三亞體育場不規(guī)則支承輪輻式索桁架組合結(jié)構(gòu)施工技術(shù)

孫玉厚，高文光，張 兵，張?zhí)m芳

(北京城建六建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 100081)

1 工程概況

三亞體育場為大型甲級(jí)體育建筑，建成后將作為第六屆亞洲沙灘運(yùn)動(dòng)會(huì)閉幕式場地，占地面積約47.5畝(1畝≈666.7m2)，建筑面積85 757.58m2，座席數(shù)45 000座，總建筑高度46.5m(見圖1,2)。體育場看臺(tái)為混凝土框架結(jié)構(gòu)，上部結(jié)構(gòu)及罩棚為鋼結(jié)構(gòu)+索桁架組合結(jié)構(gòu)+屋面膜結(jié)構(gòu)。

圖1 體育場效果

圖2 體育場結(jié)構(gòu)平面布置(單位：m)

索桁架組合結(jié)構(gòu)的拉環(huán)和壓環(huán)軸線平面投影均為4段圓弧組成的四心圓，將大圓弧等分14份，小圓弧等分12份，連接內(nèi)、外相應(yīng)節(jié)點(diǎn)，得到索桁架軸線的平面投影(見圖3)。

圖3 索桁架軸線的平面投影(單位：m)

體育場索桁架結(jié)構(gòu)支承于外圍鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)的壓環(huán)梁上，外圍鋼結(jié)構(gòu)支承于下部混凝土結(jié)構(gòu)上。索桁架組合結(jié)構(gòu)體系由2道拉環(huán)、1道壓環(huán)構(gòu)成，壓環(huán)位于標(biāo)高38.000m的平面內(nèi)，上拉環(huán)位于標(biāo)高46.000m的平面內(nèi)，沿環(huán)向布置52榀索桁架，每榀桁架沿徑向用撐桿劃分6個(gè)網(wǎng)格，尺寸由內(nèi)向外依次為4，9，9，9，9，5m，上下拉環(huán)豎向高差約17m。體育場上部結(jié)構(gòu)如圖4所示。索桁架結(jié)構(gòu)組成如圖5所示。

圖4 體育場上部結(jié)構(gòu)

圖5 索桁架結(jié)構(gòu)組成(單位：m)

上拉環(huán)由8φ80高釩密閉索組成，上徑向索為φ75，φ85規(guī)格的高釩密閉索，下拉環(huán)由8φ110高釩密閉索組成，下徑向索為φ105，φ120規(guī)格的高釩密閉索。高釩密閉索極限抗拉強(qiáng)度為1 570MPa，彈性模量為(1.60±0.05)×105MPa。桅桿(又名撐桿)是輪輻式索桁架組合結(jié)構(gòu)體系中唯一的剛性桿件，由Q355B鋼材制成，壁厚6～16mm。交叉索為碳纖維平行板材索，由12層2mm(厚)×50mm(寬)碳纖維板組成。碳纖維索抗拉強(qiáng)度≥2 400MPa，彈性模量為(1.60±0.05)×105MPa。環(huán)向索索夾、徑向索索夾均采用G10MnMoV6-3+QT2材質(zhì)，依據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)BS EN 10293∶2005 steel castings for general engineering uses(《一般工程用鋼鑄件》)制作。

以上構(gòu)造及新型材料的應(yīng)用，構(gòu)成不規(guī)則支承輪輻式索桁架組合結(jié)構(gòu)，體現(xiàn)造型新穎、輕盈美觀的設(shè)計(jì)理念，有利于屋面結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)內(nèi)力重新分配、自行平衡的結(jié)構(gòu)性能，適合三亞熱帶季風(fēng)區(qū)域特點(diǎn)，有利于保證工程結(jié)構(gòu)安全。

2 工程重難點(diǎn)

1)新材料應(yīng)用種類多 本工程首次將大直徑國產(chǎn)高釩密閉索應(yīng)用在體育場館建設(shè)中，最大直徑達(dá)120mm。國內(nèi)首次將索夾按照歐洲鑄鋼規(guī)范BS EN 10293∶2005選用G10MnMoV6-3+QT2材質(zhì)，該材質(zhì)鑄造的索夾體積大、質(zhì)量小，有利于整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。內(nèi)環(huán)交叉索采用板式碳纖維索及耳板式波形錨具，力學(xué)性能好、質(zhì)量小。

2)工程體量大，組拼安裝技術(shù)難度大 索桁架組合結(jié)構(gòu)為柔性體系，結(jié)構(gòu)組拼、安裝順序?qū)φw結(jié)構(gòu)形態(tài)和受力影響大，需選擇合理的組拼施工方案、施工順序，確保張拉前結(jié)構(gòu)組拼位形準(zhǔn)確，使各構(gòu)件受力符合設(shè)計(jì)要求，確保結(jié)構(gòu)體系安全，為提升張拉做準(zhǔn)備。

3)工程形態(tài)復(fù)雜，張拉施工技術(shù)難度大 本工程設(shè)計(jì)為凸索桁架形式，需要通過力去找形，要實(shí)現(xiàn)力到即形到、力與形的完美結(jié)合，張拉方法的選擇、張拉順序的確定，是決定工程順利完成的關(guān)鍵。張拉過程每步拉力與位形需與施工仿真模擬一致，確保桁架在張拉過程中各指標(biāo)處于受控狀態(tài)，與設(shè)計(jì)要求一致。

4)索桁架為柔性體系，精度控制難度大 該工程索桁架組合結(jié)構(gòu)為柔性體系，是力與形統(tǒng)一的預(yù)應(yīng)力自平衡結(jié)構(gòu)，具有較強(qiáng)的敏感性，任何部位的受力、位置、尺寸改變都將影響最終形態(tài)。因此，結(jié)構(gòu)從零狀態(tài)、初始態(tài)、荷載態(tài)都要滿足設(shè)計(jì)的受力及位形要求，施工過程中各環(huán)節(jié)精度控制難度大。

5)工程構(gòu)件種類多，施工仿真計(jì)算分析復(fù)雜 本工程構(gòu)件種類多，整體模型建立難度大。模型建成后除仿真模擬索桁架組合結(jié)構(gòu)提升、張拉過程，還要模擬外圍鋼結(jié)構(gòu)在索拉力作用下產(chǎn)生的應(yīng)力及應(yīng)變，結(jié)合索桁架、外圍鋼結(jié)構(gòu)整體受力情況進(jìn)一步計(jì)算分析索桁架。因此，各構(gòu)件受力及位形變化是仿真模擬、計(jì)算分析的重點(diǎn)。

3 索桁架組合結(jié)構(gòu)施工方案

3.1 單層索系拼裝與連接技術(shù)

3.1.1平臺(tái)布置

1)環(huán)向索平臺(tái) 本工程共52榀索桁架，針對(duì)索結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，沿場內(nèi)環(huán)向設(shè)置52個(gè)索夾平臺(tái)、52個(gè)索夾平臺(tái)間補(bǔ)檔區(qū)平臺(tái)和2個(gè)環(huán)向索接頭平臺(tái)。索夾平臺(tái)采用成品塔式起重機(jī)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)進(jìn)行搭設(shè)，索夾平臺(tái)間補(bǔ)檔區(qū)平臺(tái)和環(huán)向索接頭平臺(tái)均采用腳手架進(jìn)行搭設(shè)。每個(gè)索夾平臺(tái)采用4個(gè)1 800mm×1 800mm×1 400mm和2個(gè)1 500mm×1 500mm×1 100mm塔式起重機(jī)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)搭設(shè)完成。索夾平臺(tái)如圖6所示。補(bǔ)檔區(qū)平臺(tái)和環(huán)向索接頭平臺(tái)均采用腳手架進(jìn)行搭設(shè)。補(bǔ)檔區(qū)平臺(tái)搭設(shè)規(guī)格為1 200mm×1 200mm×1 500mm，主要用于支托索體，避免索體與地面接觸。環(huán)向索接頭平臺(tái)規(guī)格為2 700mm×1 800mm×1 500mm，主要用于環(huán)向索對(duì)接時(shí)支承環(huán)向索接頭。補(bǔ)檔區(qū)平臺(tái)和環(huán)向索接頭平臺(tái)如圖7,8所示。

圖6 索夾平臺(tái)示意

圖7 補(bǔ)檔區(qū)平臺(tái)示意

圖8 環(huán)向索對(duì)接平臺(tái)示意

2)徑向索胎架 徑向索鋪設(shè)時(shí)為避免看臺(tái)、女兒墻等部位損傷索體，沿徑向索投影位置在體育場看臺(tái)、女兒墻位置設(shè)置1 000mm寬的徑向索胎架。其中體育場東西區(qū)看臺(tái)存在高低層，采用鋼管腳手架搭設(shè)1 000mm寬徑向索胎架支承索體；南北區(qū)看臺(tái)連續(xù)，采用800mm長木方防護(hù)看臺(tái)陽角。東西區(qū)看臺(tái)腳手架豎向布置如圖9所示。南北區(qū)看臺(tái)索體布置如圖10所示。

圖9 東西區(qū)看臺(tái)腳手架豎向布置

圖10 南北區(qū)看臺(tái)索體布置

3.1.2索體鋪設(shè)

1)環(huán)向索鋪設(shè)

本工程單根環(huán)向索由2根長240多m的索體組成，通過索盤放索裝置，用履帶式起重機(jī)行走鋪設(shè)索體。在索體展開及調(diào)整過程中應(yīng)避免索體磕碰、劃傷，因索體盤繞時(shí)產(chǎn)生的彈性變形和牽引索盤產(chǎn)生偏心力，索體開盤時(shí)極易導(dǎo)致散盤，危及人員安全，因此開盤時(shí)應(yīng)注意防止崩盤。索體展開后按照索體表面上的標(biāo)線理順環(huán)向索，防止索體扭轉(zhuǎn)。

2)徑向索鋪設(shè)

徑向索長45m，采用135t履帶式起重機(jī)在空中緩慢展開索體，釋放索體盤繞時(shí)產(chǎn)生的彈力，順直索體并確保索體表面的順直標(biāo)線位于索體頂部。索體展開后鋪設(shè)于徑向索胎架上，并在上部索頭處安裝工裝設(shè)備，防止索體滑落。

3.1.3索體連接

1)環(huán)向索索夾安裝

本工程上、下環(huán)向索均由8根環(huán)向索組成，通過52個(gè)環(huán)向索索夾將8根索體連接成整體。8根索體分布于索夾上、下端面，并有序排列。將下端面索體鋪設(shè)完成后吊裝環(huán)向索夾，再鋪設(shè)上端面索體，索體鋪設(shè)完成后，根據(jù)索體出廠時(shí)表面標(biāo)記的索夾位置線，使索體標(biāo)線與索夾側(cè)端面重合。索體安裝到位后用上、下蓋板固定索體，并初擰螺栓。按斜對(duì)角交叉順序進(jìn)行初擰，初擰扭矩為終擰扭矩的50%。螺栓初擰完成后，再用終擰扭矩?cái)Q緊螺栓，同初擰順序。

2)徑向索索夾安裝

上、下徑向索體均布設(shè)5個(gè)徑向索夾。按照索體表面標(biāo)識(shí)的索夾位置線安裝徑向索夾，確保索體表面的順直標(biāo)識(shí)朝上，并與索夾中心標(biāo)記對(duì)齊。徑向索夾由上、下夾板組成，上、下夾板夾住徑向索后，初擰固定螺栓，螺栓施擰方法同環(huán)向索夾(見圖11)。

圖11 徑向索夾連接

大六角頭高強(qiáng)度螺栓施工扭矩如下：

Tc=K·Pc·d

(1)

式中：Tc為施工扭矩(N·m)；K為高強(qiáng)度螺栓連接副的扭矩系數(shù)平均值，該值由復(fù)驗(yàn)測得的合格平均扭矩系數(shù)代入；Pc為高強(qiáng)度螺栓施工預(yù)拉力(kN)；d為高強(qiáng)度螺栓直徑(mm)。

高強(qiáng)度螺栓施工扭矩如表1所示，為補(bǔ)償應(yīng)力松弛，施工扭矩較理論扭矩增加10%。

表1 高強(qiáng)度螺栓施工扭矩

3)徑向索與環(huán)向索索夾連接

環(huán)向索與徑向索全部安裝完成后，將徑向索內(nèi)側(cè)索頭使用銷軸連接環(huán)向索索夾耳板，并保證銷軸蓋板固定牢固，防止銷軸脫出，如圖12所示。

圖12 徑向索與環(huán)向索索夾連接

3.2 索桁架提升張拉與空中組裝同步實(shí)施技術(shù)

環(huán)向索、徑向索完成連接后，提升張拉索桁架并在空中同步組裝，通過施工仿真模擬及分析，按照如下步驟施工：①上徑向索和上環(huán)向索結(jié)構(gòu)在地面組裝，使用提升器安裝。此時(shí)提升上徑向索，隨著上徑向索體逐步離開看臺(tái)或胎架，將豎向撐桿與上徑向索夾進(jìn)行銷軸連接。②上徑向索和上環(huán)向索提升至一定高度后，組裝部分撐桿、下徑向索和下環(huán)向索。上徑向索提升至距地16m時(shí)，靠近環(huán)向索方向的第1道豎向撐桿與下環(huán)向索進(jìn)行組裝。隨著上、下徑向索的提升，逐步組裝第2，3，4道豎向撐桿與下徑向索。③整體牽引提升索結(jié)構(gòu)，將上徑向索與內(nèi)壓環(huán)梁錨接。在第2步基礎(chǔ)上繼續(xù)牽引上、下徑向索，協(xié)同提升整個(gè)索網(wǎng)體系，直至錨接上徑向索與內(nèi)壓環(huán)梁。④繼續(xù)牽引下徑向索，在下徑向索工裝索還剩5m時(shí)，組裝第5道豎向撐桿。⑤繼續(xù)牽引下徑向索，在下徑向索工裝索還剩1m時(shí)，組裝最外圈撐桿(第6道豎向撐桿)。⑥繼續(xù)牽引下徑向索，錨接下徑向索與內(nèi)壓環(huán)梁。⑦安裝內(nèi)環(huán)交叉索，整體結(jié)構(gòu)成型(見圖13)。

圖13 施工步驟

3.3 主動(dòng)張拉與被動(dòng)張拉技術(shù)

索桁架組合結(jié)構(gòu)張拉完成后是預(yù)應(yīng)力自平衡態(tài)，各節(jié)點(diǎn)受力平衡。索桁架是力與形相統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)體系，位形變化及索力變化是對(duì)應(yīng)統(tǒng)一的。在整個(gè)結(jié)構(gòu)體系中，每個(gè)構(gòu)件尺寸及應(yīng)力的變化都會(huì)影響桁架形態(tài)的調(diào)整。

因索桁架組合結(jié)構(gòu)構(gòu)件種類多，若通過張拉各構(gòu)件完成索桁架施工，則加大施工難度。結(jié)合索桁架結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力自平衡態(tài)特點(diǎn)，如果將上、下徑向索定長且先連接上徑向索與鋼構(gòu)壓環(huán)梁，只主動(dòng)張拉下徑向索，其他索桁架結(jié)構(gòu)構(gòu)件必然承受被動(dòng)張拉力，并產(chǎn)生相應(yīng)位形變化。對(duì)下徑向索逐步增加張拉力，下徑向索逐步張緊，上徑向索索力隨之變大，當(dāng)下徑向索與鋼構(gòu)壓環(huán)梁連接時(shí)，上徑向索及索力達(dá)到設(shè)計(jì)初始狀態(tài)，整個(gè)索桁架結(jié)構(gòu)力與形到位。

通過施工仿真模擬分析，各工況上、下徑向索索力及壓環(huán)梁應(yīng)力均在合理范圍(見表2)，說明結(jié)合主動(dòng)張拉與被動(dòng)張拉技術(shù)的方式可行。通過簡單的施工方法有效控制復(fù)雜構(gòu)造組合，有利于現(xiàn)場施工，保證結(jié)構(gòu)力與形滿足設(shè)計(jì)要求。

表2 施工仿真模擬各工況結(jié)構(gòu)響應(yīng)

3.4 索桁架分級(jí)提升張拉技術(shù)

本工程52榀索桁架結(jié)構(gòu)由兩兩相互對(duì)稱的4部分圓弧組成，每部分圓弧徑向索應(yīng)力及直徑不完全相同。為保證索體受力穩(wěn)定、索桁架形態(tài)變化均勻，采用分區(qū)、分級(jí)、對(duì)稱的方式提升張拉索桁架結(jié)構(gòu)。

工程整體分為東南西北4個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域選擇結(jié)構(gòu)對(duì)稱的索體組成1批，按照循環(huán)往復(fù)的方式逐級(jí)提升張拉。根據(jù)施工仿真模擬分析可以看出，前期張拉過程主要以結(jié)構(gòu)自重為主，后期張拉以施加預(yù)應(yīng)力為主。為保證索桁架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、安全，前期、后期張拉過程分別采用400，200mm行程進(jìn)行控制。

1)分區(qū)分批

本工程徑向索分為上徑向索和下徑向索，上、下各52根，共104根。上、下徑向索最大直徑分別為85，120mm，具體位置如圖14所示。

圖14 徑向索平面布置

索結(jié)構(gòu)整體牽引提升共設(shè)置54組泵站。其中控制上徑向索提升的泵站共26組，每組泵站控制2根上徑向索、4個(gè)千斤頂。控制下徑向索提升的泵站共28組，其中⑤軸、軸、軸、軸泵站控制1根下徑向索、2個(gè)千斤頂，剩余24組泵站每組控制2根下徑向索、4個(gè)千斤頂。徑向索泵站平面布置如圖15所示。

圖15 徑向索泵站平面布置

根據(jù)現(xiàn)場情況采用分區(qū)同步提升方法。首先對(duì)上、下徑向索及泵站編號(hào)，根據(jù)對(duì)稱分布原則將上、下徑向索分4個(gè)批次進(jìn)行提升。每批次提升千斤頂2個(gè)行程，即400mm，后進(jìn)行下一批次提升，提升順序?yàn)?→2→3→4，4→3→2→1，循環(huán)反復(fù)。當(dāng)工裝索剩余2m時(shí)更改為單個(gè)行程，即200mm，然后進(jìn)行下一批次提升，提升順序與之前相同。當(dāng)徑向索統(tǒng)一提升至距離徑向耳板中心100mm時(shí)，進(jìn)行分批錨固。上、下徑向索分批軸線分別如表3，4所示。

表3 上徑向索分批軸線

表4 下徑向索分批軸線

2)分級(jí)同步張拉

本工程選用液壓提升技術(shù)張拉索桁架，采用液壓提升器作為提升機(jī)具，柔性鋼絞線作為張拉索具。液壓提升器為穿心式結(jié)構(gòu)，具有安全、可靠、承重件自重輕、運(yùn)輸安裝方便、中間不必鑲接等優(yōu)點(diǎn)。

根據(jù)仿真模擬確定最大牽引力，選擇液壓千斤頂型號(hào)。每個(gè)牽引點(diǎn)配備2臺(tái)YCW系列輕型千斤頂，通過計(jì)算分析，錨接上徑向索最大牽引力為1 640kN，錨接下徑向索最大張拉力為3 270kN。采用2臺(tái)YCW150B千斤頂并聯(lián)張拉上徑向索，采用2臺(tái)YCW250B千斤頂并聯(lián)張拉錨接下徑向索，工裝索采用1 860級(jí)φ15.20鋼絞線。單根鋼絞線截面積為140mm2，單根鋼絞線標(biāo)稱破斷力為260kN。工裝鋼絞線承載力安全系數(shù)≥2，滿足要求。千斤頂參數(shù)如表5所示。

表5 千斤頂主要技術(shù)參數(shù)

提升張拉裝置如圖16所示。上、下徑向索錨接剖面如圖17所示。

圖16 提升張拉裝置

圖17 上、下徑向索錨接剖面

分級(jí)同步張拉步驟如下：①提升預(yù)緊 工裝索與徑向索索頭反力工裝、徑向索索頭與環(huán)向索索夾連接后，即進(jìn)行預(yù)緊工作。預(yù)緊所有工裝索形成直線狀態(tài)，徑向索索頭脫離看臺(tái)板，檢查提升設(shè)備性能。

4 監(jiān)測技術(shù)

該工程索桁架結(jié)構(gòu)跨度大、構(gòu)件多且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在不同施工階段需要監(jiān)測構(gòu)件位移、應(yīng)變、交變應(yīng)力及節(jié)點(diǎn)局部應(yīng)變等，實(shí)時(shí)比較施工模擬結(jié)果、設(shè)計(jì)狀態(tài)，驗(yàn)證施工模擬和設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性，確保結(jié)構(gòu)安全和質(zhì)量可靠。

4.1 施工監(jiān)測內(nèi)容

主要監(jiān)測索桁架組合結(jié)構(gòu)的內(nèi)環(huán)梁及平面環(huán)桁架應(yīng)力應(yīng)變，環(huán)向索、徑向索及交叉索的索力，環(huán)向索、徑向索的變形情況。

4.2 監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)

內(nèi)環(huán)梁及平面環(huán)桁架應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測采用振弦式表面應(yīng)力應(yīng)變傳感器，布置點(diǎn)如圖18所示。其中，★代表內(nèi)環(huán)梁的8個(gè)測點(diǎn)，每個(gè)測點(diǎn)布置4個(gè)應(yīng)變計(jì)。▲代表外環(huán)梁的7個(gè)測點(diǎn)，每個(gè)測點(diǎn)布置4個(gè)應(yīng)變計(jì)?！翊斫徊媪旱?個(gè)測點(diǎn)，每個(gè)測點(diǎn)布置2個(gè)應(yīng)變計(jì)(見圖18)。

圖18 應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測點(diǎn)布置

通過連續(xù)監(jiān)測索桁架結(jié)構(gòu)，整理數(shù)據(jù)后繪制索力變化趨勢，結(jié)論如下：①上層索網(wǎng)牽引提升及部分撐桿安裝階段，索力監(jiān)測數(shù)據(jù)為810.97～1 511.99kN，符合索結(jié)構(gòu)施工過程中的結(jié)構(gòu)響應(yīng)；②下徑向索牽引過后的錨接階段，下徑向索與下環(huán)向索內(nèi)索力大幅度增加，符合索結(jié)構(gòu)施工過程中的結(jié)構(gòu)響應(yīng)；③下徑向索錨接完成后，上、下徑向索與環(huán)向索索力監(jiān)測數(shù)據(jù)變化趨勢平緩，符合索結(jié)構(gòu)施工過程中的結(jié)構(gòu)響應(yīng)；④從整體索力變化趨勢看，結(jié)構(gòu)整體處于穩(wěn)定狀態(tài)；⑤從上環(huán)向索夾位形監(jiān)測數(shù)據(jù)看，整體結(jié)構(gòu)位形偏差均較小，極值為47mm，符合設(shè)計(jì)要求。部分索力監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖19所示。

圖19 部分索力監(jiān)測數(shù)據(jù)

5 結(jié)語

三亞體育場屋頂罩棚不規(guī)則支承輪輻式索桁架組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式新穎，施工難度較大，為解決施工中遇到的難題，結(jié)合施工仿真模擬、理論數(shù)據(jù)分析、過程監(jiān)測等，應(yīng)用索桁架結(jié)構(gòu)空中組裝與提升張拉同步技術(shù)，順利完成索桁架組合結(jié)構(gòu)的施工，質(zhì)量安全可靠，位形、索力符合設(shè)計(jì)要求，施工速度較快，取得一定效益。