索膜結(jié)構(gòu)罩棚工程施工技術(shù)案例分析

摘 要：體育場索膜結(jié)構(gòu)罩棚鋼結(jié)構(gòu)部分采用大跨度懸挑斜拉索結(jié)構(gòu)體系的開敞式新穎結(jié)構(gòu)形式。看臺(tái)頂棚鋼結(jié)構(gòu)為斜拉索加鋼管桁架結(jié)構(gòu)體系，由于懸挑較長且為開敞式，故彎矩大受風(fēng)荷載影響明顯加之沙漠地區(qū)風(fēng)荷載更加明顯，深化設(shè)計(jì)中活荷載取0.3km/m2風(fēng)荷載取0.55km/m2，雪荷載取0.3km/m2。與主體鋼結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)，膜頂棚由29個(gè)馬鞍形膜單元組成，峰谷鮮明，矢高2.5m，每個(gè)膜單元面積約100m2，每個(gè)膜單元之間天溝連接相鄰單元天溝間防水膜覆蓋。由于膜材是一種柔性織物，要想作為一種建筑材料具有一定的造型，必須給其施加一定數(shù)值的預(yù)張力，可以通過膜節(jié)點(diǎn)索的調(diào)節(jié)從而使預(yù)張力達(dá)到設(shè)計(jì)要求。本工程膜結(jié)構(gòu)形式為張拉膜形式，沿徑向硬邊用螺栓與鋁壓板與主體鋼結(jié)構(gòu)桁架梁連接，檐口采用弧形軟邊鋼索張拉，硬邊的安裝過程同時(shí)也是沿經(jīng)線方向張拉的過程，硬邊安裝完成后要達(dá)到受力要求。

關(guān)鍵詞：非線性；有限元；大跨度懸挑 ；卸載

中圖分類號(hào)：TU758.11 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-3362（2013）12-0200-02

1 工程概況

張掖國家沙漠體育公園位于甘州區(qū)城南13km處，東南寬4.3km，南北長11.4km，總面積35km2，是全國距離城市最近的沙漠體育公園，公園國際賽車場占地面積約60000m2，按國際標(biāo)準(zhǔn)賽車場設(shè)計(jì)，主看臺(tái)坐北向南，為極富動(dòng)感的圓弧造型，面向沙漠，背靠綠洲，視野開闊，長170m，寬22m，設(shè)有3000個(gè)坐席，看臺(tái)上方的風(fēng)雨罩棚為索膜結(jié)構(gòu)，膜棚為時(shí)尚淺黃色，與沙漠渾然一體。整體投影面呈月牙造型，流暢、美觀。索膜結(jié)構(gòu)罩棚投影面積2059m2，展開面積2326m2。鋼結(jié)構(gòu)為鋼管柱主支撐，懸挑變載面鋼管桁架梁，桁架梁之間連接圓弧熱鋼管連系梁，相貫線焊接。懸挑桁架梁與鋼管柱通過Φ20柔性鋼索張拉連接，懸挑桁架檐口相對(duì)標(biāo)高12.7m，工程最高相對(duì)點(diǎn)標(biāo)高24.6m超過24m，懸挑梁最長處懸挑16m，屬長臂懸挑桁架梁，彎矩較大給結(jié)構(gòu)施工帶來很大難度，鋼管柱采用Φ530mm×16mm，Q345B熱鋼管，桁架梁上下弦桿均采用Φ180mm×6mm墊鋼管，腹桿采用Φ60mm×3.5mm。支座采用剛性固定支座，本工程整體用鋼量較大，沙漠地區(qū)施工條件艱苦，早晚溫差大，而且?guī)缀趺刻煜挛?5：00都會(huì)伴隨一場沙塵暴，所以施工難度相對(duì)較大，本文就本工程的特點(diǎn)作施工技術(shù)說明（見圖1）。

2 技術(shù)措施

2.1 施工進(jìn)度計(jì)劃

本工程工期緊、工作量大，沙漠地區(qū)氣候相對(duì)惡劣，安裝難度大，新材料、新工藝、專業(yè)性強(qiáng)，部分材料需提前定做，所以必須進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃，做好詳細(xì)的施工進(jìn)度計(jì)劃，根據(jù)現(xiàn)場土建施工及吊裝機(jī)具情況及工廠車間生產(chǎn)情況以及各時(shí)間節(jié)點(diǎn)參數(shù)、工藝參數(shù)擬如下雙代號(hào)網(wǎng)絡(luò)圖作為施工進(jìn)度計(jì)劃嚴(yán)格執(zhí)行，如圖2。

2.2 結(jié)構(gòu)體系

體育場索膜結(jié)構(gòu)罩棚鋼結(jié)構(gòu)部分采用大跨度懸挑斜拉索結(jié)構(gòu)體系的開敞式新穎結(jié)構(gòu)形式?？磁_(tái)頂棚鋼結(jié)構(gòu)為斜拉索加鋼管桁架結(jié)構(gòu)體系，由于懸挑較長且為開敞式，故彎矩大受風(fēng)荷載影響明顯加之沙漠地區(qū)風(fēng)荷載更加明顯，深化設(shè)計(jì)中活荷載取0.3km/m2 風(fēng)荷載取0.55km/m2，雪荷載取0.3km/m2。與主體鋼結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)，膜頂棚由29個(gè)馬鞍形膜單元組成，峰谷鮮明，矢高2.5m，每個(gè)膜單元面積約100m2，每個(gè)膜單元之間天溝連接相鄰單元天溝間防水膜覆蓋。由于膜材料本身沒有抗壓和抗彎剛度，抗剪強(qiáng)度很若，因此其剛度和穩(wěn)定性需要靠膜曲面的曲率變化和其中預(yù)應(yīng)力來提高，對(duì)膜結(jié)構(gòu)而言，任何時(shí)候不存在無應(yīng)力狀態(tài)，因此膜曲面形狀最終必須滿足在一定邊界條件、一定預(yù)應(yīng)力條件下的力學(xué)平衡，并以此為基準(zhǔn)進(jìn)行荷載分析和裁剪分析。在荷載作用下膜材料的變形較大，且隨著形狀的改變，荷載分布也在改變，因此要精確計(jì)算結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力要用幾何非線性的方法進(jìn)行。在外荷載作用下膜中一個(gè)方向應(yīng)力增加而另一個(gè)方向應(yīng)力減少，這就要求施加初始張應(yīng)力的程度要滿足在最不利荷載作用下應(yīng)力不致減少到零，即不出現(xiàn)皺褶。因?yàn)槟げ牧媳容^輕柔，自振頻率很低，在風(fēng)荷載作用下極易產(chǎn)生風(fēng)振，導(dǎo)致膜材料破壞，如果初始預(yù)應(yīng)力施加過高，膜材變形增大，易老化且強(qiáng)度儲(chǔ)備少，對(duì)受力構(gòu)件強(qiáng)度要求也高，增加施工安裝難度。根據(jù)膜面找型、應(yīng)力狀況和業(yè)主投資情況我們膜材選擇聚酯纖維基材PVDF膜材，如表1。

2.3 鋼結(jié)構(gòu)吊裝方案

本工程由于運(yùn)輸及場地機(jī)械等限制，我們綜合考慮鋼結(jié)構(gòu)安裝采用高空散裝法，該工程選用一臺(tái)50t汽車吊作為鋼結(jié)構(gòu)垂直運(yùn)輸?shù)闹饕獧C(jī)械，場內(nèi)卡車駁運(yùn)按“柱—梁—索”順序從15軸向兩側(cè)對(duì)稱吊裝，所有焊接完成后對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行卸載，并調(diào)節(jié)拉索。（圖3）由于拉索的張拉，結(jié)構(gòu)的初始位形和最終位性可能存在差別，實(shí)際施工中我們對(duì)桁架采用分段安裝方式，沒兩段之間為焊接預(yù)留有一定的空隙，此見習(xí)可兼用做調(diào)節(jié)，初始位形與最終位形差別，每個(gè)間隙調(diào)節(jié)量方根據(jù)每段仿真分析結(jié)果來確定，繪制三維實(shí)體模型，充分考慮焊接工藝，繪制節(jié)點(diǎn)詳圖，保證三維定位相對(duì)坐標(biāo)，確保節(jié)點(diǎn)加工精度，在張拉索之前，應(yīng)該分析拉索與桁架之間的應(yīng)力。待桁架梁安裝完成后，按流水作業(yè)掛索并張拉，張拉過程采用對(duì)稱張拉，在張拉前進(jìn)行有限元模擬仿真分析，以分析結(jié)果為依據(jù)，嚴(yán)密監(jiān)控拉索張拉過程，以確保最終結(jié)構(gòu)應(yīng)力滿足設(shè)計(jì)要求，拉索張拉時(shí)實(shí)行雙控，即控制結(jié)構(gòu)豎向位移和索力，對(duì)桁架關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行位移和索力監(jiān)測(cè)，全站儀監(jiān)測(cè)位移，以千斤頂為測(cè)力工具，在張拉初期還沒有成型的結(jié)構(gòu)隨索力增加而變形較大，故此時(shí)應(yīng)監(jiān)控位移。隨著張拉進(jìn)行，結(jié)構(gòu)逐漸成型，結(jié)構(gòu)自身剛度不斷提高，位移較小，這時(shí)以索力監(jiān)控為主。這樣我們就可以通過索張拉的控制來減小總體變形確保鋼結(jié)構(gòu)安裝精度。

2.4 施工控制

2.4.1 測(cè)量

由于該工程對(duì)精度的搞要求，我們采用多階段、高精度，高密度的三維測(cè)量技術(shù)。主要表現(xiàn)在對(duì)鋼管桁架安裝的定位測(cè)量，對(duì)拉索張拉位移的測(cè)量，利用BIM建模模擬施工等采用全站儀和人工測(cè)量相互檢查從而減少誤差，控制桁架矢高與變形。

2.4.2 焊接控制

由于本工程構(gòu)體數(shù)量多，現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)多樣，焊接數(shù)量較大，二次相貫隱蔽焊接多，對(duì)焊縫質(zhì)量要求高，質(zhì)量控制難度大，沙漠地區(qū)早晚溫差大，平均早晚溫差15℃左右，都對(duì)焊接有一定影響，實(shí)際操作中溫度較低時(shí)注意母材預(yù)墊及焊后保溫，并進(jìn)行探傷檢測(cè)從而保證焊接質(zhì)量達(dá)到驗(yàn)收規(guī)范要求保證角焊縫厚度，按表2執(zhí)行。

2.5 膜面安裝

在設(shè)計(jì)上考慮膜的二次張拉的要求，將至少保證其中一側(cè)膜邊界設(shè)計(jì)為可調(diào)邊界，這樣就可以保證膜面通過張拉索式張拉螺栓逐步施加預(yù)張力并可在今后的維護(hù)養(yǎng)期內(nèi)消除膜的松弛、皺褶等不良現(xiàn)象。

本工程膜單元分為29個(gè)，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)裁剪分割膜片。29個(gè)膜單元全部獨(dú)自放樣，故在膜材進(jìn)場前分別對(duì)應(yīng)編號(hào)對(duì)應(yīng)安裝，每個(gè)膜單體80～120m2不等。這里以面積最大的15號(hào)膜體為例來敘述安裝方法，因?yàn)閱误w膜面積不是很大，重量也相對(duì)較輕，故可以采用在地面折疊，50t汽車吊垂直提升至安裝胎架上空中展開，空中組裝的方法進(jìn)行安裝。

膜安裝之前在膜單元風(fēng)邊搭設(shè)了操作平臺(tái)，以便展開膜單元及進(jìn)行膜單元風(fēng)邊的固定。為防止安裝過程中沙漠地區(qū)極易變化的惡劣天氣，施工現(xiàn)場為沙漠地區(qū)，每天下午15：00～16：00會(huì)有六、七級(jí)大風(fēng)伴隨沙塵暴襲擊，所以我們對(duì)所有膜體進(jìn)行先固定后加固的方案，保護(hù)膜體不受損失。

由于膜材是一種柔性織物，要想作為一種建筑材料具有一定的造型，必須給其施加一定數(shù)值的預(yù)張力，可以通過膜節(jié)點(diǎn)索的調(diào)節(jié)從而使預(yù)張力達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

本工程膜結(jié)構(gòu)形成為張拉膜形式，沿徑向硬邊用螺栓與鋁壓板與主體鋼結(jié)構(gòu)桁架梁連接，檐口采用弧形軟邊鋼索張拉，硬邊的安裝過程同時(shí)也是沿經(jīng)線方向張拉的過程，硬邊安裝完成后要達(dá)到受力要求。整個(gè)過程按如下步驟流水施工。

2.5.1 安裝繩網(wǎng)

膜面就位，膜面展開，松開部分繩網(wǎng)。

2.5.2 沿硬邊一邊掛起緊繩器兩端張拉使硬邊一角與設(shè)計(jì)位置吻合

臨時(shí)固定對(duì)角張拉到位，為防止氣候變化可能發(fā)生起風(fēng)、沙塵暴等，應(yīng)以繩索臨時(shí)攬住膜面，每隔1m攬一道麻繩或尼龍繩，待整條膜邊中基準(zhǔn)線線與鋼桁架上的下壓板孔中心線位置相一致時(shí)開始固定一邊螺栓，等待一邊固牢固后用夾板緊繩器張拉對(duì)邊，使其基準(zhǔn)線與壓板基準(zhǔn)線吻合后固定螺栓。

2.5.3 安裝邊索

按此方法將29只膜單元逐個(gè)硬邊安裝完成后進(jìn)行前挑檐口的邊索安裝，邊索采用Φ11PE鍍鋅鋼索。鋼索穿入索套后，分段逐級(jí)張拉，預(yù)應(yīng)力間隔施加，每次施加預(yù)應(yīng)力間隔24h，當(dāng)二、三次張拉時(shí)各作業(yè)點(diǎn)施工人員應(yīng)隨時(shí)觀察膜面挺拔度，遇有應(yīng)力集中區(qū)應(yīng)及時(shí)調(diào)整，避免膜面破壞（圖4）。

2.5.4 防水膜處理

由于面分成29個(gè)單體獨(dú)自安裝，壓膜板螺栓處可能會(huì)有雨水滲漏，所以必須在此處做防水處理，多防水節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行強(qiáng)度分析計(jì)算，為驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)的可靠性，針對(duì)節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行一系列的試驗(yàn)，包括強(qiáng)度試驗(yàn)、耐久性試驗(yàn)等（圖5）。

3 結(jié)語

膜結(jié)構(gòu)作為一種較新穎的大跨度空間結(jié)構(gòu)建筑形式，由于其所用材料及受力體系特殊性的特點(diǎn)，所以在施工中必須做到科學(xué)統(tǒng)籌，盡量做到設(shè)計(jì)、施工統(tǒng)一配合，建議膜結(jié)構(gòu)專業(yè)施工單位應(yīng)定期安排設(shè)計(jì)人員到施工現(xiàn)場觀摩學(xué)習(xí)，以使設(shè)計(jì)與施工、理論與實(shí)踐完美結(jié)合，從而改進(jìn)施工質(zhì)量，提升以索膜結(jié)構(gòu)為代表的一系列空間結(jié)構(gòu)體系施工水平。

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