弦支穹頂鋼結(jié)構(gòu)體育館的結(jié)構(gòu)體系與施工技術(shù)

呂 剛

（中國京冶工程技術(shù)有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518000）

本文主要是通過對(duì)鋼結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、施工方案、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等，在施工作業(yè)中的對(duì)比，來對(duì)國內(nèi)率先采用弦支穹頂結(jié)構(gòu)體系的安徽大學(xué)體育館、常州體育館、濟(jì)南奧體中心體育館3個(gè)鋼結(jié)構(gòu)工程的預(yù)應(yīng)力方案（安裝胎架的設(shè)置、張拉控制原則和分級(jí)張拉過程）、結(jié)構(gòu)安裝方案進(jìn)行對(duì)比研究。同時(shí)對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、節(jié)點(diǎn)及建筑形式進(jìn)行簡要的介紹。

1 工程概況

1.1 安徽大學(xué)體育館

為了能夠擁有良好的采光，安徽大學(xué)在體育館建設(shè)時(shí)，屋蓋正中央設(shè)計(jì)了一個(gè)外接直徑為24m的正六邊形采光玻璃天窗。它的建筑總體是鉆石椎狀，屋蓋是邊長47144m正六邊形鋼屋蓋，覆蓋總面積為11694m2。屋面坡度是12b，局部凸屋面坡度15b，矢夸比1P816。邊柱距為43188m，柱外網(wǎng)外接圓最大直徑外圍871757m，最大挑檐為6m，屋蓋最大高度11155m，建筑總面積為12809m2。

1.2 常州體育館

作為市區(qū)主題場(chǎng)館，常州體育館要求能夠容納6000人。在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上，體育館下部基礎(chǔ)要求會(huì)比較高。它采用全現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系，主體柱網(wǎng)要求是814m×712m。它需要支撐混凝土環(huán)梁，以此保證支持屋蓋。這個(gè)體育館呈橢球形，屋蓋曲面面積為93591939m2。平面投影軸，分別為120m、80m。最大高度為37m，屋蓋矢高為23m，能夠覆蓋75021282m2。

1.3 濟(jì)南奧體中心體育館

為了滿足市區(qū)人民的日常需求，濟(jì)南奧體中心體育館位置離主城區(qū)比較近。附屬場(chǎng)館配置也比較多，而且日常接待的賽事也比較多，算是一個(gè)非常大的場(chǎng)館區(qū)。體育館總體是個(gè)圓形建筑物。建筑總面積為512萬m2。其館頂屋蓋是半球形，矢高為1212m，最大對(duì)向距離為122m。場(chǎng)館內(nèi)設(shè)計(jì)要求至少可以容納10000人上座，所以整體覆蓋面積差不多有11631m2。另外，在頂部也設(shè)計(jì)了一個(gè)覆蓋面積為12096m2，215m高，直徑271792m的風(fēng)帽，在室外配置了大量的籃球場(chǎng)館。

2 弦支穹頂屋蓋鋼結(jié)構(gòu)的施工技術(shù)方案選型和相關(guān)的重點(diǎn)、難點(diǎn)

結(jié)合本文提出的幾個(gè)案例。弦支穹頂屋蓋鋼結(jié)構(gòu)施工均在體育場(chǎng)館土建完成施工后進(jìn)行。就具體情況提出方案。一般情況采用吊裝、升頂和常規(guī)腳手架散裝三套方案。

2.1 吊裝

此次鋼結(jié)構(gòu)施工是在土建完成的基礎(chǔ)上面安裝的，因此，吊車無法進(jìn)入場(chǎng)地，在制定吊裝點(diǎn)進(jìn)行施工。所以這套方案是行不通的。

2.2 升頂

基于土建看臺(tái)完成，升頂施工需要重新搭建作業(yè)面，其造價(jià)比較高，所以這套方案也不可取。

2.3 腳手架空間散裝

結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，本次施工采用腳手架空間散裝方法。必須說明，弦支穹頂施工空間量（跨度、高度）和焊接量都比較大，所以需要注意很多問題，比如腳手架拆裝安全、張拉過程變形監(jiān)控以及鋼結(jié)構(gòu)屋蓋弦支穹頂下弦環(huán)索張拉和拉桿張緊工藝和焊接溫度應(yīng)力和變形的預(yù)防和控制等。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)體系對(duì)比

3.1 安徽大學(xué)體育館

正六邊行是安徽大學(xué)體育館主題造型，首先其屋蓋鋼網(wǎng)殼采用截面大，矩形鋼箱梁焊接的雙向矩形截面鋼構(gòu)件單層網(wǎng)殼。在它六個(gè)脊線處各自有一個(gè)鋼箱梁作為主鋼箱梁，其余部分徑向的鋼箱梁是次鋼箱梁。而鋼屋蓋是采用截面積較小的矩形冷成型鋼管，它分別構(gòu)成了4個(gè)徑向和環(huán)向預(yù)應(yīng)力拉桿和拉索。撐桿是上下鉸接的方式，使用的是圓鋼管。頂部采光蓋與外沿則設(shè)有一個(gè)三管桁架閉合圈，它可以為支座所受的水平推力做一個(gè)緩沖。這樣主梁，拉索跟外環(huán)桁架就基本構(gòu)成了整體骨架。鋼屋蓋最大高度是291890m，整體才用了30根鋼柱支撐，每根柱子之間的間距是81776m。分別分布于各角點(diǎn)，與六邊形邊上。它們與屋蓋的小腳高度為181290m。

3.2 常州體育館

外圍采用聯(lián)方型網(wǎng)格，中心點(diǎn)則才用K8（凱威特）網(wǎng)格。這就構(gòu)成了常州體育館的橢球形鋼網(wǎng)殼屋蓋。所有索系采用Levy索系，并分設(shè)徑向索與環(huán)向索（6環(huán)），網(wǎng)殼桿件、撐桿（上下鉸接）都采用圓鋼管。所有部位節(jié)點(diǎn)采用鑄鋼節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)殼其他節(jié)點(diǎn)則使用相貫節(jié)點(diǎn)。因?yàn)樗胸Q向荷載都是通過環(huán)向布置的徑向拉索與豎向剛性撐桿由內(nèi)向外將結(jié)構(gòu)的荷載轉(zhuǎn)換至最外圈結(jié)構(gòu)環(huán)梁上的，所以在下部混凝土環(huán)梁上另設(shè)24個(gè)支座。

3.3 濟(jì)南奧體中心體育館

上、下單層網(wǎng)殼與弦支索桿體系構(gòu)成了濟(jì)南奧體中心體育館的鋼結(jié)構(gòu)屋蓋。在頂部網(wǎng)格，也是同樣才用了K8網(wǎng)格，并加以葵花網(wǎng)格混合使用。S索夾通過固接與撐桿下端相連，網(wǎng)殼沿各徑向通過鉸接的方式與撐桿上端相連。而下部則由3個(gè)環(huán)向索（采用外包雙層PE的1 670MPa級(jí)半平行鋼絲束）和造鋼棒（Q345級(jí)）采用組成的環(huán)形肋組成。跟常州體育館一樣，所有桿件采用圓管鋼，節(jié)點(diǎn)是采用鑄鋼節(jié)點(diǎn)以及少量的相貫節(jié)點(diǎn)。焊接球節(jié)點(diǎn)則是外部支座節(jié)點(diǎn)通過各索肋、錨栓等各骨架部位連接下部固定結(jié)構(gòu)。

3.4 主要設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)比

3個(gè)場(chǎng)館的建設(shè)中，很多構(gòu)造部位都是不同的，當(dāng)然也還是有相同點(diǎn)的。下面，筆者整理出了相關(guān)數(shù)據(jù)的表1，以此來就數(shù)據(jù)進(jìn)行分析探究。

表1 主要數(shù)據(jù)對(duì)比

3.5 主要節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)對(duì)比

三個(gè)場(chǎng)館建設(shè)的上下端節(jié)點(diǎn)都各有自己特有的設(shè)計(jì)，就上端節(jié)點(diǎn)來看，安徽大學(xué)上端的撐桿與上弦采用的是單耳板連接；常州體育館撐桿上端節(jié)點(diǎn)為由鑄鋼球形撐頭、球頭夾和撐桿桿體構(gòu)成的球鉸；跟安徽大學(xué)類似的是濟(jì)南奧體中心體育館也是采用的單耳板連接。就下端節(jié)點(diǎn)的連接方式來看，安徽大學(xué)采用的是跟上端一樣的單兒板連接。在連接處還增加了加勁肋，撐桿下端節(jié)點(diǎn)板都必須與環(huán)向索、徑向桿相連。網(wǎng)殼各管之間的也采用焊接連接。最后，濟(jì)南奧體中心體育館與常州體育館下端節(jié)點(diǎn)是一樣的。都是由索夾和耳板銷軸節(jié)點(diǎn)組成。索夾則是固定上端的環(huán)向索，耳板銷軸則是連接下?lián)螚U與徑向鎖頭。

4 鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)殼工程安裝方案

4.1 安徽大學(xué)體育館鋼網(wǎng)殼安裝方案

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的施工情況，可以提出安徽大學(xué)體育館安裝的總體思路。屋蓋主要由主箱梁、次箱梁、內(nèi)外桁架、吊桿及拉索等組成，在調(diào)運(yùn)這些材料的時(shí)候，起吊設(shè)備必須根據(jù)實(shí)際需要選用，比如，主梁最大跨度是30m，上弦最大標(biāo)高是2611m，吊裝時(shí)，吊裝半徑就不得小于6m，吊點(diǎn)高度必須大于30m等。在安裝之前，臨時(shí)承受屋蓋荷載（吊裝結(jié)束后可以拆除）要在內(nèi)桁架與主箱梁交接處分別搭設(shè)一組高空胎架。

4.2 常州體育館鋼網(wǎng)殼安裝方案

鑄鋼件的定位精度直接影響鋼結(jié)構(gòu)屋蓋的安裝，而常州體育館屋蓋節(jié)點(diǎn)施工中都是采用的鑄鋼件。所以為了保證安裝質(zhì)量，必須把握好其定位精度。所以，我們特此設(shè)計(jì)了一套方案：滿堂腳手架（采用D50的標(biāo)準(zhǔn)腳手架及架設(shè)于鋼網(wǎng)殼屋蓋范圍內(nèi)）與支撐架（采用型鋼和圓鋼管及架設(shè)于偶數(shù)環(huán)向索下方）混合使用。這些輔助設(shè)備在焊接結(jié)束后可以全部拆除、卸載。鋼網(wǎng)殼屋蓋在吊裝過程中主要以單個(gè)鑄鋼件為起吊單位，在現(xiàn)場(chǎng)需地位2臺(tái)27027塔吊和1臺(tái)5613塔吊配合施工使用。然后環(huán)向管和徑向管交替安裝，最后采用對(duì)稱環(huán)形焊接進(jìn)行焊接。

4.3 濟(jì)南奧體中心體育館鋼網(wǎng)殼安裝方案

與常州體育館類似的是濟(jì)南奧體中心體育館也同樣采用了滿堂腳手架對(duì)鋼結(jié)構(gòu)屋蓋進(jìn)行安裝施工。同時(shí)，再次場(chǎng)館的建設(shè)中，也是布置了胎架，它分布于腳手架中間部位作為支撐使用，因?yàn)闀?huì)有大量的構(gòu)件吊裝到腳手架上進(jìn)行高空散裝。在這一場(chǎng)館網(wǎng)殼安裝的安裝中，是由外部節(jié)點(diǎn)和桿件向內(nèi)對(duì)稱以兩個(gè)單位節(jié)點(diǎn)安裝的，因?yàn)轶w育館的網(wǎng)殼是十字交叉狀。所以需在補(bǔ)全十字構(gòu)件中間的桿件后對(duì)網(wǎng)殼中心的風(fēng)帽節(jié)點(diǎn)與桿件進(jìn)行安裝。最后完成弦支構(gòu)件的安裝。在這里要強(qiáng)調(diào)的是，在焊接的過程中，為了最大限度的減小結(jié)構(gòu)變形不應(yīng)該發(fā)生重復(fù)環(huán)間變形，因此采用先內(nèi)后外，先焊內(nèi)圈接口在焊圈外接口，以及遵循奇偶交替的原則進(jìn)行焊接。

5 預(yù)應(yīng)力張拉方案

5.1 安徽大學(xué)體育館預(yù)應(yīng)力張拉方案

在張拉控制時(shí)必須要遵循伸長值控制輔助拉桿力控制的原則。安徽大學(xué)體育館在建設(shè)的時(shí)候采用徑向桿張拉，張拉端在徑向桿的中間，張拉節(jié)點(diǎn)位于徑向桿連接套筒處，這樣設(shè)計(jì)是為了建立結(jié)構(gòu)所需預(yù)應(yīng)力。然后根據(jù)事先設(shè)計(jì)好的張拉力標(biāo)準(zhǔn)值，通過油泵將油壓施加到2個(gè)千斤頂，最后調(diào)節(jié)套筒以達(dá)到所需施加的力。實(shí)施拉索預(yù)應(yīng)力時(shí)，分為三個(gè)階段，第一階段張拉至設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值的3成；第二個(gè)階段拉至70%；第三階段就是拉滿。這里可以注意到，它是依此拉滿的。而且，在張拉時(shí)要同時(shí)使用6套張拉設(shè)備進(jìn)行，張拉順序是千斤頂外圈往中間移動(dòng)的，每次張拉6個(gè)單位的徑向拉桿也就是一圈。在張拉是要求支座必須固定，通過預(yù)應(yīng)力施加讓其余網(wǎng)殼脫離。

5.2 常州體育館預(yù)應(yīng)力張拉方案

根據(jù)常州體育館的工程特點(diǎn)，采用環(huán)向索張拉法在結(jié)構(gòu)中建立所需的預(yù)應(yīng)力。與安徽大學(xué)體育館一樣使張拉索之間的距離經(jīng)過前三個(gè)階段得到控制后。環(huán)向索力便是最后一階段主要是需要控制的。并在需要時(shí)對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。要注意在結(jié)構(gòu)安裝時(shí)支座滑動(dòng)，需在拉索張拉前落下支架且固定支座。采用雙向控制的原則控制好拉索的張拉，保證期線性不變，撐桿垂直度均勻，環(huán)向索力均勻；并且，為了能在實(shí)際張拉時(shí)控制好張拉力和索段距離，必須主要控制環(huán)向索力和撐桿垂直度，還要分層同步的控制相同環(huán)的環(huán)向索以此來控制結(jié)構(gòu)形狀與所受內(nèi)力。

在所有結(jié)構(gòu)安裝完后，從外向內(nèi)逐一張拉拉索。在短軸和長軸附近設(shè)置4個(gè)張拉點(diǎn)在前3個(gè)環(huán)向索；最后在長、短軸附近的環(huán)向索沿45b方位的環(huán)向索每環(huán)設(shè)置由2臺(tái)千斤頂、1臺(tái)油泵、1套張拉工裝組成的8個(gè)張拉點(diǎn)。

5.3 濟(jì)南奧體中心體育館預(yù)應(yīng)力張拉方案

徑向鋼拉桿張拉法施加預(yù)應(yīng)力是濟(jì)南奧體中心體育館在施工時(shí)所采用得方案。做好網(wǎng)殼拼裝已經(jīng)固定好支座以后，便分兩個(gè)階段開始對(duì)徑向拉桿進(jìn)行張拉，并且張拉過程中，同環(huán)內(nèi)的徑向拉桿分級(jí)同步進(jìn)行張拉。最初階段，從外環(huán)向內(nèi)開始張拉，需達(dá)到0～50%；第二階段則是從內(nèi)環(huán)向外開始張拉，在第一階段的基礎(chǔ)上達(dá)到滿預(yù)應(yīng)力。在第一階段張拉結(jié)束后，結(jié)構(gòu)為一完整弦支穹頂，而且在張拉時(shí)，主要結(jié)構(gòu)網(wǎng)殼是單層的，很容易出現(xiàn)安全隱患，所以必須在第一階段保證支架不落仍然支撐網(wǎng)殼。同時(shí)為了保證支架不受張拉的影響，在第一階段結(jié)束后，必須將所有支架脫離結(jié)構(gòu)。當(dāng)然在所有張拉結(jié)束后就可以安裝構(gòu)造索了。

6 結(jié)語

安徽大學(xué)體育館、常州體育館和濟(jì)南奧體中心體育館3項(xiàng)工程是在采用弦支穹頂這一新型結(jié)構(gòu)體系后在我國比較成功的樣板工程。隨著時(shí)代的進(jìn)步，我國各地的建設(shè)項(xiàng)目也多起來了，隨之而來的空間結(jié)構(gòu)建設(shè)也迅速發(fā)展。筆者結(jié)合實(shí)際通過對(duì)以上三個(gè)主體場(chǎng)館建設(shè)中鋼結(jié)構(gòu)的幾個(gè)要點(diǎn)進(jìn)行了逐一的分析、解答、總結(jié)、希望可以從中讓同行業(yè)者們能夠得到一些啟示，以此來共同探究這一課題。

[1]張志宏，李志強(qiáng)，袁行飛，傅學(xué)怡，董石麟.蓮花穹頂?shù)臏囟刃?yīng)分析（英文）[J].空間結(jié)構(gòu)，2008（03）.

[2]董石麟，袁行飛，郭佳民，樓道安，吳建挺.弦支穹頂結(jié)構(gòu)模型張拉成型試驗(yàn)研究（英文）[J].空間結(jié)構(gòu)，2008（04）.

[3]趙洪金，董寧娟.弦支穹頂結(jié)構(gòu)體系的研究進(jìn)展[J].山西建筑，2008（15）.

[4]薛亞樂，李雪飛，李娜，呂良.弦支穹頂節(jié)點(diǎn)位移風(fēng)振系數(shù)分析[J].河北建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2009（04）.