武漢體育館索承網(wǎng)殼鋼屋蓋頂升安裝及預(yù)應(yīng)力拉索施工_郭正興_百

1、武漢體育館索承網(wǎng)殼鋼屋蓋頂升安裝及預(yù)應(yīng)力拉索施工郭正興1,石開榮1,羅斌1,田啟良2,吳聚龍2,畢水勇2(11東南大學(xué),江蘇南京210096;21南京中建鋼構(gòu)有限公司,江蘇南京210096摘要武漢體育館鋼屋蓋為一大跨索承網(wǎng)殼(弦支穹頂結(jié)構(gòu)體系,結(jié)合該結(jié)構(gòu)特點(diǎn),詳細(xì)介紹了鋼屋蓋的頂升安裝、預(yù)應(yīng)力拉索安裝及張拉的施工工藝。關(guān)鍵詞鋼結(jié)構(gòu);網(wǎng)殼;弦支穹頂;拉索;施工;預(yù)應(yīng)力中圖分類號T U758115文獻(xiàn)標(biāo)識碼A 文章編號100228498(20061220051203Lifting I nstallation and Prestressed C able Construction ofC able-

2、suspended R eticulated Shell of Steel R oof in Wuhan G ymnasiumG UO Zheng-xing 1,SHI K ai-rong 1,LUO Bin 1,TI AN Qi-liang 2,WU J u-long 2,BI Shui-yong2(11Southeast Univer sity ,Nanjing ,Jiangsu 210096,China ;2.Nanjing Zhongjian Steel Structure Co .,Ltd .,Nanjing ,Jiangsu 210096,China Abstract :The s

3、teel roof of Wuhan G ymnasium is a kind of structure system of large 2span cable 2suspended suspended 2dome reticulated shell.With the structure characteristics of the shell ,authors introduce lifting installation construction ,prestressed cable installation and tension construction.K ey w ords :ste

4、el structure ;reticulated shell ;suspended dome ;cable ;construction ;prestress 收稿日期2006209228作者簡介郭正興(1956,男,江蘇啟東人,東南大學(xué)土木工程學(xué)院教授,博士生導(dǎo)師,南京市四牌樓2號210096,電話:(02583793150圖1武漢體育中心二期工程體育館武漢體育中心二期工程體育館為2007年第六屆全國城市運(yùn)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)。建成后將容納112113萬名觀眾觀看比賽,為湖北地區(qū)規(guī)模最大的現(xiàn)代體育館。上部鋼屋蓋為一新型索承網(wǎng)殼(亦稱弦支穹頂結(jié)構(gòu)(見

5、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18800m 2。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)殼之間通過撐桿(<299mm ×715mm 相連。三者之間為一有機(jī)整體,對拉索施加預(yù)應(yīng)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。1鋼屋蓋頂升安裝該結(jié)構(gòu)為焊接球節(jié)點(diǎn)的

6、雙層網(wǎng)殼,網(wǎng)殼的安裝與3道環(huán)索和徑向索的安裝有矛盾,經(jīng)反復(fù)討論,避免在密排的網(wǎng)架安裝胎架中給安裝大規(guī)格索帶來不利,結(jié)合該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及施工現(xiàn)場實(shí)際條件,體育館場內(nèi)采用頂升法安裝,邊頂升邊擴(kuò)大橢圓形安裝單元,并配合安裝內(nèi)環(huán)索、中環(huán)索及相應(yīng)的徑向索;場外周邊采用滿堂架支撐直接拼裝。鋼屋蓋的總體安裝順序如下: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(見圖2。2預(yù)應(yīng)力拉索施工211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。本工程拉索體量大、分布面廣、單根長度較長(

7、最長達(dá)2006年12月第35卷第12期施工技術(shù)C ONSTRUCTI ON TECH NO LOGY51 圖2鋼屋蓋總體安裝流程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(見圖3。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,并盡量縮短工期,應(yīng)確定合理的張拉力、 張拉方法和張拉順序。圖3已安裝并張拉的

8、內(nèi)環(huán)索、中環(huán)索和徑向索212預(yù)應(yīng)力拉索材料及規(guī)格本工程采用1670級<513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(H DPE ,外層為白色PE 。具體規(guī)格如表1所示。表1拉索規(guī)格編號規(guī)格鋼絲束面積mm 2鋼絲束線重(kg m 標(biāo)稱破斷載荷kN內(nèi)環(huán)索PES C513213930672411512112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,由連接棒相連。213拉索及撐桿安裝21311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。21312安裝順序工廠里拉索及撐桿編號,拉

9、索初始長度確定,環(huán)向索索夾定位拉索索盤運(yùn)輸就位開盤放索安裝撐桿(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度,并預(yù)緊。21313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)際位置對每根撐桿編號,撐桿上端耳板下料時(shí)同樣嚴(yán)格控制精度并編號,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在工廠里對拉索進(jìn)行嚴(yán)格精確編號和標(biāo)記,根據(jù)這些標(biāo)記,在現(xiàn)場進(jìn)行拉索及索夾的安裝和索長的調(diào)節(jié)。這樣既便于實(shí)際安裝,更重要的是保證撐桿下節(jié)點(diǎn)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(yīng)嚴(yán)格根據(jù)兩

10、耳板之間的實(shí)際距離,控制現(xiàn)場拉索安裝,拉索的初始長度嚴(yán)格按計(jì)算要求和現(xiàn)場實(shí)測節(jié)點(diǎn)板銷孔間距確定。214拉索張拉21411拉索張拉總體原則1模擬張拉過程,進(jìn)行施工全過程力學(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。3張拉順序由外到內(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(jìn)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。21412拉索預(yù)應(yīng)力建立方法選取對于弦支穹頂結(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

11、置的噸位會很大,操作高度較高,臨時(shí)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(yù)應(yīng)力。因本工程徑向索索力適中,拉索伸長量也較小,因此對張拉裝置要求不高。但是,徑向索數(shù)量眾多,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)法通過調(diào)節(jié)撐桿長度來建立預(yù)應(yīng)力的一種間接施加預(yù)應(yīng)力的方法。結(jié)合本工程的特點(diǎn),52施工技術(shù)第35卷撐桿軸力遠(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

12、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)受力成型,且縮短工期。但該方法要求拉索預(yù)先精確定出初始索長,即通過計(jì)算機(jī)進(jìn)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(yīng)力長度,做到預(yù)控在先,技術(shù)難度較高。圖5 撐桿頂撐工裝示意圖4撐桿頂撐示意(虛線為初始安裝位置 綜上對比,本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,然后采用調(diào)節(jié)撐桿(<299mm ×715mm 長度來建立預(yù)應(yīng)力。撐桿頂撐如圖4、5所示。21413拉索張拉順序及程序基本張拉順序?yàn)?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(yù)緊100%頂

13、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)行分級控制,即:預(yù)緊30%70%90%100%頂撐力。基本張拉順序如圖6 所示。圖6基本張拉順序示意(虛線表示未張拉的拉索21414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)的原則如下:在分區(qū)范圍內(nèi),撐桿頂撐力的大小基本接近;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,對各環(huán)拉索進(jìn)行分區(qū)同步控制張拉,每臺油泵同時(shí)控制23臺千斤頂。具體分區(qū)如圖7 所示。圖7拉索張拉分區(qū)控制張拉設(shè)備主要采用100t 和60t 千斤頂

14、共20臺,并裝配成張拉工裝。千斤頂23臺并聯(lián),在正式使用前必須在有資質(zhì)試驗(yàn)單位的試驗(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)。標(biāo)定數(shù)據(jù)的有效期在6個(gè)月以內(nèi)。此外,所采用的張拉設(shè)備還具有以下特點(diǎn),能夠方便、準(zhǔn)確地對撐桿軸力進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整:千斤頂同批制造,千斤頂內(nèi)本身相對誤差不大;在油泵同時(shí)對幾臺千斤頂供油時(shí),采用了具有單臺調(diào)控壓力的分油控制器,可實(shí)現(xiàn)對單臺千斤頂?shù)恼{(diào)控。21415拉索張拉施工要點(diǎn)及注意事項(xiàng)1為避免預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力施加完畢后再將外圍邊界彈性支座固定。2張拉過程由外到內(nèi),同一環(huán)撐桿

15、同步分級頂撐,千斤頂頂推撐桿過程中,油壓應(yīng)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),并作主被動標(biāo)定。標(biāo)定數(shù)據(jù)的有效期在6個(gè)月以內(nèi)。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014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(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)整體頂撐過程中,嚴(yán)格通過油壓表讀數(shù)對撐桿頂撐力進(jìn)行控制,并結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果,對個(gè)別軸力誤差較大的撐桿實(shí)施分油器直接調(diào)控單臺千斤頂?shù)捻敁瘟?以確保施工精度。整個(gè)施工過程中進(jìn)行雙控,即控制力和變形,其中以控

16、制力為主。6拉索張拉過程中應(yīng)停止對張拉結(jié)構(gòu)進(jìn)行其它項(xiàng)目的施工。7拉索張拉過程中若發(fā)現(xiàn)異常,應(yīng)立即暫停,查明原因,實(shí)時(shí)調(diào)整。21416拉索張拉施工控制與檢測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)際施工過程的分析結(jié)果,對拉索張拉進(jìn)行施工控制。1撐桿頂撐力控制撐桿頂撐力的控制,主要根據(jù)各環(huán)各分區(qū)精密油壓表的讀數(shù)進(jìn)行主動控制,嚴(yán)格(下轉(zhuǎn)第58頁2006N o.12郭正興等:武漢體育館索

17、承網(wǎng)殼鋼屋蓋頂升安裝及預(yù)應(yīng)力拉索施工53重,按設(shè)計(jì)不能再分節(jié),只能對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分離吊裝而形成。由于沒有先例可借鑒,焊接的不可預(yù)見性太多,極易產(chǎn)生巨大的焊接應(yīng)力,造成柱體變形和焊縫冷裂紋及母材層狀撕裂等質(zhì)量問題。因此,在模擬現(xiàn)場條件的情況下進(jìn)行焊接工藝試驗(yàn),并據(jù)此創(chuàng)造性地使用具有抗風(fēng)挺度的藥芯焊絲進(jìn)行C O 2氣體保護(hù)焊與電加熱技術(shù)相結(jié)合的焊接技術(shù),焊接按照分段退焊、多人同時(shí)對稱施焊、晝夜連續(xù)施焊的方法進(jìn)行。焊接完48h 后用超聲波對焊縫進(jìn)行夾渣、氣孔、裂紋等內(nèi)部缺陷探傷檢測,15d 后用超聲波進(jìn)行延遲裂紋檢測,以確保焊接質(zhì)量。417超大懸臂鋼結(jié)構(gòu)超高空安裝技術(shù)圖9 懸臂示意懸臂結(jié)構(gòu)體系主要由焊接

18、箱形和H 形截面構(gòu)件組成,通過分別從2座塔樓延伸出的外框結(jié)構(gòu)和3739層間與懸臂外框柱相連的15榀重達(dá)200多t 的巨型轉(zhuǎn)換桁架共同構(gòu)成在空中相互作用、相互依存的受力體系,如圖9所示。針對CCT V 主樓鋼結(jié)構(gòu)的超大型懸臂的結(jié)構(gòu)特征,結(jié)合懸臂橋梁施工工藝,通過對結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理分區(qū)、分段,最大限度利用M 1280D 塔吊空中移位后的起重性能,對構(gòu)件進(jìn)行散件或組合吊裝,先以盡可能少的構(gòu)件和自重逐步階梯延伸合攏,形成空中“平臺”,為懸臂內(nèi)部結(jié)構(gòu)和上部結(jié)構(gòu)安裝創(chuàng)造安全的施工環(huán)境。懸臂安裝的合攏是本工程最大的技術(shù)難題之一,其構(gòu)件應(yīng)力和位移控制是實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確、安全合攏和完工質(zhì)量目標(biāo)的關(guān)鍵。構(gòu)件受自重和塔樓變

19、形影響,合攏前和合攏后的受力狀況不相同、傳力方向發(fā)生改變,安裝的預(yù)調(diào)值較大,結(jié)構(gòu)位形、應(yīng)力與變形的不確定性因素非常多,而且整個(gè)懸臂結(jié)構(gòu)在合攏前沒有達(dá)到正常的受力狀態(tài),結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差,這些都需要運(yùn)用結(jié)構(gòu)虛擬仿真計(jì)算分析技術(shù),充分考慮風(fēng)荷載、溫度和地震效應(yīng)等自然環(huán)境因素對結(jié)構(gòu)安裝的不利影響,對懸臂合攏前后各階段的施工順序與構(gòu)件安裝步驟,以及采取的施工措施進(jìn)行詳細(xì)的工況分析,制定對結(jié)構(gòu)應(yīng)力和位移控制有利的施工順序和臨時(shí)加固措施。在施工中,運(yùn)用測量機(jī)器人控制技術(shù)和G PS 定位技術(shù)進(jìn)行測量,同時(shí)對塔樓和懸臂進(jìn)行多點(diǎn)位實(shí)時(shí)變形觀測,確保在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行對接合攏,達(dá)到正常的受力狀態(tài)。5結(jié)語隨著大樓的成功合攏和最終落成,在施工中產(chǎn)生的一系列鋼結(jié)構(gòu)施工工藝、技術(shù)和預(yù)調(diào)值反變形控制措施,將是對我國復(fù)雜高層重型鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)的有力補(bǔ)充,能夠?yàn)樘卮笮弯摻Y(jié)構(gòu)工程大量運(yùn)用高強(qiáng)超厚板提供技術(shù)支持,進(jìn)一步推動國產(chǎn)低合金高強(qiáng)度超厚度結(jié)構(gòu)鋼在國內(nèi)建筑鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域內(nèi)廣泛應(yīng)用;對國內(nèi)建筑鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)的持續(xù)發(fā)展,具有積極的創(chuàng)新意義。(上接第53頁按計(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