)；根據(jù)工序安排現(xiàn)場施工的順序，每天召集各單位確認每個工作段內的工作，并安排專人進行安全監(jiān)管。
2.4外龍骨柔軟，預應力張拉成型難
1)難點描述：索網所依附的鋼結構外龍骨為Φ 400 mm、壁厚為10 mm或20 mm的鋼管，僅在外龍骨交叉點上的鋼管壁加厚為20 mm，而其直徑達110 m，需要通過若干支撐共同作用方可形成整體；而預應力索需施加30 kN的預應力，直接作用在外龍骨上將會使得外龍骨產生變形，如何進行索網的預應力施加是本項工程施工的難點，更是重點。
2)解決對策：初步設定集中張拉方案，對整個預應力索網張拉過程進行模擬，采用大型通用有限元軟件ANSYS，考慮結構具有雙重非線性（幾何非線性和材料非線性）特征，計算中考慮幾何大變形和應力剛化效應。經綜合比較，最終確定張拉方案和張拉順序。
3 索網安裝、張拉總體方案
索網總體安裝順序為配合鋼結構安裝順序，從下而上逐層安裝。同一層索網區(qū)格安裝先后順序根據(jù)現(xiàn)場鋼結構安裝完成情況而定。
索網張拉總體原則為分2次逐層張拉，即在索網自下而上逐層安裝時，以15 kN為張拉索力逐層進行第1次張拉，索網安裝及第1次張拉在支撐胎架上完成；第1次張拉完成后索網基本成型，拆除結構支撐胎架，再自上而下以30 kN為張拉索力逐層進行第2次張拉。
4 施工流程
1)索及夾具安裝流程：測量定位→耳板焊接→外層索安裝→內層索安裝→夾具安裝→碟片安裝。
2)根據(jù)現(xiàn)場情況及工序安排，確定索網安裝流程為：主體結構施工完成→外置塔架吊裝、三角支撐安裝→第1層外龍骨安裝→第2層外龍骨安裝、第1層索網及碟片安裝→第3層外龍骨安裝、第2層索網及碟片安裝→第4層外龍骨安裝、第3層索網及碟片安裝→第5層外龍骨安裝、第4層索網及碟片安裝→第5層索網及碟片安裝→索網自下而上逐層第1次張拉→外龍骨整體荷載轉換→塔架拆除、三角支撐拆除→吊籃安裝→索網自上而下逐層第2次張拉→索網調整找形→吊籃拆除。
5 索網安裝方案
5.1 臨時支撐系統(tǒng)安裝
前廳部分用于支撐外龍骨的外塔架、后廳部分用于支撐外龍骨的樓層結構柱外三角挑支架的平面布置如圖5、圖6所示。
5.2索網龍骨安裝
按照圖紙設計要求，將索網主龍骨分段進行吊裝，主龍骨全部擱置在塔架和三角支撐上。主龍骨采取自下而上分段吊裝的方式進行安裝。
5.3測量定位及耳板焊接
設置一級控制網，用全站儀采取極坐標定位法進行耳板定位。測量定位完成后，在鋼龍骨上用油漆進行標示，然后將耳板焊接在鋼龍骨上。
5.4拉索安裝
1)單根拉索質量從52 - 85 kg不等，每個拉索夾具質量約為2.00 kg，每根拉索上需要安裝4- 15套鋁合金金屬壓盤。
2)在安裝現(xiàn)場根據(jù)斜向拉索編號對主體結構上的錨固部位進行標記。
3)在地面上將雙向節(jié)點接駁件分解成3塊，并且把其中金屬壓盤3和金屬壓盤2分別安裝至內層拉索上指定位置。
4)按編號順序依次把內層拉索通過第2層上設置的滑輪牽引至對應的主體結構錨固部位（本項工作可根據(jù)施工進度計劃需要，把拉索幕墻分成多個作業(yè)區(qū)段，同時進行拉索安裝工作）。
5)當拉索2個固定端均安裝至主體結構錨固處并可靠錨固后，把節(jié)點處內、外層斜向拉索卡具用對接螺栓連接，固定好2層拉索。
6)索網區(qū)格的安裝必須遵守“從下而上，從小格到大格，前后中軸對稱同步協(xié)調”原則，依次安裝拉索。其中2層斜向拉索通過金屬壓盤進行連接固定，可以形成索網的零狀態(tài)。
7)拉索安裝過程中應做好對拉索及雙向節(jié)點接駁件的保護工作，如有損壞，應及時聯(lián)系廠家維修或更換相應材料。拉索安裝步驟為：安裝外層索→安裝內層索→鎖好夾具（金屬壓盤）。
6 預應力索網張拉過程分析
6.1施工分析軟件和方法
采用大型通用有限元軟件ANSYS，考慮結構具有雙重非線性（幾何非線性和材料非線性）特征，計算中考慮幾何大變形和應力剛化效應�；贏NSYS平臺和相關規(guī)范，二次開發(fā)了鋼構件和拉索的承載力驗算程序。
6.2荷載條件
1)自重：鋼材密度為7.85×103 kg/m3;索夾重量取150 N；找力分析時不考慮索網及索夾自重作用，其他分析時再計入二者自重。
2)預張力：施工過程為分2次進行張拉，第1次張拉的預張力為15 kN，第2次張拉的預張力為30 kN。
3)支座約束條件：
(1)結構約束條件：幕墻底部與裙樓相連處為固定支座，傘撐與主體連接處為三向固定鉸支座，傘撐與鋼屋蓋連接處為彈性支座，豎向剛度為40 000 N/mm。
(2)支架附加約束條件：支撐胎架為結構在所有支撐點提供附加豎向約束，包括向上和向下約束；在鋼構和索網安裝、索網第1次張拉時存在支架附加約束，第1次張拉完成后完成支架拆除，之后不再存在支架附加約束。
6.3 3個關鍵施工階段的結構狀況
索網安裝張拉的整個施工過程主要分為第1次張拉、拆除支架、第2次張拉3個過程，控制這3個施工階段的結構狀況是整個施工過程分析的關鍵。
6.3.1第1次從下而上逐層張拉過程分析
索網第1次分層張拉以15 kN為張拉索力，從下而上逐層進行張拉。15 kN索力為索網全部張拉完成后的平均索力，在考慮索網和索夾自重后，各層索網以及同一區(qū)格內索網索力存在一定不均勻性。
分層張拉后索網索力及鋼構件應力情況如表1所示。
6.3.2拆除支架過程分析
在索網第1次分層張拉完成后進行支撐胎架的拆除。支撐分層分批進行拆除，先拆除后廳支撐三角架，再從上而下分5層拆除前廳部分支撐塔架。
分層分批進行支撐胎架拆除，索網索力及鋼構件等效應力變化如表2所示。從表中可以看出，拆除胎架對于索網索力及鋼構件等效應力影響均較小。
6.3.3索網第2次分層張拉
索網第2次分層張拉以30 kN為張拉索力，自上而下逐層張拉。第2次張拉時已拆除支撐胎架，為最后補張拉階段，使索網索力達到設計張拉索力。由于索網及索夾自重影響，30 kN索力為平均索力，各區(qū)格及區(qū)格內部上下部分均存在一定的索力不均勻現(xiàn)象。
第2次分層張拉后索網索力及鋼構件應力情況如表3所示。
7 預應力張拉
7.1張拉設備介紹
選用液壓手搖泵張拉器，對每根斜向拉索實施張拉。針對本工程實際情況，準備了15套手搖泵張拉器，如圖7所示。
7.2拉索張拉力順序
因本工程項目比較特殊，采用的是主體鋼結構邊施工、不銹鋼索邊張拉的交叉作業(yè)順序，在主體結構沒有完成卸載的情況下，鋼索安裝就基本找形完成，而待鋼結構完成卸載，鋼桁架的內應力重新分配直至最終變形完成，再調整索力直至達到設計要求。經計算分析，張拉索力比較小，每根索力約30 kN，所以對整體結構變形影響不大。根據(jù)現(xiàn)場的實際情況，采用“從下而上，從小格到大格，前后中軸對稱同步協(xié)調”的張拉順序，第1次張拉達到設計
預應力值的50%，第2次張拉達到設計預應力值的100%，第1次張拉，應在鋼結構沒有卸載的情況下完成，并且完成基本找形（具備安裝紅色大圓盤的條件），第2次張拉必須等鋼結構完全卸載并且鋼結構內應力重新分配到位后才可以進行。
7.3索力監(jiān)測
張拉過程中采用千斤頂張拉力控制的施工方法，并對部分拉索應力進行張拉過程全程監(jiān)測，索力監(jiān)測設備采用手提式測力儀。另外，張拉時監(jiān)控拉索幕墻中控制點的變形，及時對斜向拉索進行調整，以確保其滿足設計要求。張拉完畢后，全面測量拉索幕墻的形狀，如不滿足設計要求，應對斜向拉索的長度進行調整。
8 結語
武漢中央文化區(qū)漢秀劇場索網幕墻形式獨特，造型別致。為達到其晶瑩剔透的效果，采用鋼結構柱面網格狀網殼結構作為主龍骨，主龍骨相交形成的區(qū)格內設置馬鞍形預應力索膜，索網交叉點上設置紅色圓形碟片。通過對整個安裝過程的分析和計算模擬，圓滿完成了整個索網幕墻的安裝工作，也為類似工程提供了很好的借鑒。
摘要：
武漢漢秀劇場的造型取自于“紅燈籠”創(chuàng)意，為獲得紅燈籠的外形，在其主體結構外側設置了1個“燈籠皮”， “燈籠皮”采用鋼結構鋼管作為主龍骨，斜向相交形成56個區(qū)格，在區(qū)格內設置了馬鞍形預應力索膜結構。以此為例，具體介紹了馬鞍形預應力索膜結構的施工安裝技術，并通過對整個安裝過程進行分析和計算模擬，確保了理想的施工效果，可為類似工程提供借鑒。
