大型體育場(chǎng)月牙形索桁架預(yù)應(yīng)力拉索施工監(jiān)測(cè)

黃嘯蔚 曾 煒 曹凌堅(jiān)

1. 浙江省建筑科學(xué)設(shè)計(jì)研究院有限公司 杭州 310012；2. 浙江工程建設(shè)監(jiān)理公司 杭州 310012

1 工程概況

樂(lè)清市體育中心體育場(chǎng)采用新型的空間索桁結(jié)構(gòu)體系，由鋼斜柱和鋼管混凝土環(huán)梁組成錐面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，屋面則采用月牙形非封閉空間索桁體系，上覆PTFE膜材，如圖1所示。該結(jié)構(gòu)體系主要受力構(gòu)件為上弦索、下弦索和環(huán)索構(gòu)成的三角或交叉索桁架，膜面次結(jié)構(gòu)在主要受力構(gòu)件上方，包括膜面二鉸拱和環(huán)向構(gòu)造索。屋面主結(jié)構(gòu)由斜柱、上環(huán)梁、下環(huán)梁、上弦索、下弦索、吊索、環(huán)索及壓桿構(gòu)成，是典型的雙層懸索結(jié)構(gòu)。

圖1 體育場(chǎng)索桁體系結(jié)構(gòu)效果圖

本文介紹了體育場(chǎng)索桁結(jié)構(gòu)工程的施工方案，即低空無(wú)應(yīng)力組裝、空中牽引提升、高空分級(jí)同步張拉3 個(gè)步驟。并通過(guò)無(wú)線傳感測(cè)試技術(shù)，對(duì)關(guān)鍵施工過(guò)程中的代表索的預(yù)應(yīng)力變化進(jìn)行了跟蹤監(jiān)測(cè)。再通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)與理論計(jì)算結(jié)果的比較，對(duì)拉索的實(shí)際施工張拉情況進(jìn)行了分析，保證了工程的順利進(jìn)行。

2 索桁結(jié)構(gòu)施工方案[1-8]

2.1 結(jié)構(gòu)布置

體育場(chǎng)結(jié)構(gòu)南北長(zhǎng)約229 m，東西寬約221 m，共由38 榀徑向索桁架組成，上環(huán)梁最大標(biāo)高42 m，罩棚最大懸挑為52.6 m。因上、下徑向索長(zhǎng)度很短，靠近角柱的3 榀索桁架采用鋼拉桿。整個(gè)結(jié)構(gòu)的軸線布置與各類構(gòu)件截面規(guī)格如圖2所示。

圖2 體育場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)軸線平面布置

2.2 施工步驟

索桁架總體施工分為3 個(gè)步驟：低空無(wú)應(yīng)力組裝、空中牽引提升、高空分級(jí)同步張拉。

2.2.1 低空無(wú)應(yīng)力組裝

大部分環(huán)索在看臺(tái)內(nèi)側(cè)地面或支架上組裝，兩端環(huán)索（從30～39軸、67～58軸）在看臺(tái)上搭設(shè)的腳手支架（高1～6 m）上組裝。環(huán)索安裝完畢后，安裝上、下環(huán)索之間的壓桿；連接外環(huán)梁和環(huán)索之間的上徑向索則由上徑向工裝索牽引至低空，然后組裝吊索、下徑向索和壓桿。

2.2.2 牽引提升

索桿系提升采用分級(jí)加載試提升。索桿系受上徑向工裝索整體牽引提升至高空，此時(shí)將上、下徑向索分別與外環(huán)梁連接，從而完成索桿系的安裝。安裝期間，為維持結(jié)構(gòu)幾何的穩(wěn)定，在2～10軸和87～95軸之間安裝穩(wěn)定工裝索。

為確保牽引提升過(guò)程的安全，我們采用試提升的方法，同時(shí)觀測(cè)索桿系、外圍結(jié)構(gòu)以及牽引提升設(shè)備系統(tǒng)和工裝索的情況，以確認(rèn)提升施工方法是否符合模擬工況計(jì)算和設(shè)計(jì)條件。試牽引提升時(shí)，各牽引點(diǎn)提升器施加壓力緩慢分四級(jí)增加，分別為所需壓力的40%， 60%，80%，90%。

觀測(cè)情況穩(wěn)定時(shí)，最后可加至所需壓力的100%，此時(shí)索桿系離開(kāi)環(huán)索組裝胎架。但在環(huán)索即將離開(kāi)組裝胎架時(shí)，應(yīng)密切觀察各點(diǎn)脫架情況，必要時(shí)做“單點(diǎn)動(dòng)”或微動(dòng)牽引提升，以確保環(huán)索脫架平穩(wěn)，各點(diǎn)同步。環(huán)索脫離組裝胎架約200 mm后暫停提升，停留4 h并作全面檢查，檢查內(nèi)容包括各設(shè)備運(yùn)行情況、加載前后工裝索和索桿系的變形情況、每一牽引點(diǎn)的千斤頂受載是否均勻、以及周邊結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

經(jīng)全面檢查，情況正常后，進(jìn)行正式牽引提升。首先利用液壓牽引工裝索將整個(gè)索桿系逐步牽引提升，直至上弦索與上環(huán)梁連接就位。當(dāng)上弦索的索頭提升靠近上環(huán)梁時(shí)暫停，各牽引點(diǎn)通過(guò)調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行微調(diào)，使上環(huán)梁與上弦索的索頭連接就位。在上弦索與上環(huán)梁連接時(shí)，索桿系通過(guò)液壓牽引提升裝置的機(jī)械液壓自鎖裝置，使索桿系在空中（或提升過(guò)程中）的任意位置可靠鎖定并停留；并通過(guò)倒鏈或者攬風(fēng)繩將索桿系與周邊結(jié)構(gòu)或者看臺(tái)可靠連接，以限制索桿系發(fā)生位移。

在上弦索與上環(huán)梁連接就位后，將牽引提升設(shè)備卸載和拆除，使?fàn)恳ぱb索不再受力。牽引下弦索與下環(huán)梁連接，吊裝34～39軸、58～63軸線（共6軸線）的上弦索和下弦索與外環(huán)梁連接，并使上弦索與下環(huán)梁連接就位。

2.2.3 索桿系的張拉

索桁架沿徑向輻射，因下徑向索的索力相對(duì)小，為減小施工張拉力，我們選擇將下徑向索作為主動(dòng)張拉索。索桿系的張拉采用分級(jí)同步張拉下徑向索，即僅主動(dòng)張拉下徑向索，而上徑向索、環(huán)索、吊索和壓桿等均為被動(dòng)張拉。

拉索張拉控制項(xiàng)目及其目標(biāo)為：索力控制，即控制下徑向索的張拉力；位形控制，即控制環(huán)索節(jié)點(diǎn)的標(biāo)高。拉索張拉控制則采用雙控原則，即張拉力和位形的雙控，其中以張拉點(diǎn)的索力控制為主。

3 索力監(jiān)測(cè)

3.1 測(cè)點(diǎn)布置

由于整個(gè)結(jié)構(gòu)體量大，關(guān)鍵受力位置較多，只能對(duì)部分的結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件進(jìn)行抽樣布點(diǎn)，即對(duì)體育場(chǎng)索桁結(jié)構(gòu)上下徑向拉索、環(huán)索、鋼環(huán)梁，鋼柱等受力較大的部位實(shí)施應(yīng)力與溫度監(jiān)測(cè)，如圖3所示。

圖3 測(cè)點(diǎn)布置示意

傳感器與構(gòu)件表面的安裝是通過(guò)專門(mén)的傳感器安裝支座進(jìn)行連接，傳感器安裝支座根據(jù)構(gòu)件表面（圓弧或平面）進(jìn)行精加工處理，通過(guò)點(diǎn)焊或膠粘的方式安裝固定于待測(cè)表面。傳感器通過(guò)固定螺絲安裝于支座上，擰緊后與結(jié)構(gòu)協(xié)同變形。徑向索應(yīng)力傳感器支座安裝于索的可調(diào)節(jié)端的索頭位置，分別位于左右耳板位置，每個(gè)測(cè)點(diǎn)各安裝1 個(gè)傳感器。

3.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

從試張拉到張拉完成的一個(gè)多月時(shí)間內(nèi)，本體育場(chǎng)基本完成了索桁架的張拉成形過(guò)程施工，并按照監(jiān)測(cè)方案對(duì)結(jié)構(gòu)各測(cè)點(diǎn)的內(nèi)力和溫度進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。一個(gè)多月的施工進(jìn)度可簡(jiǎn)要分為3 個(gè)階段：

第一階段：約10 d時(shí)間。主要完成拉索的地面安裝工作，并將其初步提升就位，此時(shí)，結(jié)構(gòu)開(kāi)始初步受力。

第二階段：約5 d時(shí)間。主要完成拉索預(yù)應(yīng)力張拉工作，將拉索張拉至設(shè)計(jì)應(yīng)力參考值。

第三階段：約15 d時(shí)間。張拉完成后，膜結(jié)構(gòu)安裝之前，結(jié)構(gòu)處于相對(duì)受力平穩(wěn)狀態(tài)。

為了較好的反映監(jiān)測(cè)結(jié)果，充分展示被測(cè)部位應(yīng)力的月度變化規(guī)律與每日變化規(guī)律，現(xiàn)將一個(gè)月內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)值進(jìn)行歸納分析。對(duì)于每一個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別選取溫差變化較大的中午12時(shí)與溫差變化較小的午夜0時(shí)進(jìn)行月度內(nèi)力變化規(guī)律總結(jié)。

在統(tǒng)計(jì)時(shí)，選取4 根索的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定，根據(jù)油壓千斤頂讀數(shù)與監(jiān)測(cè)點(diǎn)的采集數(shù)據(jù)，作為依據(jù)來(lái)進(jìn)行實(shí)測(cè)內(nèi)力變化規(guī)律總結(jié)。

以8軸為例，繪制上、下徑向索的內(nèi)力溫度變化曲線，如圖4、圖5所示?？梢钥闯觯髁υ趶埨^(guò)程中，隨外界環(huán)境溫度變化影響不大。

根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)利用ANSYS軟件模擬施工過(guò)程，將牽引提升和張拉2 個(gè)步驟隨施工進(jìn)程各分成6 個(gè)工況，并得出相應(yīng)的端部索力設(shè)計(jì)值。

由此提取4、93、8、89軸監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，繪制上、下徑向索施工過(guò)程中監(jiān)測(cè)索力與設(shè)計(jì)索力對(duì)比，如圖6、圖7所示。

圖4 8軸上徑向索測(cè)點(diǎn)內(nèi)力及溫度隨時(shí)間變化

圖5 8軸下徑向索測(cè)點(diǎn)內(nèi)力及溫度隨時(shí)間變化

4 結(jié)語(yǔ)

樂(lè)清市體育中心體育場(chǎng)采用新型的空間索桁結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)形式與跨度均屬于行業(yè)領(lǐng)先。體育場(chǎng)施工采用低空組裝和空中牽引提升的方法將索桿系安裝至高空后進(jìn)行分步張拉。結(jié)構(gòu)施工監(jiān)測(cè)過(guò)程包含了預(yù)應(yīng)力張拉全過(guò)程以及前后各一段非張拉期。根據(jù)施工監(jiān)測(cè)結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：

圖6 4、93軸上弦索端部索力設(shè)計(jì)值與監(jiān)測(cè)值對(duì)比

圖7 8、89軸下弦索端部索力設(shè)計(jì)值與監(jiān)測(cè)值對(duì)比

（a）根據(jù)上下徑向索一個(gè)月內(nèi)索力變化跟蹤，表明被監(jiān)測(cè)的8 根代表性拉索都已基本張拉到位，除4軸上徑向索測(cè)點(diǎn)有損壞外，其他實(shí)測(cè)預(yù)應(yīng)力值與設(shè)計(jì)值相差基本在10%左右。

（b）在非張拉期間，各拉索測(cè)點(diǎn)內(nèi)力變化較平穩(wěn)，沒(méi)有測(cè)點(diǎn)內(nèi)力發(fā)生突增或突減現(xiàn)象，其變化值隨溫度變化雖有一定影響，但影響較小。

（c）從總體上來(lái)看，根據(jù)各測(cè)點(diǎn)的月度變化規(guī)律曲線，樂(lè)清體育中心拉索等關(guān)鍵構(gòu)件的測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化均屬正常，被測(cè)結(jié)構(gòu)處于良性受力狀態(tài)。

本文所述的監(jiān)測(cè)方法可供相關(guān)工程借鑒。