大跨度空间非对称车辐式单双层混合索结构施工技术

任 俊

(中建三局集团有限公司，湖北 武汉 430075)

0 引言

大跨度屋盖结构按照构成要素不同,分为刚性结构构件(梁、桁架、杆件)、以柔性拉索为主要构件且配少量受压构件的刚性构件、刚性构件和拉索杂交构件，二者在结构受力中的作用不可分割。其中柔性结构自重较轻，主要由拉索承受拉力，受压构件数量很少，相比其他结构，柔性结构自重小、受力效率较高，在大型体育场馆中应用越来越广泛。大跨度柔性屋盖常见结构形式为索穹顶和车幅式，其中车幅式按索网层数分为单层、双层和单双层混合，乐山市奥林匹克中心建设项目采用世界首创的单双层混合索网结构体系，且该结构体系平面近似椭圆形，西侧外高内低、东侧内高外低，空间上高低起伏，属于不对称结构。国内外缺乏该结构体系的施工经验，为保证空间不对称索网结构施工同步性，施工过程中不应出现过大的应力集中，以免影响施工安全，保证较好的索网形态，是索结构施工重难点。

本文结合乐山奥林匹克中心建设项目，论述大跨度空间不对称车幅式单双层混合索结构现场安装、提升、预应力张拉、索网形态调整等施工难点，总结出适用于该结构体系的施工方法，保证索结构顺利安装与预加应力张拉。

1 工程概况

乐山市奥林匹克中心建设项目为四川省第十四届运动会主场馆，包括体育场、体育馆、游泳馆、综合训练馆和产业配套用房、地下车库及设备用房、室外运动场及相关配套服务措施，总建筑面积为152 804m2，效果如图1所示。

图1 乐山市奥林匹克中心建设项目效果

体育场建筑面积68 783m2，总坐席为29 984座，其中固定坐席21 510座，临时坐席8 474座。主体结构为混凝土框架，屋盖平面近似椭圆形，南北向约244m，东西向约235m，东西结构跨度205m。屋盖内圈为车辐式单双层混合索膜结构，外圈为支撑索膜屋盖外环受压钢桁架，桁架高度为19.46～44.38m，属于空间不对称异形结构。单双层混合索桁架共42榀，西侧看台上方屋面较高，采用单层索网(设置16榀径向索)，并逐渐沿环向过渡到东侧双层索网(设置26榀索桁架)，在双层内拉环间设置撑杆，其中单层环索与双层上下环索均不在同一平面内。单层索网、双层索网径向索与内环索、外环受压桁架结构耳板均通过索头销接。索结构平面如图2所示。

图2 单双层混合索结构平面

2 重难点及关键技术分析

1)车幅式单双层混合索结构为世界首例，支承索膜结构外环受压桁架平面近似椭圆形，西侧外高内低、东侧内高外低，在空间上呈高低起伏状，属于空间不对称结构，索网也为空间起伏不对称结构，工程参建方联合国内科研高校多次进行研究探讨，最终根据索结构空间起伏不对称、单双层混合等结构特点，针对性提出低空组装、高空整体斜向牵引提升、分批次锚固的施工工艺。

2)空间不对称索结构施工难度大，需保证该结构提升过程中的同步性，防止局部产生过大集中应力，导致提升设备超限导致安全风险。通过合理确定每阶段、每个径向索的张拉提升速度与张拉力，保证提升同步性，得到空间异形索网结构合理提升姿态，使索网最终完成形态与设计态偏差在允许范围内，保证索网结构顺利施工，是空间不对称索网结构施工前需要重点解决的问题。针对上述问题采取以下措施：①受压桁架施工前建立三维模型，计算分析自重及索膜结构拉力影响下的钢桁架变形情况，安装钢桁架时根据该部分变形合理设置预偏量，使索膜结构施工完成后的钢桁架最终形态与设计态基本一致，从受压桁架安装误差和变形控制方面尽可能减少受压桁架对空间不对称索网结构的影响；②建立平面控制网、高程控制网和编写圆曲线图，获取钢桁架空间曲线元素图，得到任意异形空间结构关键点坐标，经过计算机模拟和现场放样验证可行性，实现大跨度异形受压钢桁架的空间精准定位；③在索网结构正式提升前，采用三维激光扫描技术采集受压桁架空间坐标与位置，并进行偏差分析，通过调整径向索索长完全消除因外环受压钢桁架造成的安装误差；④针对空间不对称索网结构特点，进行施工模拟分析，通过理论计算确定每个提升阶段、每个径向索同步提升时的速度与张拉力，保证不对称结构提升同步性。

3)为保证索网提升过程中结构安全，便于设备选取、工装设计等，对索结构施工进行全过程精细化模拟，并掌握牵引索长度、牵引力和位形等参数。采用东南大学确定的索杆系静力平衡状态非线性动力有限元法，通过ANSYS软件进行有限元分析。建立施工分析模型，选取合理的杆件单元、材料参数、约束条件、荷载条件，最后得到施工全过程中各工况的牵引索索力、径向索张拉力、环索不平衡力、索网位形、外围钢桁架应力与变形等参数。

4)根据施工模拟分析结果，在索结构提升过程中，径向索最大理论提升力达6 500kN，位于单层径向索位置，在预应力张拉部位及方法选择上，要充分考虑最大提升力。当选择主动对所有径向索施加预应力时，张拉装置需提供最大6 020kN的张拉力，当选则被动张拉法时，张拉装置仅需提供最大3 870kN张拉力，不管对张拉设备的要求，还是施工安全性与经济性，被动张拉方法均优于全主动张拉方法，因此索结构预应力张拉选择被动张拉法，即选择关键且张拉力小的下径向索作为主动张拉索，其他索和杆均采用被动张拉法。

5)单双层索网分界处的环索索夹节点受力复杂，在索结构张拉提升过程中，该关键节点处单孔受到>500kN极大不平衡力，影响结构安全及后续工序。施工前通过抗滑移试验，确定单双层分界处的环索索夹节点抗滑移承载力大于设计抗滑承载力与理论最大不平衡力。

3 索结构安装技术

3.1 拉索平台搭设

1)环索平台搭设 环索支撑平台采用标准成品钢胎架，每个环索索夹与环索接头下方各设置2个，胎架材质为Q345B，最大承载力为200kN。单层索网胎架在环索安装前安装，双层索网胎架在下层环索安装完成后再安装。胎架下方基础需坚实平整，宜采用混凝土进行硬化处理。胎架安装前先在地面上标记安装位置，然后采用汽车式起重机依次吊装就位，最后在胎架上铺设140mm×140mm×3 000mm的枕木，防止索铺设及提升时造成刮蹭。

2)径向索平台搭设 根据看台高低落差可将看台分为缓坡看台与高落差看台，缓坡看台重点保护看台阳角，高落差看台需要搭设铺设平台，具体方法如下：①缓坡看台 在看台阳角处加工L形木托，在木托上面订三防布；②高落差看台 高落差看台区域选用普通钢管搭设径向索斜坡通道，纵横向立杆间距0.9m，步距1.5m，两侧设置剪刀撑。为保证径向索铺设及提升时通道稳定，需验算通道横杆承载力、变形及立杆承载力、稳定性。高落差看台斜坡通道搭设如图3所示。

图3 高落差看台斜坡通道搭设

3.2 拉索开盘与铺设

采用履带式起重机和特制加工索盘对拉索进行开盘和铺设，施工要点如下：将特制索盘放置在平整地面上，使用履带式起重机将拉索吊装放置在索盘上，然后将索盘连同拉索吊装至安装点上方，固定拉索一端端头，然后根据拉索铺设路线缓缓移动索盘，索盘在旋转前进过程中逐渐将拉索铺设于既定位置。在开盘拉索展开过程中不除去外包防护层，仅安装索夹时剥去索夹处的防护，避免拉索在铺设过程中与混凝土看台发生刮蹭损伤索体。环索间通过连接螺杆连接。现场环索完成铺设后，使用倒链调整环索索头位置，保证环索索头基本处于同一平面，然后使用链条扳手将连接螺杆拧入环索索头内，由于两环索索头丝扣相反，因此拧动链条扳手，索头相对移动，逐渐靠拢。最终将连接螺杆拧至索头内，与索头顶紧即可。

3.3 索夹安装

因为拉索安装是零应力状态，且现场无法量测拉索长度，所以在拉索制作张力条件下，应在索体表面准确标记索夹位置，并在索体表面打一条中轴线，便于安装索夹时控制索夹空间姿态。拉索展开后，按生产厂家标记位置安装索夹。索夹分上下夹板，上下夹板将索夹住后，大六角头高强螺栓穿过螺栓孔进行初拧，初拧按照斜对角交叉顺序进行，初拧扭矩为终拧扭矩的30%～50%。螺栓完成初拧后，再用终拧扭矩按照初拧顺序拧紧螺栓。为补偿应力松弛，施工扭矩应比理论扭矩增加10%。

径向索索夹质量小，只能夹持1～2根拉索，应完成拉索铺设后再进行安装。环向索索夹质量大，能夹持4～10根拉索，若拉索铺设完成后再安装索夹，则索夹安装难度大。因此环向索索夹应在环向索铺设前，提前将索夹放置在安装点位处，再把环向索铺设在索夹上方，基本对准位置后，再借助倒链调整索位置进行安装。

3.4 操作平台挂篮安装

索结构张拉平台采用钢结构挂篮，预先在地上完成焊接组装后，吊装至受压钢桁架上方与受压钢桁架焊接固定。挂篮由竖向临边防护角钢、斜向角钢、平台板横向角钢、横向加强角钢、竖向加强角钢、斜向加强钢条、主梁加强钢板、竖向槽钢主梁、角钢爬梯、角钢扶手、横向槽钢主梁、临边防护钢丝绳、平台板纵向角钢、平台板支撑钢条等构件焊接而成，各构件材质均为Q235A钢，各组件间通过焊接连接，挂篮表面刷涂防锈漆。挂篮安装完成后检测承载力，宜按照1.5倍设计载重对挂篮进行承载力试验，观察吊篮变形情况，要求变形≤1cm。使用挂篮前必须进行验收，挂篮安装如图4所示。

图4 挂篮安装

表1 钢结构变形监测数据

3.5 提升设备安装

索结构提升设备包括专用工装、牵引绳、千斤顶及配套油压泵。牵引绳采用抗拉强度1 860MPa的钢绞线，使用YCW系列轻型千斤顶，并配套ZB4-500型超高压油泵。千斤顶根据张拉提升力选择对应型号，其额定张拉力宜为实际提升力的1.5倍，且≥1.2倍。安装提升辅助设备时，在地面上组装千斤顶、U形锚头、牵引绳后吊装至安装点，与预先焊接在结构耳板两侧的工作耳板连接固定，之后将专用工装安装在索头下方拉索上，通过紧固螺栓夹紧拉索。最后将牵引绳另一端穿过工装，使用锚垫板与夹片固定牵引绳与工装。

3.6 施工监测

索网提升时对钢结构节点产生数千千牛的拉力，张拉完成后拉力进一步增大。受索网拉力影响，外环受压钢桁架产生一定变形。因此提升索网前，在钢结构节点连接位置设置变形监控点、贴反光片，使用全站仪监测钢结构变形。对比变形监测数据与ANSYS软件分析得到的理论变形数据，以保证索网提升过程安全。钢结构变形监测数据如表1所示。

3.7 索结构提升与张拉

辅助提升设备安装及连接节点检查完成后提升索结构，步骤如下：步骤1～5为索结构牵引提升，以控制索网整体位形为主，以控制上径向工装索牵引长度和牵引力为辅；步骤6控制张拉力和位形，但以控制张拉点索力为主。

1)步骤1：初步牵引提升 先进行分级加载试提升。通过试提升观察和监测提升索杆系、外围结构及牵引提升设备系统和工装，以确认符合模拟工况计算和设计条件，保证牵引提升过程安全。初始牵引提升时，应缓慢分级增加各牵引点提升器伸缸压力，最初加压为所需压力的40%，60%，80%，90%，在一切都稳定的情况下，可加到100%，即索网试提升离开环向索组装胎架。

2)步骤2：单双层索网交界处双层索网提升就位 由于单双层索网交界处双层索网受力复杂，上下径向索使用同一个索头，且索头销轴与结构耳板间隙仅1.5mm，安装精度要求极高，导致此处径向索在提升就位时对孔极为困难，因此在具备条件的情况下，应优先将单双层索网交界处双层索网提升就位。可不考虑上下径向索不共用索头的工程。

索结构提升时，应采用2台履带式起重机辅助安装，一台用于提拉环索，减小索提升力；另一台吊于工装下方索体上，以较大幅度调整索头空间位置，此外还需配备若干条倒链，辅助索头精调空间位置，确保索头与结构耳板顺利锚接。单双层索网交界处双层索网提升过程中，应同步提升其余双层索网上径向索与单层索网径向索，使双层索网上环索与单层索网环索基本处于同一水平线，避免产生过大的张拉提升力，同时便于控制索网结构空间形态，如图5所示。

图5 单双层索网交界处双层索网锚固

3)步骤3：双层索网上径向索提升就位 单双层索网交界处双层索网提升过程中，其余双层索网上径向索同步提升，单双层索网交界处双层索网提升就位后，上径向索索头与结构耳板距离较小，因此本阶段可直接一次性将上径向索提升就位，与耳板锚接固定。在上径向索提升过程中，单层索网应同步提升，使双层索网上环索与单层索网环索保持同一水平线上。上径向索提升就位如图6所示。

图6 上径向索提升就位

4)步骤4：撑杆安装 在撑杆与上径向索连接安装时，提前将下径向索提升牵引至撑杆安装位置后再安装撑杆。此时双层索网上环索距离下环索空间高度远不够安装撑杆，因此需要起重机辅助提升上环索，保证撑杆安装空间。撑杆安装时，先按照两边向中间的顺序对称安装靠近环索撑杆，再按照同样顺序依次安装第2,3道及靠近外环受压钢桁架的最后1道撑杆。撑杆在地面放平后，将扁平吊装带绑在撑杆靠近上端3/4位置处，在撑杆下端设置缆风绳，再将吊装带挂设于起重机吊钩上，开始起吊。正式吊装前应试吊，避免撑杆吊带绑扎不牢固产生滑动。最后启动起重机，缓缓将撑杆吊装至上径向索索夹处，再使用曲臂车将人员送至安装位置辅助安装。撑杆可借助起重机、缆风绳及人工辅助的方式调整空间位置。按照上述顺序依次完成所有撑杆与径向索索夹的连接。撑杆与下径向索连接安装时，撑杆与上径向索索夹连接完成后，开始安装下径向索。首先使用起重机提升环索，提升至撑杆下节点与下环索高度基本一致后，采用曲臂登高车将工人运送至安装位置辅助安装，再将索夹安装孔与撑杆下节点安装孔对齐，将销轴从一侧插入安装孔内，最后盖上销轴端头盖板，拧紧螺栓进行固定，完成安装。两侧双层索网撑杆安装空间较小，撑杆与索夹耳板不在同一水平线上，存在一定夹角，因此安装时可使用倒链调整索夹两侧拉索高度，以调整索夹空间位置，保证撑杆与索夹耳板在同一水平线，确保撑杆顺利安装。按照上述方法依次连接所有下径向索索夹与撑杆下节点，安装顺序同上节点。撑杆与下径向索安装及完成效果如图7所示。

图7 撑杆与下径向索安装

5)步骤5：单层索网提升就位 随着下径向索提升及撑杆安装，单层索网随之同步提升，至撑杆安装完成后，单层索网基本提升到位，与受压桁架连接耳板较近，在本阶段可一次性将单层索网全部提升到位，提升方法与上述相同。单层索网区域径向索与连接耳板的距离由两侧向中间依次增加，因此按照两端往中间的顺序依次将径向索缓缓提升到位，与外围受压桁架锚接。本阶段的双层索网下径向索应同步提升至距离连接耳板70cm处。单层索网径向索提升就位如图8所示。

图8 单层索网径向索提升就位

6)步骤6：双层索网下径向索张拉就位 单双层混合索网采用被动张拉技术进行张拉，即选择关键、张拉力小的下径向索作为主动张拉索，而其他索和杆均为被动张拉。本阶段除部分下径向索外，其余径向索均已提升锚接就位，因此整个索网结构空间形态与拉索拉力均通过该部分下径向索进行调整。本步骤属于索网结构提升的重中之重，在张拉就位前，需采集所有径向索油表读数，通过校正报告中的千斤顶回归方程计算千斤顶提升力，对比施工模拟分析中的千斤顶理论提升力，确保二者数值基本相符后。再主动张拉下径向索，张拉采用双控原则，即控制张拉力和位形，但以控制张拉点索力为主。张拉提升方法与其余径向索一致，由两侧向中间对称张拉就位。索结构应力张拉如图9所示。

图9 索结构应力张拉

3.8 索网形态调整

索网整体提升完成后，索结构拉力达到最大，由于钢结构变形、安装误差影响，索结构空间形态与设计要求可能存在细小偏差，在本阶段可通过调整径向索长度改变索结构空间形态。径向索可在索头位置，通过调整索头中间螺杆伸入长度调整索长。螺杆调整需借助起重机、链条扳手、倒链等工具设备。索结构形态调整如图10所示。

图10 索结构形态调整

3.9 提升设备拆除

索网张拉提升完成且空间形态调整结束后，拆除高空作业挂篮与提升辅助设备。挂篮与外环受压钢桁架采用焊接固定方式，因此拆除时先使用起重机吊住挂篮，然后使用切割设备切断吊篮与桁架钢管连接的横梁，再将吊篮整体调运至地面堆放，拆除后应重点做好焊接位置的防锈蚀工作。提升辅助设备拆除与安装顺序相反，先拆除与工装连接的牵引绳及夹片，再拆除工装，最后解除千斤顶与工装耳板处的连接，分别将千斤顶(包括牵引绳)和工装吊装至地面进行存放，工装耳板可不拆除。

4 结语

1)在设计形式上，索网结构与外环受压钢桁架平面近似椭圆形，在空间上呈高低起伏状，属于空间不对称结构，且采用世界首创的车幅式单双层混合索网体系，施工难度极大，施工质量不易控制，同时存在一定安全风险。通过高精度定位技术对外环受压钢桁架安装进行精准定位，对钢桁架施工误差进行过程控制与实测实量，并设置安装预偏量，进行施工模拟计算，以确定每阶段每个径向索张拉提升速度与张拉力，确保提升同步性等，保证空间不对称索网结构顺利施工。

2)选择合适的索结构张拉方法尤为重要，通过采取低空组装、高空整体斜向牵引提升、分批次锚固施工工艺，能够安全快速地完成大跨度车幅式单双层混合索结构提升，获得较好的施工效果。

3)索结构提升应同步，锚固时宜优先选择锚固难度大、节点受力复杂的单双层交界区域径向索，再锚固其余径向索，以降低锚固难度。

4)针对车幅式单双层混合索结构特点，结合施工模拟分析结果，选择被动张拉技术对索结构施加预应力，能有效减小索结构提升过程中对张拉力的需求，降低安全风险，并获得一定经济效益。