蔣國(guó)明 唐飛虎 金 平

中冶（上海）鋼結(jié)構(gòu)科技有限公司 上海 201908

雙層輪輻式索桁架結(jié)構(gòu)屬于預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)體系的一種，其構(gòu)成機(jī)理與自行車輪類似，屬于由一個(gè)外環(huán)剛性結(jié)構(gòu)受壓，通過輻射狀徑向拉索，與內(nèi)環(huán)受拉結(jié)構(gòu)連接，整個(gè)結(jié)構(gòu)屬于預(yù)應(yīng)力自平衡的全張力結(jié)構(gòu)體系[1-4]。

全張力結(jié)構(gòu)體系須通過張拉，在結(jié)構(gòu)中建立必要的預(yù)應(yīng)力，使結(jié)構(gòu)具有剛度，以維持形狀和承受荷載。因此，結(jié)構(gòu)除了構(gòu)件自身的力學(xué)特性、幾何參數(shù)和構(gòu)件之間的幾何拓?fù)潢P(guān)系外，預(yù)應(yīng)力也是結(jié)構(gòu)構(gòu)成的重要部分。索桁架結(jié)構(gòu)中的“力”與“形”是相對(duì)應(yīng)的，“力”是在相對(duì)應(yīng)的“形”上平衡。因此，在索結(jié)構(gòu)施工過程中要對(duì)“力”和“形”進(jìn)行雙控。

本文以三亞體育場(chǎng)為例，對(duì)雙層輪輻式索桁架結(jié)構(gòu)的施工技術(shù)進(jìn)行研究。

1 工程概況

三亞市體育場(chǎng)位于三亞市吉陽(yáng)區(qū)，為甲級(jí)大型體育場(chǎng)，總座席數(shù)約4萬(wàn)座，占地面積約4.9萬(wàn) m2。體育場(chǎng)下部混凝土結(jié)構(gòu)為框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，外圍結(jié)構(gòu)為鋼結(jié)構(gòu)，屋頂結(jié)構(gòu)為雙層輪輻式索膜結(jié)構(gòu)。外圍鋼結(jié)構(gòu)支承于下部混凝土結(jié)構(gòu)上，屋頂結(jié)構(gòu)支承于外圍鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)的壓環(huán)梁上。

體育場(chǎng)雙層輪輻式索桁架結(jié)構(gòu)屋頂，通過徑向拉索桁架將受壓外環(huán)梁和受拉內(nèi)環(huán)索連接組成雙層懸索結(jié)構(gòu)體系，對(duì)其施加預(yù)應(yīng)力建立結(jié)構(gòu)的剛度，拉索的張力和環(huán)梁的壓力相互平衡，整個(gè)結(jié)構(gòu)形成自平衡受力體系（圖1）。

圖1 體育場(chǎng)整體效果圖

體育場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)外輪廓平面投影為不規(guī)則的倒角五邊形（圖2），長(zhǎng)邊為304.4 m，短邊為268.2 m，屋頂索結(jié)構(gòu)為4段圓弧組成的四心圓，長(zhǎng)軸長(zhǎng)為261.8 m，短軸長(zhǎng)為224 m，屋頂標(biāo)高為46 m。整體結(jié)構(gòu)沿徑向劃分為6個(gè)網(wǎng)格，尺寸由拉環(huán)到壓環(huán)依次為4、9、9、9、9、5 m，索桁架高度約17 m。

圖2 體育場(chǎng)結(jié)構(gòu)示意

索結(jié)構(gòu)屋頂由1道上拉環(huán)、1道下拉環(huán)、1道壓環(huán)梁、104根內(nèi)環(huán)交叉索及52榀徑向索桁架組成。上、下拉環(huán)和徑向索均為國(guó)產(chǎn)封閉索，中間桅桿為無(wú)縫鋼管，內(nèi)環(huán)交叉索為CFRP索，節(jié)點(diǎn)間通過鑄鋼索夾連接，材料信息見表1。

表1 拉索材料信息

封閉索鋼絲表面采用Galfan鍍層（鋅-5%鋁-混合稀土合金）。徑向拉索兩端均為熱鑄錨，靠近拉環(huán)側(cè)為固定錨具，靠近壓環(huán)梁側(cè)為可調(diào)節(jié)錨具，連接件為叉耳式，如圖3所示。環(huán)向拉索兩端為熱鑄錨，中間通過調(diào)節(jié)螺桿連接，如圖4所示。內(nèi)環(huán)交叉索（CFRP）兩端采用耳板式錨具，由2個(gè)固定端和1個(gè)調(diào)節(jié)端組成，如圖5所示。

圖3 徑向索錨具示意

圖4 環(huán)索錨具示意

圖5 碳纖維索錨具示意

2 施工方法

本工程索體數(shù)量多、面積廣、工期緊且施工現(xiàn)場(chǎng)有多個(gè)專業(yè)單位交叉施工，為縮短索結(jié)構(gòu)施工周期，提高施工質(zhì)量，保證施工安全，索結(jié)構(gòu)施工采用索網(wǎng)低空無(wú)應(yīng)力組裝、空中牽引提升、高空分區(qū)分級(jí)同步張拉的方法。

2.1施工仿真分析

為保證施工結(jié)構(gòu)安全，在拉索施工前進(jìn)行施工全過程模擬分析，將模擬分析結(jié)果作為現(xiàn)場(chǎng)施工依據(jù)。模擬分析采用有限元分析軟件ANSYS。拉索、交叉索、撐桿的單元類型為L(zhǎng)INK8，鋼結(jié)構(gòu)的單元類型為BEAM44，荷載條件為結(jié)構(gòu)自重和拉索預(yù)應(yīng)力。根據(jù)施工步驟共分為7個(gè)工況進(jìn)行模擬分析，分析結(jié)果如表2所示。

表2 施工工況及關(guān)鍵過程結(jié)構(gòu)響應(yīng)

2.2提升工裝選擇

根據(jù)施工模擬分析結(jié)果，錨接上徑向索的最大牽引力為1 701 kN，錨接下徑向索的最大張拉力為3 024 kN。根據(jù)索體張拉力不同，選擇不同型號(hào)的張拉千斤頂，見表3。

表3 提升工裝選用

整體牽引提升系統(tǒng)包含104套牽引工裝。1套牽引工裝包括千斤頂、掛架、油泵、鋼絞線、反力架等（圖6）。

圖6 反力工裝示意

2.3拉索施工

2.3.1 環(huán)索及上、下徑向索鋪設(shè)

1）由于環(huán)索索體較長(zhǎng)，鋪設(shè)時(shí)采用專用放索盤進(jìn)行展索施工。索體開盤時(shí)易產(chǎn)生加速，導(dǎo)致彈開散盤，危及工人安全，因此在開盤時(shí)須注意控制速度，防止崩盤。環(huán)索展索采用履帶吊行走帶動(dòng)放索盤在高空旋轉(zhuǎn)的方式進(jìn)行展索施工（圖7）。

圖7 環(huán)索展索施工示意

2）相較于環(huán)索，徑向索長(zhǎng)度較短，展索施工時(shí)直接采用履帶吊使徑向索完全脫離地面，履帶吊吊點(diǎn)設(shè)置在調(diào)節(jié)端索頭位置，然后履帶吊緩慢落鉤將徑向索平緩放置在徑向索胎架位置（圖8）。

圖8 徑向索展索施工示意

2.3.2 索夾安裝

將環(huán)索索夾及徑向索索夾按照索體上的索夾標(biāo)記線進(jìn)行安裝，并采用扭矩扳手對(duì)索夾螺栓進(jìn)行初擰（索夾螺栓均采用M27大六角頭高強(qiáng)度螺栓），初擰按照斜對(duì)角交叉順序進(jìn)行，初擰扭矩采用終擰扭矩的50%。同一索夾螺栓均初擰完成后進(jìn)行終擰，施擰順序與初擰相同。

2.3.3 索網(wǎng)提升張拉

1）提升分區(qū)。根據(jù)軸線對(duì)徑向索進(jìn)行編號(hào)，根據(jù)對(duì)稱分布原則進(jìn)行分區(qū)、分批次提升。徑向索軸線號(hào)如圖9所示，徑向索分區(qū)如表4、表5所示。

圖9 徑向索軸線示意

2）提升順序。上徑向索提升分批按表4進(jìn)行，提升順序?yàn)?→2→3→4，循環(huán)反復(fù)。每次提升單個(gè)批次2個(gè)千斤頂行程即400 mm后，轉(zhuǎn)換到下一批次進(jìn)行提升。提升至工裝索剩余2 m時(shí)，單次提升量更改為單個(gè)行程（即200 mm）后進(jìn)行輪換，提升順序與之前相同。為保證施工安全，當(dāng)上徑向索提升至距離錨接位置100 mm時(shí)，將調(diào)節(jié)螺桿調(diào)長(zhǎng)使徑向索調(diào)節(jié)端錨具與壓環(huán)梁結(jié)構(gòu)耳板錨接。然后按照上述提升順序?qū)⑸蠌较蛩魈嵘轿?。下徑向索提升分批按?進(jìn)行，提升順序?yàn)?→2→3→4，循環(huán)反復(fù)。單次提升量與上徑向索相同。由于下徑向索調(diào)節(jié)端錨具調(diào)節(jié)范圍為±150 mm，故在下徑向索提升至距離錨接位置150 mm時(shí)，將調(diào)節(jié)螺桿調(diào)長(zhǎng)使調(diào)節(jié)端錨具與壓環(huán)梁結(jié)構(gòu)耳板錨接。相較于上徑向索，下徑向索直徑更大，為保證結(jié)構(gòu)整體張拉質(zhì)量，合理地選擇下徑向索為主動(dòng)張拉索。為了保證結(jié)構(gòu)的最終整體成形，張拉細(xì)分為3級(jí)，即實(shí)際索長(zhǎng)距離設(shè)計(jì)索長(zhǎng)長(zhǎng)度差值為－150 mm→－100 mm→－50 mm→0 mm。其中前2級(jí)張拉采用位形控制，最后一級(jí)采用索力控制。張拉順序與上述提升順序一致。

表4 上徑向索提升分區(qū)

表5 下徑向索提升分區(qū)

3 施工監(jiān)測(cè)

3.1索力監(jiān)測(cè)

索力測(cè)量精度與測(cè)量方法和設(shè)備選擇有關(guān)，本項(xiàng)目采用千斤頂油壓法和索力應(yīng)變法結(jié)合的方式進(jìn)行索力監(jiān)測(cè)。

千斤頂油壓法是采用經(jīng)標(biāo)定后的油壓表安裝于油泵上，在拉索張拉過程中讀取千斤頂油缸中的液壓值讀數(shù)，通過換算得出拉索張拉力值，可在張拉過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)拉索張拉力，缺點(diǎn)是只能在施工階段進(jìn)行監(jiān)測(cè)。本項(xiàng)目針對(duì)所有徑向索進(jìn)行索力監(jiān)測(cè)。

索力應(yīng)變法是采用振弦式應(yīng)變計(jì)利用索體應(yīng)變與索力之間的比例關(guān)系得出拉索張拉力值，此方法可在施工階段和使用階段連續(xù)監(jiān)測(cè)，彌補(bǔ)了千斤頂油壓法無(wú)法在使用階段監(jiān)測(cè)的問題。但是此種監(jiān)測(cè)方法成本較高，本項(xiàng)目在0軸、10軸、18軸、27軸、31軸、35軸、44軸線上、下徑向索及環(huán)索位置布設(shè)索力測(cè)點(diǎn)。

采用千斤頂油壓法，監(jiān)測(cè)得出張拉完成后，將主動(dòng)張拉索（下徑向索）索力實(shí)測(cè)值并與模擬值進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比數(shù)據(jù)如圖10所示。

圖10 油壓法實(shí)測(cè)值與模擬值對(duì)比示意

由圖10可以得出，索結(jié)構(gòu)張拉施工完成后索力實(shí)測(cè)值與模擬值吻合較好，索力最大偏差為6.5%，滿足索結(jié)構(gòu)安裝完成后，索力偏差不超過±10%的設(shè)計(jì)要求。

將張拉完成后，下徑向索由千斤頂油壓法監(jiān)測(cè)得出的索力值與索力應(yīng)變法監(jiān)測(cè)得出的索力值進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比數(shù)據(jù)如圖11所示。

圖11 油壓法實(shí)測(cè)值與應(yīng)變法實(shí)測(cè)值對(duì)比示意

由圖11可以得出，千斤頂油壓法和索力應(yīng)變法索力監(jiān)測(cè)結(jié)果趨勢(shì)相同，吻合度較好，索力最大偏差為1.87%，可以證明張拉工裝能有效傳遞預(yù)應(yīng)力至拉索。

3.2位形監(jiān)測(cè)

隨著整個(gè)索網(wǎng)的提升，索網(wǎng)空間位形位置會(huì)隨之變化，對(duì)整個(gè)索網(wǎng)位形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可及時(shí)了解整個(gè)索網(wǎng)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，保證施工安全。位形監(jiān)測(cè)采用全站儀進(jìn)行，目前全站儀測(cè)量位形精度可達(dá)到±1 mm以內(nèi)，滿足監(jiān)測(cè)要求，位形監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布置在每個(gè)上環(huán)索夾中心位置。限于篇幅，給出張拉完成后，上拉環(huán)節(jié)點(diǎn)位置豎向位移模擬值與實(shí)測(cè)值，對(duì)比數(shù)據(jù)如圖12所示。給出張拉完成后，上拉環(huán)節(jié)點(diǎn)位置水平位移偏差值，如圖13所示。

圖12 上拉環(huán)節(jié)點(diǎn)豎向位移模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比示意

圖13 上拉環(huán)節(jié)點(diǎn)水平位移偏差值示意

由圖12可以得出，上拉環(huán)節(jié)點(diǎn)位置豎向位移模擬值與實(shí)測(cè)值趨勢(shì)相同，吻合較好，最大偏差值為97 mm。滿足索結(jié)構(gòu)安裝完成后，拉環(huán)高度偏差不超過±120 mm的設(shè)計(jì)要求。由圖13可以看出，上拉環(huán)節(jié)點(diǎn)位置水平位移最大偏差值為44 mm。滿足索結(jié)構(gòu)安裝完成后，拉環(huán)節(jié)點(diǎn)水平偏差不超過±50 mm的設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

1）采用索網(wǎng)低空無(wú)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，可以有效地減少了高空作業(yè)量，提高施工效率，保證施工安全。

2）通過選擇合理的工裝設(shè)備，采用液壓千斤頂張拉工裝，能夠有效地傳遞張拉力，為索體施加預(yù)應(yīng)力。

3）采用千斤頂油壓法和索力應(yīng)變法對(duì)索網(wǎng)施工過程受力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并將監(jiān)測(cè)值與仿真模擬分析值進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果較為吻合，證明了仿真模擬分析的準(zhǔn)確性。

4）本工程張拉施工完成后，索網(wǎng)實(shí)際位形與設(shè)計(jì)位形較為吻合，滿足設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)效果。