郭正興武漢體育館弦支穹頂屋蓋預應力拉索施工

1、武漢體育館弦支穹頂屋蓋預應力拉索施工郭正興 石開榮 羅斌 張建（東南大學土木工程學院， 江蘇 南京 210096） （南京東大現(xiàn)代預應力工程有限責任公司， 江蘇 南京 210018）摘 要武漢體育館鋼屋蓋為一大跨弦支穹頂結(jié)構(gòu)體系，結(jié)合該結(jié)構(gòu)特點，詳細介紹了預應力拉索安裝及張拉的施工工藝，為類似新型空間結(jié)構(gòu)的研究與應用提供了有益的參考。關(guān)鍵詞弦支穹頂，拉索，撐桿，施工，預應力1 工程概況與結(jié)構(gòu)特點武漢體育中心二期工程體育館為2007年第六屆全國城市運動會主要賽場之一，其下部主體為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，上部屋蓋采用鋼結(jié)構(gòu)，位于武漢經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)。建成后將容納1.2萬至1.3萬名觀眾觀看比賽，為湖北地區(qū)規(guī)

2、模最大的現(xiàn)代體育館，不僅能滿足高水平體育競賽和大型文化活動的需要，同時還能滿足市民日常健身娛樂和文化體育生活的需要。該工程上部鋼屋蓋采用了一新型弦支穹頂（亦稱索承網(wǎng)殼）結(jié)構(gòu)（圖1），是傳統(tǒng)空間網(wǎng)殼與索穹頂?shù)幕旌象w，即：屋蓋上部采用扁平雙層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，其外形為橢圓拋物面，水平投影為一橢圓，長軸方向總長165m，短軸方向總長145m，投影面積約18800m2。網(wǎng)殼上弦曲面由下弦曲面向上平移3m形成，網(wǎng)格由三向交叉桁架單元組成，采用焊接球節(jié)點連接。屋蓋下部采用整體張拉索桿體系，共設(shè)三環(huán)拉索，每環(huán)均設(shè)雙根環(huán)向索，環(huán)向索、徑向索和網(wǎng)殼之間通過撐桿（299×7.5）相連。三者之間為一有機整體，對拉

3、索施加預應力后，將大大減小屋蓋結(jié)構(gòu)對支座的水平推力，網(wǎng)殼的豎向變形及桿件內(nèi)力也得到降低，從而改善了結(jié)構(gòu)的整體受力性能。（a）整體效果圖（b）鋼屋蓋平面圖 （c）鋼屋蓋立面圖 （d）索桿布置圖圖1 武漢體育中心二期工程體育館郭正興，男。1956.8出生，教授，博導2 預應力拉索材料及規(guī)格該工程采用1670級5.3鍍鋅鋼絲雙護層扭絞型拉索，內(nèi)層PE為黑色耐老化高密度聚乙烯（HDPE），外層為白色PE。其中，徑向索索頭為熱鑄錨，環(huán)向索索頭為冷鑄錨，環(huán)向索采用雙索體系，由連接鋼棒相連。3 預應力拉索施工3.1 該工程拉索施工特點拉索施工主要包括拉索的安裝和張拉兩大部分。該工程拉索體量大、分布面廣、單根

4、長度較長（最長達166m），且由徑向索、環(huán)向索及撐桿組成整體張拉索桿結(jié)構(gòu)體系。首先，拉索施工需穿插于普通網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的施工中，與普通鋼結(jié)構(gòu)的施工順序、方法和工藝密切相關(guān)。其次，弦支穹頂屋蓋預應力的建立方法不同于普通預應力鋼結(jié)構(gòu)。由于整體張拉索桿結(jié)構(gòu)體系，徑向索、環(huán)向索及撐桿為一有機整體，索力與撐桿內(nèi)力相互影響、互為依托。不同的張拉方法、張拉順序?qū)Y(jié)構(gòu)內(nèi)力分布及變形有較大的影響。為在結(jié)構(gòu)中建立有效的預應力，并盡量縮短或少占用工期，應確定合理的張拉力、張拉方法和張拉順序。3.2 鋼屋蓋施工總體流程結(jié)合本結(jié)構(gòu)特點及施工現(xiàn)場實際條件，屋蓋總體安裝順序如下：鋼網(wǎng)殼分區(qū)塊安裝（中部區(qū)域采用頂升和懸拼安裝），拉

5、索和撐桿的安裝穿插其中網(wǎng)殼合攏拆除屋蓋外圍鋼管支架拉索張拉拆除屋蓋中心區(qū)域頂升支架。其中，中部區(qū)域頂升經(jīng)優(yōu)化后采取8點頂升。圖2 鋼屋蓋總體安裝流程圖3.3 拉索及撐桿安裝1.安裝基本原則（1）根據(jù)網(wǎng)殼安裝過程，拉索和撐桿依次從內(nèi)環(huán)向外環(huán)安裝；（2）同一環(huán)內(nèi)，先安裝撐桿，再安裝環(huán)向索，最后安裝徑向索。2.安裝順序工廠里拉索及撐桿編號，拉索初始長度確定，及環(huán)向索索夾定位拉索索盤運輸就位開盤放索安裝撐桿（預先縮短）和索夾掛環(huán)向索和徑向索調(diào)節(jié)環(huán)向索和徑向索的初始長度，并預緊。3.安裝控制要點（1）撐桿下料時嚴格控制精度，安裝前按實際位置對每根撐桿編號，撐桿上端耳板下料時同樣嚴格控制精度并編上號，焊接

6、時嚴格控制方向定位及焊接質(zhì)量。這樣既方便安裝，也便于保證精度。（2）在工廠里對拉索進行嚴格精確編號和標記。根據(jù)這些標記，在現(xiàn)場進行拉索及索夾的安裝和索長的調(diào)節(jié)。這樣既便于實際安裝，更重要的是為了撐桿下節(jié)點索夾的精確定位和拉索初始態(tài)索長的確定。（3）拉索安裝前，需對徑向索調(diào)節(jié)螺桿、環(huán)向索連接棒、撐桿螺桿螺母等涂適量黃油潤滑，以便于擰動。（4）應嚴格根據(jù)兩耳板之間的實際距離控制現(xiàn)場拉索安裝，拉索的初始長度嚴格按計算要求和現(xiàn)場實測節(jié)點板銷孔間距確定。3.4 拉索張拉1.拉索張拉總體原則（1）模擬張拉過程，進行施工全過程力學分析，預控在先。（2）等網(wǎng)殼主體鋼結(jié)構(gòu)和拉索全部安裝完成后進行張拉。（3）張拉

7、順序由外到內(nèi)、每環(huán)同步、分區(qū)控制、分級加載。即：張拉由外環(huán)到內(nèi)環(huán)進行，各環(huán)同步分級張拉。（4）拉索張拉控制采用雙控原則：控制力和結(jié)構(gòu)變形，其中以控制力為主。2.拉索預應力建立方法選取對于弦支穹頂結(jié)構(gòu)拉索預應力的建立通常有3種基本方法，即：（1）環(huán)向索張拉法環(huán)向索張拉法：對環(huán)向索施加作用力使其環(huán)向伸長。因環(huán)向索索力（近3000kN）相對徑向索索力和撐桿軸力大許多，因此，張拉裝置的噸位會很大，操作難度較高，臨時操作架承受荷載較大，張拉過程中索力難以控制和調(diào)整。（2）徑向索張拉法徑向索張拉法：指調(diào)整好環(huán)向索初始索長和撐桿長度后，直接對徑向索張拉建立預應力。因該工程徑向索索力適中，拉索伸長量也較小，因

8、此對張拉裝置要求不高。但是，徑向索數(shù)量達40根，若每環(huán)同步張拉，需多套張拉設(shè)備；若受張拉設(shè)備數(shù)量限制，采取拉索對稱循環(huán)張拉與調(diào)整，則工作量很大，工期難以確保，且最終索力不易控制。（3）撐桿調(diào)節(jié)法撐桿調(diào)節(jié)法：通過調(diào)節(jié)撐桿長度來建立預應力的一種間接施加預應力的方法。結(jié)合該工程的特點，撐桿軸力遠小于環(huán)向索、徑向索索力，因此張拉裝置噸位要求較低，且每環(huán)撐桿數(shù)量有限（不多于20根），同一環(huán)中相鄰撐桿間的軸力差別也不大，易于分區(qū)控制，方便各環(huán)整體施加預應力，利于結(jié)構(gòu)受力成形，且縮短工期。但該方法要求拉索預先精確定出初始索長，即通過計算機進行虛擬張拉分析、并根據(jù)現(xiàn)場鋼結(jié)構(gòu)安裝誤差，確定拉索初始無應力長度，做

9、到預控在先，技術(shù)難度較高。綜上對比，該工程弦支穹頂拉索預應力建立采取撐桿調(diào)節(jié)法，即事先調(diào)整好徑向索和環(huán)向索的初始索長，然后采用調(diào)節(jié)撐桿（299×7.5）長度來建立預應力。撐桿頂撐示意如圖3、4所示：圖3 撐桿頂撐示意圖（虛線為初始安裝位置）圖4 撐桿頂撐工裝示意圖3.拉索張拉順序及程序基本張拉順序為：由外到內(nèi)（外環(huán)中環(huán)內(nèi)環(huán)）。同一環(huán)撐桿同步頂撐，且一次到位（預緊100%頂撐力）。為保證撐桿頂撐的同步性和拉索索力的均勻性，各環(huán)同步頂撐時進行分級控制，即：預緊30%70%90%100%頂撐力。基本張拉順序如圖5所示：（a）拉索安裝完并預緊 （b）外環(huán)撐桿頂撐 （c）中環(huán)撐桿頂撐 （d）內(nèi)

10、環(huán)撐桿頂撐圖5 基本張拉順序示意圖（虛線表示未張拉的拉索）4.拉索張拉控制分區(qū)及張拉設(shè)備拉索實際張拉施工采取分區(qū)控制頂撐撐桿的方法，這樣更利于整體協(xié)調(diào)，方便施工控制，提高工作效率。分區(qū)的原則考慮以下幾方面：（1）在分區(qū)范圍內(nèi)，撐桿頂撐力的大小基本接近。（2）撐桿點的位置。同一區(qū)的各撐桿點位置宜盡量相鄰接近，以方便油泵油管的布置。根據(jù)以上原則，對各環(huán)拉索進行分區(qū)同步控制張拉，每臺油泵同時控制23臺千斤頂。具體分區(qū)如下（圖6）：（a）外環(huán)：分8個區(qū) （b）中環(huán)：分8個區(qū)（c）內(nèi)環(huán)：分6個區(qū)圖6 拉索張拉分區(qū)控制圖張拉設(shè)備主要采用100T和60T千斤頂共20臺，并裝配成張拉工裝（圖4）。千斤頂23臺

11、并聯(lián)，在正式使用前必須在試驗機上進行配套標定。油泵的油壓表選用精密壓力表，千斤頂與油壓表配套校驗。此外，所采用的張拉設(shè)備還具備了以下特點，能夠方便、準確地對撐桿軸力進行實時調(diào)整：（1）千斤頂同批制造，千斤頂間相對誤差不大。（2）在油泵同時對幾臺千斤頂同時供油時，采用了具有單臺調(diào)控壓力的分油控制器，可實現(xiàn)對單臺千斤頂張拉力的精細調(diào)控。5.拉索張拉施工要點及注意事項為保證拉索張拉施工順利實施，確保拉索施工質(zhì)量，采取以下幾點措施：（1）為避免預應力施工對下部混凝土結(jié)構(gòu)的影響,屋蓋結(jié)構(gòu)在拉索張拉前，外圍邊界支座保持為可滑移狀態(tài)，待預應力施加完畢后再將外圍邊界彈性支座固定。（2）張拉過程由外到內(nèi)，同一環(huán)

12、撐桿同步分級頂撐，千斤頂頂推撐桿過程中，油壓緩慢、平穩(wěn)，并且邊頂撐邊擰緊撐桿調(diào)節(jié)螺母。（3）千斤頂與油壓表需配套校驗，并作主被動標定。嚴格按照標定記錄，推算與撐桿施工頂撐力一致的油壓表讀數(shù)，并依此讀數(shù)控制千斤頂實際頂推力大小。油壓表采用0.4級精密壓力表。（4）撐桿頂撐過程中，按照各環(huán)油泵控制分區(qū)，撐桿每臺千斤頂及油泵均由專人負責，并由一名技術(shù)人員統(tǒng)一指揮、協(xié)調(diào)管理。（5）按分區(qū)整體頂撐過程中，嚴格通過油壓表讀數(shù)對撐桿頂撐力進行控制，并結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果，對個別軸力誤差較大的撐桿實施分油器直接調(diào)控單臺千斤頂?shù)捻敁瘟?，以確保施工精度。整個施工過程中進行雙控，即控制力和變形，其中以控制力為主。6.拉

13、索張拉施工控制與檢測拉索正式張拉施工前進行了詳細的理論計算分析，由分析可知：因屋蓋鋼網(wǎng)殼采取了中心區(qū)域整體頂升漸擴技術(shù)，并與周邊采取高空散拼拼裝區(qū)域合攏，最終安裝完畢后，屋蓋結(jié)構(gòu)實際幾何位形與理論設(shè)計狀態(tài)并不一致，而且難以調(diào)整至設(shè)計狀態(tài)。因此，拉索張拉前的屋蓋初始態(tài)應依據(jù)考慮實際施工過程的分析結(jié)果，對拉索張拉進行施工控制。（1）撐桿頂撐力控制：首先撐桿頂撐力的控制，主要根據(jù)各環(huán)各分區(qū)精密油壓表的讀數(shù)進行主動控制，嚴格按照計算所得撐桿實際施工頂撐力大小進行控制。（2）拉索索力控制：拉索索力隨撐桿頂撐伸長而建立，在撐桿頂撐過程中對拉索索力進行了測試。業(yè)主指定的第三方監(jiān)測單位采用了電阻應變片對拉索索

14、力進行測試，而我方為確保施工質(zhì)量，對拉索張拉進行自檢，采用了較精密的智能弦式數(shù)碼應變計（帶溫度修正）進行了索力跟蹤測試。（3）網(wǎng)殼構(gòu)件應力控制：在拉索張拉施工過程中，嚴格控制網(wǎng)殼鋼構(gòu)件的應力比，不出現(xiàn)超應力構(gòu)件。第三方監(jiān)測單位采用電阻應變片對典型鋼構(gòu)件進行了應力測試。（4）屋蓋變形及支座位移控制：屋蓋結(jié)構(gòu)的變形隨著拉索張拉而產(chǎn)生變化。拉索的張拉，不僅可以優(yōu)化結(jié)構(gòu)桿件內(nèi)力，而且可以調(diào)整結(jié)構(gòu)變形，因此對結(jié)構(gòu)變形的監(jiān)控必不可少。我方選用了全站儀及配套的反光膜片，對結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點位移進行了跟蹤監(jiān)控。4 其它（1）由于屋蓋鋼結(jié)構(gòu)施工采用了非常規(guī)的安裝方法，施工成形過程對結(jié)構(gòu)在正常使用狀態(tài)下的性能勢必產(chǎn)生影響。為保證結(jié)構(gòu)在正常使用狀態(tài)的可靠性，對其進行了考慮施工全過程的分析與驗算。（2）對鑄鋼索夾進行了深化設(shè)計（如圖7所示部分典型索夾），設(shè)計時為了將徑向索、環(huán)向索及撐桿受力匯交于一點，各環(huán)索均采用了雙索形式（索環(huán)于同