福州海峽奧體中心體育館空間弦支結構預應力施工技術
張 強，朱 瑩，陳 茜，曾銀枝，董 越
（中國建筑科學研究院建研科技股份有限公司，北京100013）
[摘要]福州海峽奧林匹克體育中心體育館屋蓋采用四邊形環(huán)索空間弦支雙向網(wǎng)格結構，具有跨度大、結構復雜、拉索張拉力大、張拉控制精度要求高等特點。根據(jù)結構特點及有限元分析結果，采用從外到內(nèi)，分級同步張拉的施工方案。結合現(xiàn)場條件采用有效的安裝方式，針對結構節(jié)點構造設計出合理的張拉工裝，解決了高空安裝與張拉的施工難點，實現(xiàn)了結構
荷載的有效傳遞。通過仿真結果分析、拼裝精度控制、索長誤差調(diào)整等實現(xiàn)了結構形態(tài)的精確控制。
[關鍵詞]體育館；弦支結構；張弦梁；同步張拉；施工技術 [中圖分類號] TU758.1
1 工程概況
福州海峽奧林匹克體育中心體育館總建筑面積44240m2，最高點標高39. 7m。下部結構采用鋼筋混凝土框架．剪力墻體系，屋面采用四邊形環(huán)索空間弦支雙向網(wǎng)格結構，效果圖如圖1所示。
體育館屋面中心區(qū)域（環(huán)梁以內(nèi)部分）采用四邊形環(huán)索弦支一張弦預應力組合結構，最大跨度75. 9m，環(huán)梁以外部分采用平面主次桁架結構。屋蓋體系由三圈環(huán)索、三圈徑向索，以及兩榀張弦梁結構組成；每圈環(huán)索及徑向索均由四根拉索組成，拉索體系結構詳見圖2。本工程拉索采用ɸ5或ɸ7高強鋼絲組成的PE成品索，拉索最小直徑ɸ69mm，最大直徑ɸ164mm。
2 拉索施工特點及難點分析
- 單根拉索張拉力大、節(jié)點空間狹小
拉索最大張拉力達3747kN，這使得千斤頂連同配套工裝總重量超過2t；且索頭節(jié)點位置空間極其狹小，工裝反力節(jié)點無法固定在鋼結構上，這給索的張拉帶來很大的難度。
2)張拉控制難度大
由于結構內(nèi)部為四邊環(huán)索支撐，斜索為主動索，環(huán)索被動受力，張拉時結構支撐索系為一機動體系，任何不同步的張拉會導致?lián)螚U的單向或雙向偏移，影響結構空間形態(tài)，因此，對拉索張拉的同步性要求特別高。
3)高空操作風險高
由于索的位置高，導致操作平臺均設置在約30m高空，而且施工設備不僅重，又需要重復使用，高空施工風險特別大。
3 總體張拉方案的確定與施工過程仿真分析
1)張拉方案的選取分析
根據(jù)空間弦支雙向網(wǎng)格結構特點，結構上部荷載通過撐桿、環(huán)索、斜索逐步傳遞到結構支座處，因此總體張拉方案的確定上為從外向內(nèi)逐步進行；對于張弦與弦支結構的張拉順序，采用先張拉弦支結構，后張拉張弦結構。根據(jù)對結構的整體分析結果，再結合施工張拉效率，最后確定分兩級張拉。
結合張弦及弦支結構張拉過程中撐桿的偏移情況，確定對弦支部分選用通過四點斜索進行張拉，而對張弦部分采用一端端部張拉。張拉分級上，第一級選取張拉成型力值的50%，第二級為張拉成型力值的100%。
2)施工過程仿真分析
分析時采用ANSYS程序，建立了整體鋼結構屋蓋的計算模型。計算模型中，張弦梁的上弦梁采用梁單元beam 188模擬，預應力拉索采用僅拉單元Link10模擬，撐桿單元采用link8模擬。所有結構構件的位置和截面參數(shù)均按照設計圖紙的條件輸入，鋼材彈性模量為2.06×105 N/mm2；拉索為半平行扭絞鋼絲束，彈性模量為1.95×105 N/mm2，實際施工時，將根據(jù)廠家提供的數(shù)值進行調(diào)整。計算模型如圖3所示。
本工程中弦支穹頂部分的斜索、環(huán)向索以及張弦梁的下弦索相互之間索力關聯(lián)緊密，任一拉索索力的調(diào)整都將引起其他拉索索力的變化，因此，為達到結構施工圖中要求的張拉控制索張力，需對拉索索力進行迭代求解。張弦拉索和外環(huán)斜索在張拉過程中的索力變化情況見表1。
通過索力分布圖（見圖4）和變化曲線（見圖5）可以看出：張拉過程中，除起點和分級點附近外，索力增長均勻；張拉對不同部位索力存在一定的相互影響，但總體影響不大，幅度為20%左右。因此，張拉過程選取“二級張拉到位”及先弦支后張弦的張拉順序是合理的。
3)撐桿的預偏移
屋蓋在張拉過程中，下弦拉索因受拉而向外移動，因此撐桿的上下兩端會出現(xiàn)相對移動。如果安裝時撐桿處于豎直狀態(tài)，則在張拉完成后，撐桿會呈現(xiàn)明顯的傾斜。為實現(xiàn)拉索張拉完畢，且屋面安裝完成后，撐桿完全垂直于地面，需對撐桿上下兩端在張拉過程中的偏移量進行分析，并采取相應的預偏移措施。經(jīng)過計算分析，張弦梁的撐桿沿張拉反方向預偏，弦支結構的撐桿沿平面兩個方向同時預偏。撐桿下節(jié)點編號見圖6。通過分析，計算出各撐桿的預偏值，在ZX1節(jié)點預偏的最大值為118 mm。
張拉過程的監(jiān)測表明，撐桿的預偏值與實際位移量基本吻合，后期屋面安裝后，基本達到預期的垂直態(tài)。
4 預應力拉索張拉施工流程
預應力拉索張拉應依據(jù)施工模擬分析確定的張拉力值，按照施工方案的施工順序，保證索張拉力的正確建立和施工現(xiàn)場的人員安全，依次可靠地進行拉索張拉施工。具體施工流程見圖7。
5 拉索施工關鍵技術措施
1)安全防護措施
①預應力張拉操作平臺的搭設
本工程施工全部為高空作業(yè)，操作平臺高度約30m，所以必須搭設合理的操作平臺。依據(jù)現(xiàn)場的實際條件，選擇利用屋蓋鋼結構搭設操作平臺(見圖8)，平臺尺寸約為3m x3m，以滿足施工作業(yè)要求。
②三向節(jié)點撐桿防護措施
因環(huán)索與徑向索交叉節(jié)點的撐桿在結構體系受力后，承受向上的壓力，但在施工階段，撐桿在自重作用下所承受的為向下的拉力。由于撐桿連接節(jié)點按照受壓設計，在安裝階段拉力作用下極為不利，所以在撐桿上節(jié)點處用“倒7形板”與主體結構焊接，同時用鋼絲繩對撐桿拉結進行加強，具體見圖9。
2)拉索的運輸與安裝
由于大型車輛無法進入場館內(nèi)部，拉索的運輸只能依靠場地周邊的三臺塔吊配合完成。其中較長拉索的重量超出塔吊吊裝能力，最后采用把拉索在索頭處先拆分后吊裝，進場后重新組合的施工方式（見圖10）。
因拉索跨越距離大、直徑大、重量重，受施工場地條件限制，采用兩端牽引的方式進行拉索的安裝；實際施工時利用兩臺卷揚機的牽引，塔吊輔助吊裝，就位時采用人工及倒鏈措施輔助糾偏入位，見圖11。
3)索的張拉工裝設計
本工程拉索張拉力大，外環(huán)斜索張拉力達3747kN，同時耳板節(jié)點為鑄鋼節(jié)點，再加上機構交叉桿件，節(jié)點構造十分復雜。由于節(jié)點處空間狹小，弦支結構斜索與張弦拉索在空間上位于同一點，具體構造見圖12。因此，常規(guī)張拉中所采用的在鋼結構上設置反力架的方式此處無法實現(xiàn)。
鑒于本工程的特殊情況，將工裝的反力點設計在叉耳式索頭端部和索體與索頭連接處，此時，僅依靠拉索自身便可形成張拉的反力體系，具體見圖13。由于這種工裝不需要與主體結構連接，不但方便張拉，并且拆卸后可以重復使用，大大加快了施工進程，外環(huán)斜索與張弦梁均采用此種張拉工裝。
中環(huán)斜索與內(nèi)環(huán)斜索索頭節(jié)點形式類似(見圖14)。由于此處的拉索張拉力相對較小，因此采用了在索頭與錨固耳板之間的空隙內(nèi)插入一根橫梁作為反力點的工裝形式（見圖15）。此種形式的工裝小巧、便捷，在張拉完畢后直接拆除即可。
4)拉索張拉控制
拉索的張拉控制是本工程難點，被動拉索的索力，豎向撐桿張拉后的成形位置等均通過張拉控制來保證。實際施工時，張拉控制主要措施為：
①以施工模擬分析結果為依據(jù)
嚴格按照施工模擬分析的順序、張拉力值進行施工，同時反饋主體結構監(jiān)測點的位移變化，對比偏差，指導后續(xù)施工。施工模擬分析是指導張拉施工的依據(jù)。
②精確測量與定位
首先對現(xiàn)場鋼結構拼裝情況進行復測，再根據(jù)測量結果對仿真分析結果進行調(diào)整，最后根據(jù)調(diào)整后的結果再對撐桿進行定位。通過上述三步有效保證撐桿成形后的位置。
③索長初始長度的調(diào)整
被動拉索在安裝前需要確定拉索的初始長度。初始長度的確定是在仿真分析的基礎上，再考慮拉索受力后的伸長量、拉索的加工誤差、鋼結構耳板的安裝誤差等因素，對原始索長進行修正調(diào)整而確定（見圖16）。
④張拉過程的同步控制
對主動拉索的張拉為先分級再逐步加載，即每一級的張拉受力過程分成多個等級，確保四點張拉的同步性；對相同拉索的張拉，也可以適當參考螺紋間距變化量的同步。
施工結果表明，通過上述措施有效地保證了拉索的受力及結構的形態(tài)，尤其是撐桿的垂直度得到了很好的控制，達到了預期的效果。
6 施工過程監(jiān)測
施工過程需要對張拉力值與結構變形同時監(jiān)測，以保證結構成型后力與形的統(tǒng)一。索力的測量由標定過的油壓表讀數(shù)完成，主體結構位移量的監(jiān)測（控制點位置編號見圖17），通過在場地內(nèi)部設置全站儀對標記點進行測量，具體見圖18。
圖19與圖20為監(jiān)測點K6和K8的位移量對比曲線。由對比曲線可以看出，主體結構監(jiān)測點實際位移量與理論值偏差基本在10mm之內(nèi)，監(jiān)測數(shù)據(jù)與理論分析結果變化趨勢基本一致，以上結果也表明施工過程科學合理，結構受力與形態(tài)與預期一致。
經(jīng)過兩級同步張拉后，拉索索力達到設計力值，結構監(jiān)測點變形量符合理論分析結果，結構形態(tài)撐桿垂直度均滿足設計要求。施工完成后整體效果見圖21。
7 結語
福州海峽奧林匹克體育中心體育館屋蓋弦支一張弦預應力組合結構已順利完成，拉索的張拉力達到了設計力值，結構變形與理論分析數(shù)據(jù)偏差控制在10mm以內(nèi)，撐桿預偏移位置準確，符合驗收規(guī)范要求。該工程的順利施工表明了采用“分級同步張拉”施工方案的科學性、仿真計算分析的準確性、張拉工裝設計的合理性及張拉控制的精確性，可為其他類似工程的施工提供參考。
下一篇:返回列表
