橢圓形大跨度弦支穹頂預(yù)應(yīng)力施工技術(shù)

□文/張俊鐸 鄧應(yīng)平 張永坡 尚靜媛 王振普

橢圓形大跨度弦支穹頂預(yù)應(yīng)力施工技術(shù)

□文/張俊鐸 鄧應(yīng)平 張永坡 尚靜媛 王振普

中醫(yī)藥大學(xué)新建體院館是2017年全運(yùn)會場館之一，平面投影呈橢圓形，采用弦支穹頂結(jié)構(gòu)。文章介紹了該工程的預(yù)應(yīng)力施工技術(shù)，通過施工前的仿真分析計算與施工過程中的監(jiān)測對比，提出了一套橢圓形弦支穹頂預(yù)應(yīng)力施工技術(shù)。

弦支；穹頂；橢圓形；預(yù)應(yīng)力；大跨度

天津中醫(yī)藥大學(xué)新建體育館工程坐落于天津中醫(yī)藥大學(xué)新校區(qū)內(nèi)，是中國2017年十三屆全運(yùn)會場館之一。整體造型意喻著“旋轉(zhuǎn)”和“圍繞”的“喜旋”造型，代表著喜悅和對生命的熱情。

1　工程概況

體育館建筑面積17 420 m2，建筑高度24.3 m，座席數(shù)5 300個。整體平面呈橢圓形120 m×100 m。屋蓋采用弦支穹頂結(jié)構(gòu)，長軸92.2 m，短軸73 m，矢高6.5 m。上部剛性單層網(wǎng)殼為空心加肋焊接球和圓管桿件焊接而成，焊接球規(guī)格WSR300 mm×10 mm～WSR750 mm×25 mm，桿件規(guī)格φ114 mm×4.5 mm～φ402 mm×16.0 mm。下部柔性索桿體系分四環(huán)五圈，環(huán)向拉索共4環(huán)，環(huán)間距約7.5 m，拉索為高釩索強(qiáng)度1 670、1 800 MPa；徑向拉桿5圈，為GLG550拉桿，規(guī)格φ40 mm～φ80 mm；豎向撐桿為圓管，長3.5、4.0、4.5、5.0 m，規(guī)格φ180×8 mm，材質(zhì)Q345B；拉索、拉桿、撐桿間為鑄鋼節(jié)點(diǎn)。北側(cè)部分徑向桁架下部為單排柱，故加做局部加強(qiáng)桁架，加強(qiáng)桁架桿件為φ114 mm×5 mm～φ402 mm×16 mm的圓管。外圍桁架由徑向桁架、環(huán)拉桿組成，徑向桁架水平投影長度約為15～20 m，高度約為22～26.3 m，桁架構(gòu)件為圓管，規(guī)格為φ325 mm× 12 mm～φ140 mm×4.5 mm不等，單榀桁架最大質(zhì)量約4.5 t，材質(zhì)Q345B，見圖1-圖3。

圖1　網(wǎng)架安裝效果

圖2　主體結(jié)構(gòu)長軸立面

圖3　四環(huán)拉索五圈徑向拉桿

2　結(jié)構(gòu)難點(diǎn)和特點(diǎn)

1）屋蓋呈橢球形。橢球形網(wǎng)殼下掛高釩索，高釩索平面形狀呈橢圓形，索張拉過程摩擦力加大，預(yù)應(yīng)力損失嚴(yán)重，造成各段索力均不相同，為施工帶來困難。

2）索體直徑較大。大直徑高釩索最大直徑86 mm，安裝難度大，最大應(yīng)力為1 801 kN，張拉較困難。

3）加強(qiáng)空間桁架作為弦支穹頂?shù)牟糠种吸c(diǎn)。工程主體為兩排混凝土柱，外圈柱32根、內(nèi)圈柱26根，北側(cè)場館入口處為達(dá)到大跨度、大空間的功能要求，在抽空6根柱的區(qū)域采用加強(qiáng)桁架，截面形式呈三角形，跨度為55.6 m，高度為4.5 m。

4）弦支穹頂與外圍桁架連接成整體。屋蓋坐落在內(nèi)圈26根柱和加強(qiáng)桁架上，連接外部徑向平面異形桁架，柱頂通過彈簧支座連接，柱身通過埋件焊接，形成穩(wěn)定體系。

3　預(yù)應(yīng)力施工技術(shù)

3.1預(yù)應(yīng)力施加方案確定

1）撐桿頂升。早期的弦支穹頂結(jié)構(gòu)跨度小，撐桿數(shù)量少，預(yù)應(yīng)力水平低，撐桿頂升使用較多。對于大跨度結(jié)構(gòu)，由于撐桿數(shù)量多，設(shè)備要求多，施工后環(huán)索不在一個平面上且徑向拉桿，環(huán)索和撐桿三軸線不能匯交于一點(diǎn)的原因，基本不被選用。

2）環(huán)向張拉。環(huán)向張拉是弦支穹頂結(jié)構(gòu)發(fā)展的中期使用的方法，鑒于該方法使用設(shè)備較少且環(huán)索的線性容易控制、經(jīng)濟(jì)性好被施工單位所接受。但是環(huán)索與撐桿下節(jié)點(diǎn)摩擦力非常大，應(yīng)力摩擦損失特別嚴(yán)重，使得預(yù)應(yīng)力張拉施工完成后，環(huán)索預(yù)應(yīng)力極為不均勻。如果能找到一種解決環(huán)索與撐桿下節(jié)點(diǎn)摩擦力的辦法，將是最優(yōu)的選擇。

3）徑向張拉。徑向張拉雖然張拉設(shè)備數(shù)量相對較多，但是能有效避免由于環(huán)索與撐桿之間摩擦力引起的預(yù)應(yīng)力損失，使得張拉施工結(jié)束后張拉整體預(yù)應(yīng)力分布較為均勻。張拉設(shè)備張拉力較小，容易控制。容易實(shí)現(xiàn)整個橢圓形弦支穹頂?shù)恼w預(yù)應(yīng)力施工。

通過分析本工程采用徑向施加預(yù)應(yīng)力的方法。

3.2施工流程

完成混凝土框架→搭設(shè)弦支穹頂支撐架體→安裝外圍徑向桁架→安裝單層網(wǎng)殼→安裝預(yù)應(yīng)力構(gòu)件→預(yù)應(yīng)力的施工和監(jiān)測。

預(yù)應(yīng)力施工順序：第一級由外圈往內(nèi)圈預(yù)緊到設(shè)計初張拉力的20%，第二級由內(nèi)圈向外圈張拉到設(shè)計初張拉力的70%，再由外圈向內(nèi)圈張拉設(shè)計初張拉力的100%，期間根據(jù)監(jiān)測結(jié)果調(diào)整局部索力，保證索力的一致性。

3.3預(yù)應(yīng)力張拉要點(diǎn)

3.3.1設(shè)備選用

經(jīng)過仿真計算，徑向鋼拉桿最大張拉力約33.4 t左右，需要2臺23 t千斤頂，每圈徑向鋼拉桿采用4個點(diǎn)對稱張拉，這樣最多需要24臺千斤頂。張拉設(shè)備采用預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)專用千斤頂和配套油泵的油壓表。根據(jù)設(shè)計和預(yù)應(yīng)力工藝要求的實(shí)際張拉力對千斤頂及油壓表進(jìn)行標(biāo)定。

3.3.2預(yù)應(yīng)力張拉原則和方法

預(yù)應(yīng)力張拉以“控制張拉力為主，結(jié)構(gòu)變形為輔”的原則，分級分步對稱張拉的方法。

3.3.3預(yù)應(yīng)力張拉要點(diǎn)

1）根據(jù)環(huán)向索所作標(biāo)記，進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整完成的狀態(tài)為張拉前初始狀態(tài)。

2）由于本工程張拉設(shè)備組件相對較多，在進(jìn)行安裝時必須小心謹(jǐn)慎，張拉設(shè)備形心對準(zhǔn)鋼拉桿，保證預(yù)應(yīng)力鋼拉桿在進(jìn)行張拉過程中不產(chǎn)生偏心。油泵啟動供油正常后加壓，張拉時，要穩(wěn)定給油速度，給油時間不應(yīng)低于0.5 min。

3）在張拉過程中將每級的張拉力（20%、70%、100%）在張拉過程中再細(xì)分小步（每級分21小步），在每小步中盡量使千斤頂給油速度同步，在張拉完成每小步后，所有千斤頂停止給油，如此通過每小步停頓調(diào)整的方法來達(dá)到整體同步的效果。

4）每組張拉操作人員配備專人對講機(jī)指揮，保持溝通順暢，來達(dá)到張拉操作的同步性。

4　預(yù)應(yīng)力施工仿真計算

4.1仿真的目的和意義

1）驗(yàn)證張拉方案的可行性，確保張拉過程的安全。

2）給出每張拉步鋼索張拉力的大小，為實(shí)際張拉時的張拉力值確定提供理論依據(jù)。

3）給出每張拉一步結(jié)構(gòu)的變形值及應(yīng)力分布情況，為張拉過程中的變形及應(yīng)力監(jiān)測提供理論依據(jù)。

4）根據(jù)計算出來的張拉值，選擇合理的張拉機(jī)具并設(shè)計適宜的張拉工裝。

4.2計算結(jié)果

1）結(jié)構(gòu)全部安裝完成后，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)豎向位移比較小，向下位移為5 mm；張拉完成后，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中間部分最大起拱值為67 mm，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)四周局部向下最大位移值為9 mm。

2）施工安裝過程中張拉力最大為334 kN，張拉完成環(huán)向索拉索最大索力為1 801 kN，張拉過程中，徑向鋼拉桿最大軸力為334 kN。

4）張拉過程中鋼結(jié)構(gòu)最大壓應(yīng)力為9 MPa，最大拉應(yīng)力為67 MPa。

5　施工監(jiān)測

5.1施工監(jiān)測的目的

結(jié)構(gòu)在張拉前不具備整體剛度，結(jié)構(gòu)在張拉過程中，將經(jīng)歷復(fù)雜的受力狀態(tài)，達(dá)到整體穩(wěn)定自平衡態(tài)。為防止某個桿件張拉過程中出現(xiàn)破壞，整個網(wǎng)殼出現(xiàn)失穩(wěn)，須對結(jié)構(gòu)、構(gòu)件進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測和變形監(jiān)測并最終達(dá)到設(shè)計和規(guī)范要求。

5.2監(jiān)測設(shè)備及方法

監(jiān)測采用全站儀、振弦應(yīng)變計、磁通量傳感器、通用位移計對網(wǎng)殼、加強(qiáng)桁架、拉桿、撐桿、外圍桁架、環(huán)索進(jìn)行了全方位的監(jiān)測并且磁通量傳感器將對索內(nèi)力進(jìn)行長期健康監(jiān)測。

5.3監(jiān)測點(diǎn)位布置

根據(jù)有限元軟件計算中的構(gòu)件內(nèi)力和整體失穩(wěn)的破壞形態(tài)，選取構(gòu)件內(nèi)力較大的點(diǎn)位作為關(guān)鍵桿件，布置監(jiān)測設(shè)備振弦應(yīng)變計；在支座北側(cè)場館入口處附近布置通用位移計，監(jiān)測水平位移；在高釩索上布置磁通量傳感器監(jiān)測內(nèi)力。全站儀布置在屋蓋中央偏北側(cè)頂部平臺上并高于每個節(jié)點(diǎn)球，監(jiān)測豎向位移。應(yīng)力監(jiān)測布置了38個監(jiān)測點(diǎn)位，位移監(jiān)測布置了25個監(jiān)測點(diǎn)位。通過無線傳輸方式以1次/min的頻率傳送到現(xiàn)場主服務(wù)器上，專職檢測員負(fù)責(zé)比對仿真數(shù)據(jù)，以便指導(dǎo)施工，見圖4和圖5。

圖4　變形監(jiān)測點(diǎn)布置

圖5　應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)布置

5.4監(jiān)測結(jié)果

通過監(jiān)測數(shù)據(jù)與仿真所得理論值對比，施工位移監(jiān)測值均小于設(shè)計允許10%的偏差，平均偏差為7.68%；施工應(yīng)力監(jiān)測值均小于設(shè)計允許5%偏差值，平均偏差值2.93%。最大起拱值為59 mm，與設(shè)計值67 mm僅有8 mm的誤差，滿足設(shè)計要求。

6　結(jié)論

1）橢圓形大跨度弦支穹頂結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)受力合理、新穎，但是沒有現(xiàn)成的施工經(jīng)驗(yàn)借鑒，所以施工難度比較大。

2）該工程選用徑向張拉來施加預(yù)應(yīng)力，技術(shù)上合理，施工上方便，施工變形容易控制，索力值較均勻，是較合理的方案。

3）分三級分步對稱張拉，中間還分很多小步，加上由內(nèi)到外到內(nèi)到外的張拉順序，很好地控制了上部網(wǎng)殼從初始態(tài)到穩(wěn)定態(tài)的形變過程，達(dá)到了僅與設(shè)計相差8 mm的施工值，驗(yàn)證了施工工藝的合理性。

4）由于本工程的特殊性，施工前做了充分的準(zhǔn)備，對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了張拉仿真計算，同時布置了很多應(yīng)力和位移監(jiān)測點(diǎn)位，從而保證了施工過程的順利進(jìn)行。

5）從監(jiān)測結(jié)果與有限元軟件計算對比，監(jiān)測值很好地驗(yàn)證了計算值，為同類工程的施工提供了借鑒。

［1］馬健，邢長利，榮維國，等.茌平文體中心體育館預(yù)應(yīng)力施工技術(shù)［C］.全國鋼結(jié)構(gòu)工程技術(shù)交流會［A］.2012.

［2］郭正興，羅斌.大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力施工技術(shù)研究與應(yīng)用——大跨空間鋼結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力施工成套技術(shù)［J］.施工技術(shù)，2011，40（13）：96-102.

［3］張愛林，黃冬明，張傳成，等.弦支穹頂施工全過程分析［J］.工業(yè)建筑，2007，37（4）：56-59.

［4］GB50755—2012，鋼結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范［S］.

［5］GB20205—2001，鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范［S］.

□鄧應(yīng)平、張永坡、尚靜媛、王振普/天津三建建筑工程有限公司。

TU757.1

C

1008-3197（2016）04-10-03

2016-03-28

張俊鐸/男，高級工程師，天津三建建筑工程有限公司，從事工程技術(shù)管理工作。

□DOI編碼：10.3969/j.issn.1008-3197.2016.04.004