椭圆形大跨度弦支穹顶预应力施工技术

□文/张俊铎 邓应平 张永坡 尚静媛 王振普

椭圆形大跨度弦支穹顶预应力施工技术

□文/张俊铎 邓应平 张永坡 尚静媛 王振普

中医药大学新建体院馆是2017年全运会场馆之一，平面投影呈椭圆形，采用弦支穹顶结构。文章介绍了该工程的预应力施工技术，通过施工前的仿真分析计算与施工过程中的监测对比，提出了一套椭圆形弦支穹顶预应力施工技术。

弦支；穹顶；椭圆形；预应力；大跨度

天津中医药大学新建体育馆工程坐落于天津中医药大学新校区内，是中国2017年十三届全运会场馆之一。整体造型意喻着“旋转”和“围绕”的“喜旋”造型，代表着喜悦和对生命的热情。

1　工程概况

体育馆建筑面积17 420 m2，建筑高度24.3 m，座席数5 300个。整体平面呈椭圆形120 m×100 m。屋盖采用弦支穹顶结构，长轴92.2 m，短轴73 m，矢高6.5 m。上部刚性单层网壳为空心加肋焊接球和圆管杆件焊接而成，焊接球规格WSR300 mm×10 mm～WSR750 mm×25 mm，杆件规格φ114 mm×4.5 mm～φ402 mm×16.0 mm。下部柔性索杆体系分四环五圈，环向拉索共4环，环间距约7.5 m，拉索为高钒索强度1 670、1 800 MPa；径向拉杆5圈，为GLG550拉杆，规格φ40 mm～φ80 mm；竖向撑杆为圆管，长3.5、4.0、4.5、5.0 m，规格φ180×8 mm，材质Q345B；拉索、拉杆、撑杆间为铸钢节点。北侧部分径向桁架下部为单排柱，故加做局部加强桁架，加强桁架杆件为φ114 mm×5 mm～φ402 mm×16 mm的圆管。外围桁架由径向桁架、环拉杆组成，径向桁架水平投影长度约为15～20 m，高度约为22～26.3 m，桁架构件为圆管，规格为φ325 mm× 12 mm～φ140 mm×4.5 mm不等，单榀桁架最大质量约4.5 t，材质Q345B，见图1-图3。

图1　网架安装效果

图2　主体结构长轴立面

图3　四环拉索五圈径向拉杆

2　结构难点和特点

1）屋盖呈椭球形。椭球形网壳下挂高钒索，高钒索平面形状呈椭圆形，索张拉过程摩擦力加大，预应力损失严重，造成各段索力均不相同，为施工带来困难。

2）索体直径较大。大直径高钒索最大直径86 mm，安装难度大，最大应力为1 801 kN，张拉较困难。

3）加强空间桁架作为弦支穹顶的部分支撑点。工程主体为两排混凝土柱，外圈柱32根、内圈柱26根，北侧场馆入口处为达到大跨度、大空间的功能要求，在抽空6根柱的区域采用加强桁架，截面形式呈三角形，跨度为55.6 m，高度为4.5 m。

4）弦支穹顶与外围桁架连接成整体。屋盖坐落在内圈26根柱和加强桁架上，连接外部径向平面异形桁架，柱顶通过弹簧支座连接，柱身通过埋件焊接，形成稳定体系。

3　预应力施工技术

3.1预应力施加方案确定

1）撑杆顶升。早期的弦支穹顶结构跨度小，撑杆数量少，预应力水平低，撑杆顶升使用较多。对于大跨度结构，由于撑杆数量多，设备要求多，施工后环索不在一个平面上且径向拉杆，环索和撑杆三轴线不能汇交于一点的原因，基本不被选用。

2）环向张拉。环向张拉是弦支穹顶结构发展的中期使用的方法，鉴于该方法使用设备较少且环索的线性容易控制、经济性好被施工单位所接受。但是环索与撑杆下节点摩擦力非常大，应力摩擦损失特别严重，使得预应力张拉施工完成后，环索预应力极为不均匀。如果能找到一种解决环索与撑杆下节点摩擦力的办法，将是最优的选择。

3）径向张拉。径向张拉虽然张拉设备数量相对较多，但是能有效避免由于环索与撑杆之间摩擦力引起的预应力损失，使得张拉施工结束后张拉整体预应力分布较为均匀。张拉设备张拉力较小，容易控制。容易实现整个椭圆形弦支穹顶的整体预应力施工。

通过分析本工程采用径向施加预应力的方法。

3.2施工流程

完成混凝土框架→搭设弦支穹顶支撑架体→安装外围径向桁架→安装单层网壳→安装预应力构件→预应力的施工和监测。

预应力施工顺序：第一级由外圈往内圈预紧到设计初张拉力的20%，第二级由内圈向外圈张拉到设计初张拉力的70%，再由外圈向内圈张拉设计初张拉力的100%，期间根据监测结果调整局部索力，保证索力的一致性。

3.3预应力张拉要点

3.3.1设备选用

经过仿真计算，径向钢拉杆最大张拉力约33.4 t左右，需要2台23 t千斤顶，每圈径向钢拉杆采用4个点对称张拉，这样最多需要24台千斤顶。张拉设备采用预应力钢结构专用千斤顶和配套油泵的油压表。根据设计和预应力工艺要求的实际张拉力对千斤顶及油压表进行标定。

3.3.2预应力张拉原则和方法

预应力张拉以“控制张拉力为主，结构变形为辅”的原则，分级分步对称张拉的方法。

3.3.3预应力张拉要点

1）根据环向索所作标记，进行调整，调整完成的状态为张拉前初始状态。

2）由于本工程张拉设备组件相对较多，在进行安装时必须小心谨慎，张拉设备形心对准钢拉杆，保证预应力钢拉杆在进行张拉过程中不产生偏心。油泵启动供油正常后加压，张拉时，要稳定给油速度，给油时间不应低于0.5 min。

3）在张拉过程中将每级的张拉力（20%、70%、100%）在张拉过程中再细分小步（每级分21小步），在每小步中尽量使千斤顶给油速度同步，在张拉完成每小步后，所有千斤顶停止给油，如此通过每小步停顿调整的方法来达到整体同步的效果。

4）每组张拉操作人员配备专人对讲机指挥，保持沟通顺畅，来达到张拉操作的同步性。

4　预应力施工仿真计算

4.1仿真的目的和意义

1）验证张拉方案的可行性，确保张拉过程的安全。

2）给出每张拉步钢索张拉力的大小，为实际张拉时的张拉力值确定提供理论依据。

3）给出每张拉一步结构的变形值及应力分布情况，为张拉过程中的变形及应力监测提供理论依据。

4）根据计算出来的张拉值，选择合理的张拉机具并设计适宜的张拉工装。

4.2计算结果

1）结构全部安装完成后，网壳结构竖向位移比较小，向下位移为5 mm；张拉完成后，网壳结构中间部分最大起拱值为67 mm，网壳结构四周局部向下最大位移值为9 mm。

2）施工安装过程中张拉力最大为334 kN，张拉完成环向索拉索最大索力为1 801 kN，张拉过程中，径向钢拉杆最大轴力为334 kN。

4）张拉过程中钢结构最大压应力为9 MPa，最大拉应力为67 MPa。

5　施工监测

5.1施工监测的目的

结构在张拉前不具备整体刚度，结构在张拉过程中，将经历复杂的受力状态，达到整体稳定自平衡态。为防止某个杆件张拉过程中出现破坏，整个网壳出现失稳，须对结构、构件进行应力监测和变形监测并最终达到设计和规范要求。

5.2监测设备及方法

监测采用全站仪、振弦应变计、磁通量传感器、通用位移计对网壳、加强桁架、拉杆、撑杆、外围桁架、环索进行了全方位的监测并且磁通量传感器将对索内力进行长期健康监测。

5.3监测点位布置

根据有限元软件计算中的构件内力和整体失稳的破坏形态，选取构件内力较大的点位作为关键杆件，布置监测设备振弦应变计；在支座北侧场馆入口处附近布置通用位移计，监测水平位移；在高钒索上布置磁通量传感器监测内力。全站仪布置在屋盖中央偏北侧顶部平台上并高于每个节点球，监测竖向位移。应力监测布置了38个监测点位，位移监测布置了25个监测点位。通过无线传输方式以1次/min的频率传送到现场主服务器上，专职检测员负责比对仿真数据，以便指导施工，见图4和图5。

图4　变形监测点布置

图5　应力监测点布置

5.4监测结果

通过监测数据与仿真所得理论值对比，施工位移监测值均小于设计允许10%的偏差，平均偏差为7.68%；施工应力监测值均小于设计允许5%偏差值，平均偏差值2.93%。最大起拱值为59 mm，与设计值67 mm仅有8 mm的误差，满足设计要求。

6　结论

1）椭圆形大跨度弦支穹顶结构，结构受力合理、新颖，但是没有现成的施工经验借鉴，所以施工难度比较大。

2）该工程选用径向张拉来施加预应力，技术上合理，施工上方便，施工变形容易控制，索力值较均匀，是较合理的方案。

3）分三级分步对称张拉，中间还分很多小步，加上由内到外到内到外的张拉顺序，很好地控制了上部网壳从初始态到稳定态的形变过程，达到了仅与设计相差8 mm的施工值，验证了施工工艺的合理性。

4）由于本工程的特殊性，施工前做了充分的准备，对整体结构进行了张拉仿真计算，同时布置了很多应力和位移监测点位，从而保证了施工过程的顺利进行。

5）从监测结果与有限元软件计算对比，监测值很好地验证了计算值，为同类工程的施工提供了借鉴。

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［4］GB50755—2012，钢结构工程施工规范［S］.

［5］GB20205—2001，钢结构工程施工质量验收规范［S］.

□邓应平、张永坡、尚静媛、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

张俊铎/男，高级工程师，天津三建建筑工程有限公司，从事工程技术管理工作。

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