高空大跨度索桁式弦支結(jié)構(gòu)施工與監(jiān)測(cè)技術(shù)

高空大跨度索桁式弦支結(jié)構(gòu)施工與監(jiān)測(cè)技術(shù)廣廈建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司

樂清體育中心位于浙江省樂清市旭陽路，其中體育館建筑面積22155m2，南北長(zhǎng)約為148m，東西寬約為128m，屋面最高標(biāo)高為28m，上部覆蓋剛性屋面。屋蓋結(jié)構(gòu)采用索桁式弦支結(jié)構(gòu)，由單層曲面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)和空間索桁結(jié)構(gòu)雜交而成，內(nèi)圈是弦支結(jié)構(gòu)，外圍是索桁結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)軸側(cè)圖如圖1所示。體育館周邊的V形柱和上下環(huán)梁形成的環(huán)形桁架作為屋蓋支撐體系。

一、工程概況圖1：結(jié)構(gòu)軸側(cè)圖

索桁式弦支結(jié)構(gòu)的索系由徑向外斜索、徑向內(nèi)斜索、外環(huán)索、內(nèi)環(huán)索和吊索組成，索桁式弦支結(jié)構(gòu)剖面如圖2所示。徑向梁截面為口500x400x16x18、口800x400x25x25，徑向梁間內(nèi)環(huán)梁截面為口500x400x16x18，外環(huán)梁截面為Ф273x10。圖2：索桁式弦支結(jié)構(gòu)剖面圖

所有拉索均采用光面柔性索，外斜索截面為Ф7x121，外環(huán)索截面為Ф7x301，內(nèi)斜索截面為Ф7x19，內(nèi)環(huán)索截面為Ф7x31。

二、施工方法

索桁式弦支結(jié)構(gòu)必須要在結(jié)構(gòu)中建立預(yù)應(yīng)力，通過張拉具有足夠的剛度，以承受荷載和維持形狀。弦支穹頂結(jié)構(gòu)一般采用搭設(shè)滿堂腳手架，在腳手架上組裝索系，然后進(jìn)行各索的張拉。但本工程屋蓋采用的是索桁式弦支結(jié)構(gòu)，空間更復(fù)雜，施工難度更大，采用“低空無應(yīng)力組裝，空中牽引提升，高空分級(jí)同步張拉”的施工方法，其中外圍環(huán)索采用低空組裝同步提升，徑向外斜索分兩段進(jìn)行提升，內(nèi)圈弦支結(jié)構(gòu)在地面組裝后整體提升；預(yù)應(yīng)力施工采取分批分級(jí)同步張拉徑向內(nèi)外斜索的施工技術(shù)。2.1.1支撐胎架安裝支撐胎架采用8個(gè)鋼結(jié)構(gòu)格構(gòu)柱，將支撐胎架搭設(shè)至單層曲面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)和空間索桁結(jié)構(gòu)位置，并在格構(gòu)柱之間采用水平鋼梁連接以提高整體穩(wěn)定性,如圖3所示。

2.1單層曲面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)安裝圖3：鋼結(jié)構(gòu)格構(gòu)柱布置圖2.1.2內(nèi)圈曲面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)安裝

先安裝內(nèi)圈曲面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，再安裝外圍曲面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。安裝內(nèi)圈曲面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)時(shí)，先將最中心位置的徑向梁交叉節(jié)點(diǎn)（如圖4所示）單獨(dú)作一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行吊裝。然后整段吊裝通長(zhǎng)徑向梁，通長(zhǎng)徑向梁之間的環(huán)梁和徑向梁組成一個(gè)單元在地面拼裝完成后整塊吊裝。圖4:徑向梁交叉點(diǎn)

2.1.3外圍曲面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)安裝

按區(qū)塊對(duì)稱同步安裝的方法進(jìn)行吊裝施工，即首先對(duì)稱同步安裝兩個(gè)區(qū)塊，然后再對(duì)稱同步安裝相鄰的兩個(gè)區(qū)塊，以此類推，直到全部完成。采取“分區(qū)進(jìn)行、每步歸零”的焊接原則，避免長(zhǎng)距離誤差積累。最后曲面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)分別在長(zhǎng)軸兩端完成合攏形成整體，合攏溫度為20℃±2℃。圖8：網(wǎng)格結(jié)構(gòu)完成吊裝圖6：吊裝相鄰徑向梁圖5：分段吊裝徑向梁圖7：吊裝區(qū)塊內(nèi)環(huán)梁合攏縫合攏縫2.2、拉索安裝

2.2.1外環(huán)索安裝外環(huán)索在地面進(jìn)行低空無應(yīng)力組裝，如圖10所示。然后在外環(huán)索垂直平面上的鋼環(huán)梁位置安裝提升工裝，并安裝垂直提升千斤頂，如圖11所示；在索夾兩側(cè)設(shè)置吊點(diǎn)，外環(huán)索與索夾組裝完成后利用垂直提升千斤頂同步提升外環(huán)索。圖11：垂直提升千斤頂安裝圖10：外環(huán)索低空無應(yīng)力組裝外斜索與環(huán)索索夾對(duì)接安裝垂直提升千斤頂環(huán)索提升環(huán)索與環(huán)索索夾對(duì)接

2.2.2徑向外斜索1安裝

首先將徑向外斜索1與環(huán)索通過環(huán)索夾進(jìn)行對(duì)接，所圖12所示。圖12：外斜索一端與環(huán)索夾連接圖13：提升環(huán)索并安裝撐桿當(dāng)徑向外斜索1與環(huán)索連接完成，繼續(xù)同步提升環(huán)索，如圖13、14所示。當(dāng)提升高度達(dá)到撐桿高度時(shí)，安裝索夾完成撐桿與徑向外斜索的連接。2.2.3徑向外斜索2安裝將徑向外斜索2吊至徑向鋼梁上并展開。在鋼結(jié)構(gòu)上環(huán)梁的上部安裝室外斜索提升裝置，先牽引徑向外斜索1另一端索頭，使之穿過徑向鋼梁預(yù)設(shè)孔，如圖15、16所示，并與徑向外斜索2連接。然后通過徑向外斜索2提升裝置牽引徑向外斜索2索頭，將整根外斜索牽引到位后將其與外環(huán)鋼梁耳板連接。外斜索提升裝置牽引外斜索1，穿越徑向鋼梁預(yù)留孔提升外斜索2到上環(huán)梁位置提升外斜索至撐桿位置2.2.4吊索、撐桿與索夾的連接徑向外斜索對(duì)接完成后，進(jìn)行吊索與索夾、撐桿與索夾的連接，徑向外斜索牽引到位情況如圖17所示。圖17：徑向外斜索牽引到位對(duì)接吊索索夾對(duì)接吊索索夾牽引至撐桿處焊接斜索穿屋面情況2.2.5內(nèi)圈索系安裝外圍索系安裝完成后，安裝內(nèi)圈索系。內(nèi)圈弦支結(jié)構(gòu)的索桿全部在地面組裝完成，先安裝內(nèi)環(huán)索，再安裝內(nèi)斜索，內(nèi)環(huán)索與內(nèi)斜索通過索夾進(jìn)行連接，然后整體提升到結(jié)構(gòu)標(biāo)高位置。內(nèi)圈索系地面拼裝，整體提升內(nèi)圈索系地面拼裝，整體提升

2.3.1張拉方案根據(jù)結(jié)構(gòu)體系的特點(diǎn)，采用張拉徑向斜索的方法在結(jié)構(gòu)中建立預(yù)應(yīng)力。內(nèi)圈弦支結(jié)構(gòu)和外圍索桁體系在結(jié)構(gòu)受力上相對(duì)獨(dú)立，通過對(duì)先張拉外圍再張拉內(nèi)圈的施工模擬計(jì)算可知：內(nèi)圈預(yù)應(yīng)力施加完成時(shí)，外圍索桁體系的索力變化不大。因此，本工程體系預(yù)應(yīng)力建立采用“先外后內(nèi)”的施工順序，即先張拉外圍徑向斜索，再張拉內(nèi)圈弦支結(jié)構(gòu)的徑向斜索。2.3預(yù)應(yīng)力施工2.3.2徑向斜索張拉端位置選擇外圍索桁結(jié)構(gòu)的徑向外斜索選擇在靠近外環(huán)索端進(jìn)行張拉，內(nèi)圈弦支結(jié)構(gòu)的徑向內(nèi)斜索在靠近外環(huán)索上部張拉，張拉位置如圖18所示，張拉位置的選擇主要從以下兩個(gè)方面考慮：1）方便張拉工作的導(dǎo)換；2）外徑向索靠近外環(huán)索端張拉，張拉力直接傳遞給外環(huán)索，在張拉至徑向索設(shè)計(jì)值時(shí)，外環(huán)索內(nèi)力也可準(zhǔn)確判斷。先張拉后張拉圖18：內(nèi)外斜索張拉順序型號(hào)公稱張拉力/kN公稱油壓/Mpa穿心孔徑/mm張拉行程/mm主機(jī)質(zhì)量/kg外形尺寸/mm使用階段YCW60B600526020033ф170×320拉索張拉YCW150B149250ф120200108ф285×370施工備用2.3.3張拉機(jī)具張拉的徑向外斜索為24根，徑向內(nèi)斜索為8根。⑴千斤頂型號(hào)采用兩個(gè)千斤頂同時(shí)張拉施加預(yù)應(yīng)力，鑒于施工時(shí)最大張拉力約為110T，選用YCW60B型千斤頂進(jìn)行張拉，選用YCW150B型千斤頂作備用。

表1選用千斤頂?shù)闹饕夹g(shù)參數(shù)表索系張拉點(diǎn)千斤頂工裝油泵進(jìn)油（回油）油壓表臺(tái)/張拉點(diǎn)規(guī)格/kN總臺(tái)數(shù)套臺(tái)個(gè)徑向內(nèi)斜索426008848徑向外斜索426008848徑向內(nèi)斜索與徑向外斜索采用同一套工裝⑵張拉機(jī)具數(shù)量張拉時(shí)拉索張拉力保持均衡，每臺(tái)油泵控制2臺(tái)千斤頂。表2內(nèi)斜索張拉設(shè)備表2.3.4分批分級(jí)循環(huán)張拉外圍索系和內(nèi)圈索系都采用分批分級(jí)循環(huán)張拉的方法，先張拉外斜索，再張拉內(nèi)斜索。1）第一階段：分級(jí)張拉徑向外斜索，從10%→50%→90%→100%。2）第二階段：分級(jí)張拉徑向內(nèi)斜索，從10%→90%→100%。批號(hào)每批拉索編號(hào)

第1批外斜索1外斜索7第2批外斜索4第3批外斜索5第4批外斜索3第5批外斜索2第6批外斜索6第7批內(nèi)斜索1內(nèi)斜索3第8批內(nèi)斜索2當(dāng)徑向外斜索張拉至目標(biāo)索力的90%時(shí)，整個(gè)結(jié)構(gòu)和胎架脫離，此時(shí)拆除支撐胎架。

外斜索張拉平臺(tái)及工裝外斜索張拉平臺(tái)及工裝2.4.1、監(jiān)測(cè)內(nèi)容光纖傳感器（FBG）磁通量傳感器（EM）2.4、施工監(jiān)測(cè)對(duì)鋼索內(nèi)力采用磁通量、加速度傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)；對(duì)剛性構(gòu)件（環(huán)梁及徑向鋼梁）應(yīng)力采用應(yīng)變傳感器監(jiān)測(cè);對(duì)鋼結(jié)構(gòu)及索體表面溫度用氣溫測(cè)量?jī)x、光纖光柵傳感器監(jiān)測(cè)。應(yīng)力應(yīng)變傳感器2.4.2測(cè)點(diǎn)布置①索力測(cè)點(diǎn)三維示意圖②監(jiān)測(cè)索體軸線③鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力測(cè)點(diǎn)④加速度測(cè)點(diǎn)三維示意圖①②③④2.4.3、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)光纖光柵采集系統(tǒng)磁通量采集系統(tǒng)加速度采集系統(tǒng)2.4.4監(jiān)測(cè)結(jié)果1）通過對(duì)張拉過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)溫度對(duì)索力的影響較大。但索力對(duì)溫度的變化規(guī)律明顯，即溫度下降索力增加，溫度升高索力減小。索力的數(shù)值在張拉過程中呈波動(dòng)但緩慢上升的特點(diǎn)。進(jìn)入屋面板施工后，索力數(shù)值進(jìn)一步呈增大趨勢(shì)，波動(dòng)現(xiàn)象仍然明顯，但幅度沒有張拉階段大?？傮w上，索力變化與屋面板施工進(jìn)程符合較好。2）徑向梁和上環(huán)梁的應(yīng)力變化總體上與施工過程的結(jié)構(gòu)受力變化規(guī)律符合較好。無論是張拉階段還是屋面板施工階段，在徑向梁和上環(huán)梁上監(jiān)測(cè)的應(yīng)力較小，徑向梁應(yīng)力增量大多在30MPa以內(nèi)，上環(huán)梁大多在20MPa以內(nèi)。3）將張拉完畢時(shí)的磁通量EM索力監(jiān)測(cè)結(jié)果與設(shè)計(jì)張拉力進(jìn)行對(duì)比，具體數(shù)據(jù)如表4所示，大多數(shù)拉索的實(shí)際預(yù)張力與設(shè)計(jì)值的相對(duì)誤差在10%以內(nèi)。表4EM傳感器階段張拉階段監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)對(duì)比各測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)和變化曲線顯示，被測(cè)結(jié)構(gòu)處于良性受力狀態(tài)。傳感器編號(hào)監(jiān)測(cè)對(duì)象理論值張拉結(jié)束索力kN誤差1#外徑向索1061.001112.444.85%2#外徑向索1061.001138.787.33%3#外徑向索1151.451274.6810.70%4#外徑向索1061.001161.979.52%5#外徑向索1151.451073.516.77%7#外徑向索1009.171039.863.04%9#外徑向索1009.171232.9322.17%三