三亚体育场不规则支承轮辐式索桁架组合结构施工技术

孙玉厚，高文光，张 兵，张兰芳

(北京城建六建设集团有限公司，北京 100081)

1 工程概况

三亚体育场为大型甲级体育建筑，建成后将作为第六届亚洲沙滩运动会闭幕式场地，占地面积约47.5亩(1亩≈666.7m2)，建筑面积85 757.58m2，座席数45 000座，总建筑高度46.5m(见图1,2)。体育场看台为混凝土框架结构，上部结构及罩棚为钢结构+索桁架组合结构+屋面膜结构。

图1 体育场效果

图2 体育场结构平面布置(单位：m)

索桁架组合结构的拉环和压环轴线平面投影均为4段圆弧组成的四心圆，将大圆弧等分14份，小圆弧等分12份，连接内、外相应节点，得到索桁架轴线的平面投影(见图3)。

图3 索桁架轴线的平面投影(单位：m)

体育场索桁架结构支承于外围钢结构内侧的压环梁上，外围钢结构支承于下部混凝土结构上。索桁架组合结构体系由2道拉环、1道压环构成，压环位于标高38.000m的平面内，上拉环位于标高46.000m的平面内，沿环向布置52榀索桁架，每榀桁架沿径向用撑杆划分6个网格，尺寸由内向外依次为4，9，9，9，9，5m，上下拉环竖向高差约17m。体育场上部结构如图4所示。索桁架结构组成如图5所示。

图4 体育场上部结构

图5 索桁架结构组成(单位：m)

上拉环由8φ80高钒密闭索组成，上径向索为φ75，φ85规格的高钒密闭索，下拉环由8φ110高钒密闭索组成，下径向索为φ105，φ120规格的高钒密闭索。高钒密闭索极限抗拉强度为1 570MPa，弹性模量为(1.60±0.05)×105MPa。桅杆(又名撑杆)是轮辐式索桁架组合结构体系中唯一的刚性杆件，由Q355B钢材制成，壁厚6～16mm。交叉索为碳纤维平行板材索，由12层2mm(厚)×50mm(宽)碳纤维板组成。碳纤维索抗拉强度≥2 400MPa，弹性模量为(1.60±0.05)×105MPa。环向索索夹、径向索索夹均采用G10MnMoV6-3+QT2材质，依据欧洲标准BS EN 10293∶2005 steel castings for general engineering uses(《一般工程用钢铸件》)制作。

以上构造及新型材料的应用，构成不规则支承轮辐式索桁架组合结构，体现造型新颖、轻盈美观的设计理念，有利于屋面结构在风荷载作用下实现结构内力重新分配、自行平衡的结构性能，适合三亚热带季风区域特点，有利于保证工程结构安全。

2 工程重难点

1)新材料应用种类多 本工程首次将大直径国产高钒密闭索应用在体育场馆建设中，最大直径达120mm。国内首次将索夹按照欧洲铸钢规范BS EN 10293∶2005选用G10MnMoV6-3+QT2材质，该材质铸造的索夹体积大、质量小，有利于整体结构设计。内环交叉索采用板式碳纤维索及耳板式波形锚具，力学性能好、质量小。

2)工程体量大，组拼安装技术难度大 索桁架组合结构为柔性体系，结构组拼、安装顺序对整体结构形态和受力影响大，需选择合理的组拼施工方案、施工顺序，确保张拉前结构组拼位形准确，使各构件受力符合设计要求，确保结构体系安全，为提升张拉做准备。

3)工程形态复杂，张拉施工技术难度大 本工程设计为凸索桁架形式，需要通过力去找形，要实现力到即形到、力与形的完美结合，张拉方法的选择、张拉顺序的确定，是决定工程顺利完成的关键。张拉过程每步拉力与位形需与施工仿真模拟一致，确保桁架在张拉过程中各指标处于受控状态，与设计要求一致。

4)索桁架为柔性体系，精度控制难度大 该工程索桁架组合结构为柔性体系，是力与形统一的预应力自平衡结构，具有较强的敏感性，任何部位的受力、位置、尺寸改变都将影响最终形态。因此，结构从零状态、初始态、荷载态都要满足设计的受力及位形要求，施工过程中各环节精度控制难度大。

5)工程构件种类多，施工仿真计算分析复杂 本工程构件种类多，整体模型建立难度大。模型建成后除仿真模拟索桁架组合结构提升、张拉过程，还要模拟外围钢结构在索拉力作用下产生的应力及应变，结合索桁架、外围钢结构整体受力情况进一步计算分析索桁架。因此，各构件受力及位形变化是仿真模拟、计算分析的重点。

3 索桁架组合结构施工方案

3.1 单层索系拼装与连接技术

3.1.1平台布置

1)环向索平台 本工程共52榀索桁架，针对索结构特点，沿场内环向设置52个索夹平台、52个索夹平台间补档区平台和2个环向索接头平台。索夹平台采用成品塔式起重机标准节进行搭设，索夹平台间补档区平台和环向索接头平台均采用脚手架进行搭设。每个索夹平台采用4个1 800mm×1 800mm×1 400mm和2个1 500mm×1 500mm×1 100mm塔式起重机标准节搭设完成。索夹平台如图6所示。补档区平台和环向索接头平台均采用脚手架进行搭设。补档区平台搭设规格为1 200mm×1 200mm×1 500mm，主要用于支托索体，避免索体与地面接触。环向索接头平台规格为2 700mm×1 800mm×1 500mm，主要用于环向索对接时支承环向索接头。补档区平台和环向索接头平台如图7,8所示。

图6 索夹平台示意

图7 补档区平台示意

图8 环向索对接平台示意

2)径向索胎架 径向索铺设时为避免看台、女儿墙等部位损伤索体，沿径向索投影位置在体育场看台、女儿墙位置设置1 000mm宽的径向索胎架。其中体育场东西区看台存在高低层，采用钢管脚手架搭设1 000mm宽径向索胎架支承索体；南北区看台连续，采用800mm长木方防护看台阳角。东西区看台脚手架竖向布置如图9所示。南北区看台索体布置如图10所示。

图9 东西区看台脚手架竖向布置

图10 南北区看台索体布置

3.1.2索体铺设

1)环向索铺设

本工程单根环向索由2根长240多m的索体组成，通过索盘放索装置，用履带式起重机行走铺设索体。在索体展开及调整过程中应避免索体磕碰、划伤，因索体盘绕时产生的弹性变形和牵引索盘产生偏心力，索体开盘时极易导致散盘，危及人员安全，因此开盘时应注意防止崩盘。索体展开后按照索体表面上的标线理顺环向索，防止索体扭转。

2)径向索铺设

径向索长45m，采用135t履带式起重机在空中缓慢展开索体，释放索体盘绕时产生的弹力，顺直索体并确保索体表面的顺直标线位于索体顶部。索体展开后铺设于径向索胎架上，并在上部索头处安装工装设备，防止索体滑落。

3.1.3索体连接

1)环向索索夹安装

本工程上、下环向索均由8根环向索组成，通过52个环向索索夹将8根索体连接成整体。8根索体分布于索夹上、下端面，并有序排列。将下端面索体铺设完成后吊装环向索夹，再铺设上端面索体，索体铺设完成后，根据索体出厂时表面标记的索夹位置线，使索体标线与索夹侧端面重合。索体安装到位后用上、下盖板固定索体，并初拧螺栓。按斜对角交叉顺序进行初拧，初拧扭矩为终拧扭矩的50%。螺栓初拧完成后，再用终拧扭矩拧紧螺栓，同初拧顺序。

2)径向索索夹安装

上、下径向索体均布设5个径向索夹。按照索体表面标识的索夹位置线安装径向索夹，确保索体表面的顺直标识朝上，并与索夹中心标记对齐。径向索夹由上、下夹板组成，上、下夹板夹住径向索后，初拧固定螺栓，螺栓施拧方法同环向索夹(见图11)。

图11 径向索夹连接

大六角头高强度螺栓施工扭矩如下：

Tc=K·Pc·d

(1)

式中：Tc为施工扭矩(N·m)；K为高强度螺栓连接副的扭矩系数平均值，该值由复验测得的合格平均扭矩系数代入；Pc为高强度螺栓施工预拉力(kN)；d为高强度螺栓直径(mm)。

高强度螺栓施工扭矩如表1所示，为补偿应力松弛，施工扭矩较理论扭矩增加10%。

表1 高强度螺栓施工扭矩

3)径向索与环向索索夹连接

环向索与径向索全部安装完成后，将径向索内侧索头使用销轴连接环向索索夹耳板，并保证销轴盖板固定牢固，防止销轴脱出，如图12所示。

图12 径向索与环向索索夹连接

3.2 索桁架提升张拉与空中组装同步实施技术

环向索、径向索完成连接后，提升张拉索桁架并在空中同步组装，通过施工仿真模拟及分析，按照如下步骤施工：①上径向索和上环向索结构在地面组装，使用提升器安装。此时提升上径向索，随着上径向索体逐步离开看台或胎架，将竖向撑杆与上径向索夹进行销轴连接。②上径向索和上环向索提升至一定高度后，组装部分撑杆、下径向索和下环向索。上径向索提升至距地16m时，靠近环向索方向的第1道竖向撑杆与下环向索进行组装。随着上、下径向索的提升，逐步组装第2，3，4道竖向撑杆与下径向索。③整体牵引提升索结构，将上径向索与内压环梁锚接。在第2步基础上继续牵引上、下径向索，协同提升整个索网体系，直至锚接上径向索与内压环梁。④继续牵引下径向索，在下径向索工装索还剩5m时，组装第5道竖向撑杆。⑤继续牵引下径向索，在下径向索工装索还剩1m时，组装最外圈撑杆(第6道竖向撑杆)。⑥继续牵引下径向索，锚接下径向索与内压环梁。⑦安装内环交叉索，整体结构成型(见图13)。

图13 施工步骤

3.3 主动张拉与被动张拉技术

索桁架组合结构张拉完成后是预应力自平衡态，各节点受力平衡。索桁架是力与形相统一的结构体系，位形变化及索力变化是对应统一的。在整个结构体系中，每个构件尺寸及应力的变化都会影响桁架形态的调整。

因索桁架组合结构构件种类多，若通过张拉各构件完成索桁架施工，则加大施工难度。结合索桁架结构预应力自平衡态特点，如果将上、下径向索定长且先连接上径向索与钢构压环梁，只主动张拉下径向索，其他索桁架结构构件必然承受被动张拉力，并产生相应位形变化。对下径向索逐步增加张拉力，下径向索逐步张紧，上径向索索力随之变大，当下径向索与钢构压环梁连接时，上径向索及索力达到设计初始状态，整个索桁架结构力与形到位。

通过施工仿真模拟分析，各工况上、下径向索索力及压环梁应力均在合理范围(见表2)，说明结合主动张拉与被动张拉技术的方式可行。通过简单的施工方法有效控制复杂构造组合，有利于现场施工，保证结构力与形满足设计要求。

表2 施工仿真模拟各工况结构响应

3.4 索桁架分级提升张拉技术

本工程52榀索桁架结构由两两相互对称的4部分圆弧组成，每部分圆弧径向索应力及直径不完全相同。为保证索体受力稳定、索桁架形态变化均匀，采用分区、分级、对称的方式提升张拉索桁架结构。

工程整体分为东南西北4个区域，每个区域选择结构对称的索体组成1批，按照循环往复的方式逐级提升张拉。根据施工仿真模拟分析可以看出，前期张拉过程主要以结构自重为主，后期张拉以施加预应力为主。为保证索桁架结构稳定、安全，前期、后期张拉过程分别采用400，200mm行程进行控制。

1)分区分批

本工程径向索分为上径向索和下径向索，上、下各52根，共104根。上、下径向索最大直径分别为85，120mm，具体位置如图14所示。

图14 径向索平面布置

索结构整体牵引提升共设置54组泵站。其中控制上径向索提升的泵站共26组，每组泵站控制2根上径向索、4个千斤顶。控制下径向索提升的泵站共28组，其中⑤轴、轴、轴、轴泵站控制1根下径向索、2个千斤顶，剩余24组泵站每组控制2根下径向索、4个千斤顶。径向索泵站平面布置如图15所示。

图15 径向索泵站平面布置

根据现场情况采用分区同步提升方法。首先对上、下径向索及泵站编号，根据对称分布原则将上、下径向索分4个批次进行提升。每批次提升千斤顶2个行程，即400mm，后进行下一批次提升，提升顺序为1→2→3→4，4→3→2→1，循环反复。当工装索剩余2m时更改为单个行程，即200mm，然后进行下一批次提升，提升顺序与之前相同。当径向索统一提升至距离径向耳板中心100mm时，进行分批锚固。上、下径向索分批轴线分别如表3，4所示。

表3 上径向索分批轴线

表4 下径向索分批轴线

2)分级同步张拉

本工程选用液压提升技术张拉索桁架，采用液压提升器作为提升机具，柔性钢绞线作为张拉索具。液压提升器为穿心式结构，具有安全、可靠、承重件自重轻、运输安装方便、中间不必镶接等优点。

根据仿真模拟确定最大牵引力，选择液压千斤顶型号。每个牵引点配备2台YCW系列轻型千斤顶，通过计算分析，锚接上径向索最大牵引力为1 640kN，锚接下径向索最大张拉力为3 270kN。采用2台YCW150B千斤顶并联张拉上径向索，采用2台YCW250B千斤顶并联张拉锚接下径向索，工装索采用1 860级φ15.20钢绞线。单根钢绞线截面积为140mm2，单根钢绞线标称破断力为260kN。工装钢绞线承载力安全系数≥2，满足要求。千斤顶参数如表5所示。

表5 千斤顶主要技术参数

提升张拉装置如图16所示。上、下径向索锚接剖面如图17所示。

图16 提升张拉装置

图17 上、下径向索锚接剖面

分级同步张拉步骤如下：①提升预紧 工装索与径向索索头反力工装、径向索索头与环向索索夹连接后，即进行预紧工作。预紧所有工装索形成直线状态，径向索索头脱离看台板，检查提升设备性能。

4 监测技术

该工程索桁架结构跨度大、构件多且结构复杂，在不同施工阶段需要监测构件位移、应变、交变应力及节点局部应变等，实时比较施工模拟结果、设计状态，验证施工模拟和设计准确性，确保结构安全和质量可靠。

4.1 施工监测内容

主要监测索桁架组合结构的内环梁及平面环桁架应力应变，环向索、径向索及交叉索的索力，环向索、径向索的变形情况。

4.2 监测点布设

内环梁及平面环桁架应力应变监测采用振弦式表面应力应变传感器，布置点如图18所示。其中，★代表内环梁的8个测点，每个测点布置4个应变计。▲代表外环梁的7个测点，每个测点布置4个应变计。●代表交叉梁的5个测点，每个测点布置2个应变计(见图18)。

图18 应力应变监测点布置

通过连续监测索桁架结构，整理数据后绘制索力变化趋势，结论如下：①上层索网牵引提升及部分撑杆安装阶段，索力监测数据为810.97～1 511.99kN，符合索结构施工过程中的结构响应；②下径向索牵引过后的锚接阶段，下径向索与下环向索内索力大幅度增加，符合索结构施工过程中的结构响应；③下径向索锚接完成后，上、下径向索与环向索索力监测数据变化趋势平缓，符合索结构施工过程中的结构响应；④从整体索力变化趋势看，结构整体处于稳定状态；⑤从上环向索夹位形监测数据看，整体结构位形偏差均较小，极值为47mm，符合设计要求。部分索力监测数据如图19所示。

图19 部分索力监测数据

5 结语

三亚体育场屋顶罩棚不规则支承轮辐式索桁架组合结构设计形式新颖，施工难度较大，为解决施工中遇到的难题，结合施工仿真模拟、理论数据分析、过程监测等，应用索桁架结构空中组装与提升张拉同步技术，顺利完成索桁架组合结构的施工，质量安全可靠，位形、索力符合设计要求，施工速度较快，取得一定效益。