郭正興武漢體育館弦支穹頂屋蓋預(yù)應(yīng)力拉索施工Word

1、武漢體育館弦支穹頂屋蓋預(yù)應(yīng)力拉索施工郭正興 石開(kāi)榮 羅斌 張建（東南大學(xué)土木工程學(xué)院， 江蘇 南京 210096） （南京東大現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力工程有限責(zé)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(diǎn)，詳細(xì)介紹了預(yù)應(yīng)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(yīng)用提供了有益的參考。關(guān)鍵詞 弦支穹頂，拉索，撐桿，施工，預(yù)應(yīng)力1 工程概況與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)武漢體育中心二期工程體育館為2007年第六屆全國(guó)城市運(yùn)動(dòng)會(huì)主要賽場(chǎng)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(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)。建成后將容納1.2萬(wàn)至1.3萬(wàn)名觀眾觀看比賽，為湖北地

2、區(qū)規(guī)模最大的現(xiàn)代體育館，不僅能滿足高水平體育競(jìng)賽和大型文化活動(dòng)的需要，同時(shí)還能滿足市民日常健身娛樂(lè)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(zhǎng)軸方向總長(zhǎng)165m，短軸方向總長(zhǎng)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(diǎn)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(guò)撐桿（299×7.5）相連。三者之間為一有機(jī)整體，

3、對(duì)拉索施加預(yù)應(yīng)力后，將大大減小屋蓋結(jié)構(gòu)對(duì)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(dǎo)2 預(yù)應(yīng)力拉索材料及規(guī)格該工程采用1670級(jí)5.3鍍鋅鋼絲雙護(hù)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(yù)應(yīng)力拉索施工3.1 該工程拉索施工特點(diǎn)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

4、、單根長(zhǎng)度較長(zhǎng)（最長(zhǎng)達(dá)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(yù)應(yīng)力的建立方法不同于普通預(yù)應(yīng)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(jī)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(yù)應(yīng)力，并盡量縮短或少占用工期，應(yīng)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(diǎn)及施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)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

5、），拉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(diǎn)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(guò)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(hào)，拉索初始長(zhǎng)度確定，及環(huán)向索索夾定位拉索索盤運(yùn)輸就位開(kāi)盤放索安裝撐桿（預(yù)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(zhǎng)度，并預(yù)緊。3.安裝控制要點(diǎn)（1）撐桿下料時(shí)嚴(yán)格控制精度，安裝前按實(shí)際位置對(duì)每根撐桿編號(hào)，撐桿上端耳板下料時(shí)同樣嚴(yán)格控制精度并編上

6、號(hào)，焊接時(shí)嚴(yán)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(duì)拉索進(jìn)行嚴(yán)格精確編號(hào)和標(biāo)記。根據(jù)這些標(biāo)記，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行拉索及索夾的安裝和索長(zhǎng)的調(diào)節(jié)。這樣既便于實(shí)際安裝，更重要的是為了撐桿下節(jié)點(diǎn)索夾的精確定位和拉索初始態(tài)索長(zhǎng)的確定。（3）拉索安裝前，需對(duì)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(rùn)滑，以便于擰動(dòng)。（4）應(yīng)嚴(yán)格根據(jù)兩耳板之間的實(shí)際距離控制現(xiàn)場(chǎng)拉索安裝，拉索的初始長(zhǎng)度嚴(yán)格按計(jì)算要求和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)節(jié)點(diǎn)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(guò)程，進(jìn)行施工全過(guò)程力學(xué)分析，預(yù)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(jìn)行張拉。（

7、3）張拉順序由外到內(nèi)、每環(huán)同步、分區(qū)控制、分級(jí)加載。即：張拉由外環(huán)到內(nèi)環(huán)進(jìn)行，各環(huán)同步分級(jí)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(yù)應(yīng)力建立方法選取對(duì)于弦支穹頂結(jié)構(gòu)拉索預(yù)應(yīng)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(duì)環(huán)向索施加作用力使其環(huán)向伸長(zhǎng)。因環(huán)向索索力（近3000kn）相對(duì)徑向索索力和撐桿軸力大許多，因此，張拉裝置的噸位會(huì)很大，操作難度較高，臨時(shí)操作架承受荷載較大，張拉過(guò)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(zhǎng)和撐桿長(zhǎng)度后，直接對(duì)徑向索張拉建立預(yù)應(yīng)力。因該工程徑向索索力適中，拉索伸長(zhǎng)量也

8、較小，因此對(duì)張拉裝置要求不高。但是，徑向索數(shù)量達(dá)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(duì)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(guò)調(diào)節(jié)撐桿長(zhǎng)度來(lái)建立預(yù)應(yīng)力的一種間接施加預(yù)應(yīng)力的方法。結(jié)合該工程的特點(diǎn)，撐桿軸力遠(yuǎn)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(yù)應(yīng)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(yù)先精確定出初始索長(zhǎng)，即通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行虛擬張拉分析、并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)安裝誤差，確定拉索初始無(wú)應(yīng)力

9、長(zhǎng)度，做到預(yù)控在先，技術(shù)難度較高。綜上對(duì)比，該工程弦支穹頂拉索預(yù)應(yīng)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(zhǎng)，然后采用調(diào)節(jié)撐桿（299×7.5）長(zhǎng)度來(lái)建立預(yù)應(yīng)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?yàn)椋河赏獾絻?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(yù)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(shí)進(jìn)行分級(jí)控制，即：預(yù)緊30%70%90%100%頂撐力?；緩埨樞蛉鐖D5所示：（a）拉索安裝完并預(yù)緊 （b）外環(huán)撐桿頂撐 （c）中環(huán)撐桿頂

10、撐 （d）內(nèi)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(shí)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(diǎn)的位置。同一區(qū)的各撐桿點(diǎn)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(duì)各環(huán)拉索進(jìn)行分區(qū)同步控制張拉，每臺(tái)油泵同時(shí)控制23臺(tái)千斤頂。具體分區(qū)如下（圖6）：（a）外環(huán)：分8個(gè)區(qū) （b）中環(huán)：分8個(gè)區(qū) （c）內(nèi)環(huán)：分6個(gè)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(tái)，并裝配成張拉工裝（圖4）

11、。千斤頂23臺(tái)并聯(lián)，在正式使用前必須在試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行配套標(biāo)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(yàn)。此外，所采用的張拉設(shè)備還具備了以下特點(diǎn)，能夠方便、準(zhǔn)確地對(duì)撐桿軸力進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整：（1）千斤頂同批制造，千斤頂間相對(duì)誤差不大。（2）在油泵同時(shí)對(duì)幾臺(tái)千斤頂同時(shí)供油時(shí)，采用了具有單臺(tái)調(diào)控壓力的分油控制器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)單臺(tái)千斤頂張拉力的精細(xì)調(diào)控。5.拉索張拉施工要點(diǎn)及注意事項(xiàng)為保證拉索張拉施工順利實(shí)施，確保拉索施工質(zhì)量，采取以下幾點(diǎn)措施：（1）為避免預(yù)應(yīng)力施工對(duì)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(yù)應(yīng)力施加完畢后再將外圍邊界彈性支座固定。（2）張拉過(guò)程由

12、外到內(nèi)，同一環(huán)撐桿同步分級(jí)頂撐，千斤頂頂推撐桿過(guò)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(yàn)，并作主被動(dòng)標(biāo)定。嚴(yán)格按照標(biāo)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(shí)際頂推力大小。油壓表采用0.4級(jí)精密壓力表。（4）撐桿頂撐過(guò)程中，按照各環(huán)油泵控制分區(qū)，撐桿每臺(tái)千斤頂及油泵均由專人負(fù)責(zé)，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(guò)程中，嚴(yán)格通過(guò)油壓表讀數(shù)對(duì)撐桿頂撐力進(jìn)行控制，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果，對(duì)個(gè)別軸力誤差較大的撐桿實(shí)施分油器直接調(diào)控單臺(tái)千斤頂?shù)捻敁瘟?，以確保施工精度。整個(gè)施工過(guò)程中進(jìn)行雙控，即控制力和變形，其中以控制

13、力為主。6.拉索張拉施工控制與檢測(cè)拉索正式張拉施工前進(jìn)行了詳細(xì)的理論計(jì)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(kuò)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(shí)際幾何位形與理論設(shè)計(jì)狀態(tài)并不一致，而且難以調(diào)整至設(shè)計(jì)狀態(tài)。因此，拉索張拉前的屋蓋初始態(tài)應(yīng)依據(jù)考慮實(shí)際施工過(guò)程的分析結(jié)果，對(duì)拉索張拉進(jìn)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(jìn)行主動(dòng)控制，嚴(yán)格按照計(jì)算所得撐桿實(shí)際施工頂撐力大小進(jìn)行控制。（2）拉索索力控制：拉索索力隨撐桿頂撐伸長(zhǎng)而建立，在撐桿頂撐過(guò)程中對(duì)拉索索力進(jìn)行了測(cè)試。業(yè)主指定的第三方監(jiān)測(cè)單位采用了電阻

14、應(yīng)變片對(duì)拉索索力進(jìn)行測(cè)試，而我方為確保施工質(zhì)量，對(duì)拉索張拉進(jìn)行自檢，采用了較精密的智能弦式數(shù)碼應(yīng)變計(jì)（帶溫度修正）進(jìn)行了索力跟蹤測(cè)試。（3）網(wǎng)殼構(gòu)件應(yīng)力控制：在拉索張拉施工過(guò)程中，嚴(yán)格控制網(wǎng)殼鋼構(gòu)件的應(yīng)力比，不出現(xiàn)超應(yīng)力構(gòu)件。第三方監(jiān)測(cè)單位采用電阻應(yīng)變片對(duì)典型鋼構(gòu)件進(jìn)行了應(yīng)力測(cè)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(duì)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(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)位移進(jìn)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(guò)程對(duì)結(jié)構(gòu)在正常使用狀態(tài)下的性能勢(shì)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(duì)其進(jìn)行了考慮施工全過(guò)程的分析與驗(yàn)算。（2）對(duì)鑄鋼索夾進(jìn)行了深化設(shè)計(jì)（如圖7所示部分典型索夾），設(shè)計(jì)時(shí)為了將徑向索、環(huán)向索及撐桿受力匯交于一點(diǎn)，各環(huán)索均采用了雙索形式（索環(huán)于同一標(biāo)高），因此同一環(huán)的兩根索長(zhǎng)度有一定 圖7 鑄鋼索夾節(jié)點(diǎn)差異，實(shí)際索力也