福州海峡奥体中心体育馆空间弦支结构预应力施工技术

张  强，朱  莹，陈  茜，曾银枝，董  越

（中国建筑科学研究院建研科技股份有限公司，北京100013）

 [摘要]福州海峡奥林匹克体育中心体育馆屋盖采用四边形环索空间弦支双向网格结构，具有跨度大、结构复杂、拉索张拉力大、张拉控制精度要求高等特点。根据结构特点及有限元分析结果，采用从外到内，分级同步张拉的施工方案。结合现场条件采用有效的安装方式，针对结构节点构造设计出合理的张拉工装，解决了高空安装与张拉的施工难点，实现了结构

荷载的有效传递。通过仿真结果分析、拼装精度控制、索长误差调整等实现了结构形态的精确控制。

 [关键词]体育馆；弦支结构；张弦梁；同步张拉；施工技术 [中图分类号] TU758.1

1  工程概况

 福州海峡奥林匹克体育中心体育馆总建筑面积44240m2，最高点标高39. 7m。下部结构采用钢筋混凝土框架．剪力墙体系，屋面采用四边形环索空间弦支双向网格结构，效果图如图1所示。

 体育馆屋面中心区域（环梁以内部分）采用四边形环索弦支一张弦预应力组合结构，最大跨度75. 9m，环梁以外部分采用平面主次桁架结构。屋盖体系由三圈环索、三圈径向索，以及两榀张弦梁结构组成；每圈环索及径向索均由四根拉索组成，拉索体系结构详见图2。本工程拉索采用ɸ5或ɸ7高强钢丝组成的PE成品索，拉索最小直径ɸ69mm，最大直径ɸ164mm。

2  拉索施工特点及难点分析

1. 单根拉索张拉力大、节点空间狭小 

拉索最大张拉力达3747kN，这使得千斤顶连同配套工装总重量超过2t；且索头节点位置空间极其狭小，工装反力节点无法固定在钢结构上，这给索的张拉带来很大的难度。

 2)张拉控制难度大

 由于结构内部为四边环索支撑，斜索为主动索，环索被动受力，张拉时结构支撑索系为一机动体系，任何不同步的张拉会导致撑杆的单向或双向偏移，影响结构空间形态，因此，对拉索张拉的同步性要求特别高。

 3)高空操作风险高

 由于索的位置高，导致操作平台均设置在约30m高空，而且施工设备不仅重，又需要重复使用，高空施工风险特别大。

3  总体张拉方案的确定与施工过程仿真分析

 1)张拉方案的选取分析

 根据空间弦支双向网格结构特点，结构上部荷载通过撑杆、环索、斜索逐步传递到结构支座处，因此总体张拉方案的确定上为从外向内逐步进行；对于张弦与弦支结构的张拉顺序，采用先张拉弦支结构，后张拉张弦结构。根据对结构的整体分析结果，再结合施工张拉效率，最后确定分两级张拉。

 结合张弦及弦支结构张拉过程中撑杆的偏移情况，确定对弦支部分选用通过四点斜索进行张拉，而对张弦部分采用一端端部张拉。张拉分级上，第一级选取张拉成型力值的50%，第二级为张拉成型力值的100%。

 2)施工过程仿真分析

 分析时采用ANSYS程序，建立了整体钢结构屋盖的计算模型。计算模型中，张弦梁的上弦梁采用梁单元beam 188模拟，预应力拉索采用仅拉单元Link10模拟，撑杆单元采用link8模拟。所有结构构件的位置和截面参数均按照设计图纸的条件输入，钢材弹性模量为2.06×105 N/mm2；拉索为半平行扭绞钢丝束，弹性模量为1.95×105 N/mm2，实际施工时，将根据厂家提供的数值进行调整。计算模型如图3所示。

 本工程中弦支穹顶部分的斜索、环向索以及张弦梁的下弦索相互之间索力关联紧密，任一拉索索力的调整都将引起其他拉索索力的变化，因此，为达到结构施工图中要求的张拉控制索张力，需对拉索索力进行迭代求解。张弦拉索和外环斜索在张拉过程中的索力变化情况见表1。

 通过索力分布图（见图4）和变化曲线（见图5）可以看出：张拉过程中，除起点和分级点附近外，索力增长均匀；张拉对不同部位索力存在一定的相互影响，但总体影响不大，幅度为20%左右。因此，张拉过程选取“二级张拉到位”及先弦支后张弦的张拉顺序是合理的。

 3)撑杆的预偏移

 屋盖在张拉过程中，下弦拉索因受拉而向外移动，因此撑杆的上下两端会出现相对移动。如果安装时撑杆处于竖直状态，则在张拉完成后，撑杆会呈现明显的倾斜。为实现拉索张拉完毕，且屋面安装完成后，撑杆完全垂直于地面，需对撑杆上下两端在张拉过程中的偏移量进行分析，并采取相应的预偏移措施。经过计算分析，张弦梁的撑杆沿张拉反方向预偏，弦支结构的撑杆沿平面两个方向同时预偏。撑杆下节点编号见图6。通过分析，计算出各撑杆的预偏值，在ZX1节点预偏的最大值为118 mm。

 张拉过程的监测表明，撑杆的预偏值与实际位移量基本吻合，后期屋面安装后，基本达到预期的垂直态。

4  预应力拉索张拉施工流程

 预应力拉索张拉应依据施工模拟分析确定的张拉力值，按照施工方案的施工顺序，保证索张拉力的正确建立和施工现场的人员安全，依次可靠地进行拉索张拉施工。具体施工流程见图7。

5  拉索施工关键技术措施

 1)安全防护措施

 ①预应力张拉操作平台的搭设

 本工程施工全部为高空作业，操作平台高度约30m，所以必须搭设合理的操作平台。依据现场的实际条件，选择利用屋盖钢结构搭设操作平台(见图8)，平台尺寸约为3m x3m，以满足施工作业要求。

 ②三向节点撑杆防护措施

 因环索与径向索交叉节点的撑杆在结构体系受力后，承受向上的压力，但在施工阶段，撑杆在自重作用下所承受的为向下的拉力。由于撑杆连接节点按照受压设计，在安装阶段拉力作用下极为不利，所以在撑杆上节点处用“倒7形板”与主体结构焊接，同时用钢丝绳对撑杆拉结进行加强，具体见图9。

 2)拉索的运输与安装

 由于大型车辆无法进入场馆内部，拉索的运输只能依靠场地周边的三台塔吊配合完成。其中较长拉索的重量超出塔吊吊装能力，最后采用把拉索在索头处先拆分后吊装，进场后重新组合的施工方式（见图10）。

 因拉索跨越距离大、直径大、重量重，受施工场地条件限制，采用两端牵引的方式进行拉索的安装；实际施工时利用两台卷扬机的牵引，塔吊辅助吊装，就位时采用人工及倒链措施辅助纠偏入位，见图11。

 3)索的张拉工装设计

 本工程拉索张拉力大，外环斜索张拉力达3747kN，同时耳板节点为铸钢节点，再加上机构交叉杆件，节点构造十分复杂。由于节点处空间狭小，弦支结构斜索与张弦拉索在空间上位于同一点，具体构造见图12。因此，常规张拉中所采用的在钢结构上设置反力架的方式此处无法实现。

 鉴于本工程的特殊情况，将工装的反力点设计在叉耳式索头端部和索体与索头连接处，此时，仅依靠拉索自身便可形成张拉的反力体系，具体见图13。由于这种工装不需要与主体结构连接，不但方便张拉，并且拆卸后可以重复使用，大大加快了施工进程，外环斜索与张弦梁均采用此种张拉工装。

 中环斜索与内环斜索索头节点形式类似(见图14)。由于此处的拉索张拉力相对较小，因此采用了在索头与锚固耳板之间的空隙内插入一根横梁作为反力点的工装形式（见图15）。此种形式的工装小巧、便捷，在张拉完毕后直接拆除即可。

 4)拉索张拉控制

 拉索的张拉控制是本工程难点，被动拉索的索力，竖向撑杆张拉后的成形位置等均通过张拉控制来保证。实际施工时，张拉控制主要措施为：

 ①以施工模拟分析结果为依据

 严格按照施工模拟分析的顺序、张拉力值进行施工，同时反馈主体结构监测点的位移变化，对比偏差，指导后续施工。施工模拟分析是指导张拉施工的依据。

 ②精确测量与定位

 首先对现场钢结构拼装情况进行复测，再根据测量结果对仿真分析结果进行调整，最后根据调整后的结果再对撑杆进行定位。通过上述三步有效保证撑杆成形后的位置。

 ③索长初始长度的调整

 被动拉索在安装前需要确定拉索的初始长度。初始长度的确定是在仿真分析的基础上，再考虑拉索受力后的伸长量、拉索的加工误差、钢结构耳板的安装误差等因素，对原始索长进行修正调整而确定（见图16）。

 ④张拉过程的同步控制

 对主动拉索的张拉为先分级再逐步加载，即每一级的张拉受力过程分成多个等级，确保四点张拉的同步性；对相同拉索的张拉，也可以适当参考螺纹间距变化量的同步。

 施工结果表明，通过上述措施有效地保证了拉索的受力及结构的形态，尤其是撑杆的垂直度得到了很好的控制，达到了预期的效果。

6  施工过程监测

 施工过程需要对张拉力值与结构变形同时监测，以保证结构成型后力与形的统一。索力的测量由标定过的油压表读数完成，主体结构位移量的监测（控制点位置编号见图17），通过在场地内部设置全站仪对标记点进行测量，具体见图18。

图19与图20为监测点K6和K8的位移量对比曲线。由对比曲线可以看出，主体结构监测点实际位移量与理论值偏差基本在10mm之内，监测数据与理论分析结果变化趋势基本一致，以上结果也表明施工过程科学合理，结构受力与形态与预期一致。

经过两级同步张拉后，拉索索力达到设计力值，结构监测点变形量符合理论分析结果，结构形态撑杆垂直度均满足设计要求。施工完成后整体效果见图21。

7  结语

 福州海峡奥林匹克体育中心体育馆屋盖弦支一张弦预应力组合结构已顺利完成，拉索的张拉力达到了设计力值，结构变形与理论分析数据偏差控制在10mm以内，撑杆预偏移位置准确，符合验收规范要求。该工程的顺利施工表明了采用“分级同步张拉”施工方案的科学性、仿真计算分析的准确性、张拉工装设计的合理性及张拉控制的精确性，可为其他类似工程的施工提供参考。