肇庆新区体育中心体育馆弦支穹顶结构索张拉施工技术研究

肇庆新区体育中心体育馆弦支穹顶结构索张拉施工技术研究

黄光明

黄光明

肇庆新区投资发展有限公司广东肇庆526040

摘要：肇庆新区体育中心体育馆屋盖是弦支穹顶结构，与常规弦支穹顶结构具有跨度大（跨度130m）、偏心不对称的特点，其张拉施工方法的合理性是本体育馆能否安全完成钢结构卸载的关键。本文以此为主要研究载体，重点阐述了索张拉过程所采取的方法及相关经验总结。

关键词：肇庆新区体育中心；弦支穹顶；索张拉；

一、引言

近年来，因大型体育场、机场和会展场馆等公共建筑对建筑造型空间的需要，弦支穹顶复杂钢结构越来越多得到应用。而弦支穹顶受力复杂，索张拉过程中受力变化非常敏感，现场施工影响因素较多。若其张拉方案考虑不周全，对钢屋盖最终的施工质量有关键性的影响。

二、工程概况

肇庆新体育中心体育馆钢结构屋盖为弦支穹顶结构，近似为球壳形，整个屋盖的投影近似为圆形。屋盖跨度约为130m，标高为32.285m。体育馆的上部网壳，一方面通过球形铰支座与下部Y字柱相连，一方面通过节点板销接于V形柱柱顶；外围V形柱通过48个固定铰支座与混凝土结构连接；Y字柱顶共设16个固定铰支座。下部索杆系采用肋环型索系，由环向索、径向索和撑杆构成，共设3圈，其中环向索和径向索均为1670级GALFAN索，撑杆采用圆钢管，上端与网壳采用铰节点连接，下端与索夹固接。

图2-1体育馆屋盖概况

三、张拉方法的选择

弦支穹顶结构预应力施工有三种方法：环向索张拉法、撑杆顶升法、及径向索张拉法。环向张拉法的索力较径向拉索和竖向撑杆大很多，对张拉设备要求高，张拉设备可选择性小；另外，环向张拉法只适合运用于单层网壳钢结构空中散拼做法，对工期影响大。所以本工程不采用环向张拉法。

撑杆顶升法是通过调节竖向撑杆的长度间接对结构施加预应力，适应于竖向撑杆较少，张拉吨位低的结构。而本工程三道环向索竖向撑杆达到48根，不适合采用此方法。再者，撑杆顶升法要根据钢结构安装误差确定拉索初始无应力长度，施工精度要求高，索力控制困难。所以采用撑杆顶升法也不适合。

现场施工弦支索杆系为肋环型，每根撑杆下只有一根径向索。在撑杆下节点，撑杆压力、环索和径向索的拉力是静定平衡的，即只要确定其中一类力，与之平衡的其它力也是唯一确定的。鉴于本工程的撑杆顶端为沿径向的单向转动连接，撑杆易沿径向转动，而不易沿环向转动，而且拉索在安装和张拉时撑杆均要大幅的摆动。因此，采用径向索张拉，则减少了环索连接索头，另外易于在张拉过程中控制索系的线形。

对于本工程而言，不可能对所有拉索同时同步施加预应力，通常的做法是采取分批分级的办法来实现。当结构较柔时，拉索分批分级张拉会因张拉先后顺序和张拉力级别的不同，导致群索之间的索力相互影响较大。

四、施工方案

根据本工程的特点，事先进行施工模拟分析，根据施工模拟分析指导现场施工，经详细的结构分析和方案对比，确定采用“径向索张拉法”在结构中建立所需的预应力。具体施工顺序见表4-1所示。

表4-1径向索张拉法施工顺序表

01搭设临时支撑胎架，胎架应避开环索所在的立面

02按钢结构吊装顺序依次吊装完毕

03将上索夹焊接在撑杆下端后，逐根安装撑杆

04提升安装环索，并安装下索夹和紧固高强螺栓

05对称安装和预紧径向索

06第一阶段拉索张拉从外环向内环进行

07主动将胎架与网壳脱离后，第二阶段拉索张拉从内环向外环进行

08安装和张拉稳定索和交叉索

09安装马道和屋面

1.采用径向索张拉法进行张拉

采用径向索张拉法进行张拉示意图

2.随网壳拼装过程，从内向外，逐环安装撑杆。在撑杆垂直状态下，量测撑杆下端索夹销孔至相邻撑杆顶端耳板销孔的距离，作为调整径向索长的依据。

（1）现场根据已安装网壳节点实际位置，量取径向索和各段环索的实需的安装长度，以确定安装偏差，在供货长度的基础上调整环索和径向索的安装长度；

（2）按照环索上的索夹标记以及实际撑杆安装偏差，通过提升将环索安装至撑杆下端，并紧固高强螺栓使上、下索夹夹紧索体，将环索固定在索夹上；

（3）对称安装和预紧径向索。

3.径向索分两阶段循环张拉

（1）拉索未张拉时，结构为一单层网壳，为保证施工阶段结构安全性，第一次循环张拉时，不主动落架。第一次循环张拉结束后，结构为完整的弦支穹顶，为避免支撑胎架对拉索张拉的影响，因此，第二次循环张拉前，将所有钢管支架主动脱离网壳结构。考虑到最外环拉索的重要性，第二次循环张拉从内环向外环进行。

（2）体育馆（三环索杆系）两阶段循环张拉顺序为：预紧->外环径向索张拉90%初张力->中环径向索张拉90%初张力->内环径向索张拉90%初张力->主动脱架->内环径向索张拉100%初张力->中环径向索张拉100%初张力->外环径向索张拉100%初张力。

4.同环内的拉索分批张拉

同环内的径向索分四批张拉，每次张拉4根。以外环为例，中间环和内环径向索同理，见下图：

第三批

第四批

体育馆同环内拉索分批张拉顺序

具体张拉顺序为：

第一批张拉B7-3，B7-11，B7-19，B7-27轴径向索；

第二批张拉B7-7，B7-15，B7-23，B-31轴径向索；

第三批张拉B7-1，B7-9，B7-17，B7-25轴径向索；

第四批张拉B7-5，B7-13，B7-21，B7-29轴径向索。

五、索张拉模拟分析

用ANSYS通用有限元分析软件，分析方法采用几何非线性和材料非线性分析，牛顿-拉斐逊迭代求解，考虑应力刚化效应。分析模型包含了钢构件、拉索和支撑胎架。具体如图5-1所示。

图5-1索张拉分析模型图

通过屋面施工分析荷载及工况模拟分析，得出如下结论：

1．-x方向最大水平位移为-9.4mm，出现在屋面交叉索和稳定索并张拉，以及屋面施工时；+x方向最大水平位移为8.4mm，出现在张拉最外圈第四批4根径向索至100%初始预张力；

2．-y方向最大水平位移为-7.1mm，出现在屋面交叉索和稳定索并张拉，以及屋面施工时，+y方向最大水平位移为+8.9mm，也出现在第屋面交叉索和稳定索并张拉，以及屋面施工时；

3．-z方向最大竖向位移为-70.8mm，出现在屋面交叉索和稳定索并张拉，以及屋面施工时，+z方向最大竖向位移为49.5mm，出现在张拉体育馆最外圈第四批4根径向索至100%初始预张力。

拉索最大应力和索力分析结论：最大钢结构等效应力为59.7MPa，出现在张拉体育馆最外圈第四批4根径向索至90%初始预张力，整体应力水平较低，钢构处于弹性应力状态；分批张拉过程中，径向索的最大施工张拉力为1340kN。安装屋面后，最大径向索力为1570kN，出现在屋面交叉索和稳定索并张拉，以及屋面施工时；

第一阶段从外向内逐环张拉过程中，网壳逐渐上挠；待第一阶段张拉完成后，网壳与部分支架尚未脱离，需要主动落架卸载。

五、结语

通过以上受力分析研究，肇庆新区体育中心体育馆采用分批次径向索张拉的施工方法，现体育馆已竣工验收，钢结构卸载后健康监测数据均在设计要求的范围内。鉴于本工程中弦支穹顶施工技术的特点及索张拉过程复杂性，进行相关初步总结和研究，为其他类似的工程施工提供参考。

参考文献

[1]《弦支穹顶结构》科学出版社，2010

[2]《钢结构工程施工质量验收规范（GB50205-2001）》，中国计划出版社，2001

[3]《钢结构施工技术及实例》，中国建筑工业出版社，2006

[4]《空间网格结构技术规程》，JGJ7-2010