37郭正兴-武汉体育馆弦支穹顶屋盖预应力拉索施工.doc

中国预应力技术五十年暨第九届后张预应力学术交流会论文 2006年 武汉体育馆弦支穹顶屋盖预应力拉索施工 郭正兴 石开荣 罗斌 张建 （东南大学土木工程学院， 江苏 南京 210096） （南京东大现代预应力工程有限责任公司， 江苏 南京 210018） 摘 要 武汉体育馆钢屋盖为一大跨弦支穹顶结构体系，结合该结构特点，详细介绍了预应力拉索安装及张拉的施工工艺，为类似新型空间结构的研究与应用提供了有益的参考。 关键词 弦支穹顶，拉索，撑杆，施工，预应力 1 工程概况与结构特点 武汉体育中心二期工程体育馆为2007年第六届全国城市运动会主要赛场之一，其下部主体为钢筋混凝土结构，上部屋盖采用钢结构，位于武汉经济技术开发区。建成后将容纳1.2万至1.3万名观众观看比赛，为湖北地区规模最大的现代体育馆，不仅能满足高水平体育竞赛和大型文化活动的需要，同时还能满足市民日常健身娱乐和文化体育生活的需要。 该工程上部钢屋盖采用了一新型弦支穹顶（亦称索承网壳）结构（图1），是传统空间网壳与索穹顶的混合体，即屋盖上部采用扁平双层网壳结构，其外形为椭圆抛物面，水平投影为一椭圆，长轴方向总长165m，短轴方向总长145m，投影面积约18800m2。网壳上弦曲面由下弦曲面向上平移3m形成，网格由三向交叉桁架单元组成，采用焊接球节点连接。屋盖下部采用整体张拉索杆体系，共设三环拉索，每环均设双根环向索，环向索、径向索和网壳之间通过撑杆（Ф2997.5）相连。三者之间为一有机整体，对拉索施加预应力后，将大大减小屋盖结构对支座的水平推力，网壳的竖向变形及杆件内力也得到降低，从而改善了结构的整体受力性能。 （a）整体效果图 （b）钢屋盖平面图 （c）钢屋盖立面图 （d）索杆布置图 图1 武汉体育中心二期工程体育馆 郭正兴，男。1956.8出生，教授，博导 2 预应力拉索材料及规格 该工程采用1670级Ф5.3镀锌钢丝双护层扭绞型拉索，内层PE为黑色耐老化高密度聚乙烯（HDPE），外层为白色PE。 其中，径向索索头为热铸锚，环向索索头为冷铸锚，环向索采用双索体系，由连接钢棒相连。 3 预应力拉索施工 3.1 该工程拉索施工特点 拉索施工主要包括拉索的安装和张拉两大部分。该工程拉索体量大、分布面广、单根长度较长（最长达166m），且由径向索、环向索及撑杆组成整体张拉索杆结构体系。首先，拉索施工需穿插于普通网壳结构的施工中，与普通钢结构的施工顺序、方法和工艺密切相关。其次，弦支穹顶屋盖预应力的建立方法不同于普通预应力钢结构。由于整体张拉索杆结构体系，径向索、环向索及撑杆为一有机整体，索力与撑杆内力相互影响、互为依托。不同的张拉方法、张拉顺序对结构内力分布及变形有较大的影响。为在结构中建立有效的预应力，并尽量缩短或少占用工期，应确定合理的张拉力、张拉方法和张拉顺序。 3.2 钢屋盖施工总体流程 结合本结构特点及施工现场实际条件，屋盖总体安装顺序如下 钢网壳分区块安装（中部区域采用顶升和悬拼安装），拉索和撑杆的安装穿插其中→网壳合拢→拆除屋盖外围钢管支架→拉索张拉→拆除屋盖中心区域顶升支架。其中，中部区域顶升经优化后采取8点顶升。 图2 钢屋盖总体安装流程图 3.3 拉索及撑杆安装 1.安装基本原则 （1）根据网壳安装过程，拉索和撑杆依次从内环向外环安装； （2）同一环内，先安装撑杆，再安装环向索，最后安装径向索。 2.安装顺序 工厂里拉索及撑杆编号，拉索初始长度确定，及环向索索夹定位→拉索索盘运输就位→开盘放索→安装撑杆（预先缩短）和索夹→挂环向索和径向索→调节环向索和径向索的初始长度，并预紧。 3.安装控制要点 （1）撑杆下料时严格控制精度，安装前按实际位置对每根撑杆编号，撑杆上端耳板下料时同样严格控制精度并编上号，焊接时严格控制方向定位及焊接质量。这样既方便安装，也便于保证精度。 （2）在工厂里对拉索进行严格精确编号和标记。根据这些标记，在现场进行拉索及索夹的安装和索长的调节。这样既便于实际安装，更重要的是为了撑杆下节点索夹的精确定位和拉索初始态索长的确定。 （3）拉索安装前，需对径向索调节螺杆、环向索连接棒、撑杆螺杆螺母等涂适量黄油润滑，以便于拧动。 （4）应严格根据两耳板之间的实际距离控制现场拉索安装，拉索的初始长度严格按计算要求和现场实测节点板销孔间距确定。 3.4 拉索张拉 1.拉索张拉总体原则 （1）模拟张拉过程，进行施工全过程力学分析，预控在先。 （2）等网壳主体钢结构和拉索全部安装完成后进行张拉。 （3）张拉顺序由外到内、每环同步、分区控制、分级加载。即张拉由外环到内环进行，各环同步分级张拉。 （4）拉索张拉控制采用双控原则控制力和结构变形，其中以控制力为主。 2.拉索预应力建立方法选取 对于弦支穹顶结构拉索预应力的建立通常有3种基本方法，即 （1）环向索张拉法 环向索张拉法对环向索施加作用力使其环向伸长。因环向索索力（近3000kN）相对径向索索力和撑杆轴力大许多，因此，张拉装置的吨位会很大，操作难度较高，临时操作架承受荷载较大，张拉过程中索力难以控制和调整。 （2）径向索张拉法 径向索张拉法指调整好环向索初始索长和撑杆长度后，直接对径向索张拉建立预应力。因该工程径向索索力适中，拉索伸长量也较小，因此对张拉装置要求不高。但是，径向索数量达40根，若每环同步张拉，需多套张拉设备；若受张拉设备数量限制，采取拉索对称循环张拉与调整，则工作量很大，工期难以确保，且最终索力不易控制。 （3）撑杆调节法 撑杆调节法通过调节撑杆长度来建立预应力的一种间接施加预应力的方法。结合该工程的特点，撑杆轴力远小于环向索、径向索索力，因此张拉装置吨位要求较低，且每环撑杆数量有限（不多于20根），同一环中相邻撑杆间的轴力差别也不大，易于分区控制，方便各环整体施加预应力，利于结构受力成形，且缩短工期。但该方法要求拉索预先精确定出初始索长，即通过计算机进行虚拟张拉分析、并根据现场钢结构安装误差，确定拉索初始无应力长度，做到预控在先，技术难度较高。 综上对比，该工程弦支穹顶拉索预应力建立采取撑杆调节法，即事先调整好径向索和环向索的初始索长，然后采用调节撑杆（Φ2997.5）长度来建立预应力。撑杆顶撑示意如图3、4所示 图3 撑杆顶撑示意图（虚线为初始安装位置） 图4 撑杆顶撑工装示意图 3.拉索张拉顺序及程序 基本张拉顺序为由外到内（外环→中环→内环）。同一环撑杆同步顶撑，且一次到位（预紧→100顶撑力）。为保证撑杆顶撑的同步性和拉索索力的均匀性，各环同步顶撑时进行分级控制，即预紧→30→70→90→100顶撑力。基本张拉顺序如图5所示 （a）拉索安装完并预紧 （b）外环撑杆顶撑 （c）中环撑杆顶撑 （d）内环撑杆顶撑 图5 基本张拉顺序示意图（虚线表示未张拉的拉索） 4.拉索张拉控制分区及张拉设备 拉索实际张拉施工采取分区控制顶撑撑杆的方法，这样更利于整体协调，方便施工控制，提高工作效率。分区的原则考虑以下几方面 （1）在分区范围内，撑杆顶撑力的大小基本接近。 （2）撑杆点的位置。同一区的各撑杆点位置宜尽量相邻接近，以方便油泵油管的布置。 根据以上原则，对各环拉索进行分区同步控制张拉，每台油泵同时控制2～3台千斤顶。具体分区如下（图6） （a）外环分8个区 （b）中环分8个区 （c）内环分6个区 图6 拉索张拉分区控制图 张拉设备主要采用100T和60T千斤顶共20台，并装配成张拉工装（图4）。千斤顶2～3台并联，在正式使用前必须在试验机上进行配套标定。油泵的油压表选用精密压力表，千斤顶与油压表配套校验。 此外，所采用的张拉设备还具备了以下特点，能够方便、准确地对撑杆轴力进行实时调整 （1）千斤顶同批制造，千斤顶间相对误差不大。 （2）在油泵同时对几台千斤顶同时供油时，采用了具有单台调控压力的分油控制器，可实现对单台千斤顶张拉力的精细调控。 5.拉索张拉施工要点及注意事项 为保证拉索张拉施工顺利实施，确保拉索施工质量，采取以下几点措施 （1）为避免预应力施工对下部混凝土结构的影响,屋盖结构在拉索张拉前，外围边界支座保持为可滑移状态，待预应力施加完毕后再将外围边界弹性支座固定。 （2）张拉过程由外到内，同一环撑杆同步分级顶撑，千斤顶顶推撑杆过程中，油压缓慢、平稳，并且边顶撑边拧紧撑杆调节螺母。 （3）千斤顶与油压表需配套校验，并作主被动标定。严格按照标定记录，推算与撑杆施工顶撑力一致的油压表读数，并依此读数控制千斤顶实际顶推力大小。油压表采用0.4级精密压力表。 （4）撑杆顶撑过程中，按照各环油泵控制分区，撑杆每台千斤顶及油泵均由专人负责，并由一名技术人员统一指挥、协调管理。 （5）按分区整体顶撑过程中，严格通过油压表读数对撑杆顶撑力进行控制，并结合现场监测结果，对个别轴力误差较大的撑杆实施分油器直接调控单台千斤顶的顶撑力，以确保施工精度。整个施工过程中进行双控，即控制力和变形，其中以控制力为主。 6.拉索张拉施工控制与检测 拉索正式张拉施工前进行了详细的理论计算分析，由分析可知因屋盖钢网壳采取了中心区域整体顶升渐扩技术，并与周边采取高空散拼拼装区域合拢，最终安装完毕后，屋盖结构实际几何位形与理论设计状态并不一致，而且难以调整至设计状态。因此，拉索张拉前的屋盖初始态应依据考虑实际施工过程的分析结果，对拉索张拉进行施工控制。 （1）撑杆顶撑力控制首先撑杆顶撑力的控制，主要根据各环各分区精密油压表的读数进行主动控制，严格按照计算所得撑杆实际施工顶撑力大小进行控制。 （2）拉索索力控制拉索索力随撑杆顶撑伸长而建立，在撑杆顶撑过程中对拉索索力进行了测试。业主指定的第三方监测单位采用了电阻应变片对拉索索力进行测试，而我方为确保施工质量，对拉索张拉进行自检，采用了较精密的智能弦式数码应变计（带温度修正）进行了索力跟踪测试。 （3）网壳构件应力控制在拉索张拉施工过程中，严格控制网壳钢构件的应力比，不出现超应力构件。第三方监测单位采用电阻应变片对典型钢构件进行了应力测试。 （4）屋盖变形及支座位移控制屋盖结构的变形随着拉索张拉而产生变化。拉索的张拉，不仅可以优化结构杆件内力，而且可以调整结构变形，因此对结构变形的监控必不可少。我方选用了全站仪及配套的反光膜片，对结构关键点位移进行了跟踪监控。 4 其它 （1）由于屋盖钢结构施工采用了非常规的安装方法，施工成形过程对结构在正常使用状态下的性能势必产生影响。为保证结构在正常使用状态的可靠性，对其进行了考虑施工全过程的分析与验算。 （2）对铸钢索夹进行了深化设计（如图7所示部分典型索夹），设计时为了将径向索、环向索及撑杆受力汇交于一点，各环索均采用了双索形式（索环于同一标高），因此同一环的两根索长度有一定 图7 铸钢索夹节点 差异，实际索力也会略微不等。经验算，差别甚小。 （3）另外还对撑杆安装偏差缺陷等对结构受力及变形影响进行了分析验算。 5 结语 因拉索施工正式实施前编制了详细的施工方案，整个实施过程很顺利，并于2006年6月27日拉索全部张拉完成，拉索索力及结构变形测试结果与理论分析较为吻合。该工程中，环索双索夹撑杆调节法首次在大跨弦支穹顶结构体系中得到了成功应用，为类似新型空间结构的研究与应用提供了有益的参考。