索承网格结构屋盖高空换索施工关键技术研究

鲍丰 鲍敏

0 引言

在大跨度屋盖结构体系中，张拉索结构具有结构轻盈、承载力高、刚度较大、节省钢材等优点，非常适合外形呈连续曲面的建筑，是一种经济、高效的空间结构体系。其中索承网格结构上弦由钢构刚性网格组成，下弦由径向环向高强钢拉索和竖向撑杆组成；下弦索张拉后，上弦网格整体受压，压力传递到网格中心区域由压力环（通常为型钢梁或桁架）平衡，同时，下弦索撑杆产生向上的支撑力，对上弦网格形成平面外弹性支撑，承接上弦网格上的竖向荷载，减少网格构件跨度，增强其受压承载力。这种新型的自平衡杂交空间结构体系，组合了索和网格结构两种结构的优点，以索撑杆为主要承重构件，充分发挥拉索的高强材料特性，大幅减小作用于主体结构的水平力，可在对下部支承结构影响很小的情况下轻松跨越较大跨度，成为体育场馆、展览馆等公共建筑大跨度屋盖的理想结构类型，如武汉体育馆、宝安体育场等均采用了车辐式索承网格结构屋盖。

在正常施工顺序情况下，索承屋盖结构先于建筑围护、机电设施、装饰装修等其他专业进行施工，钢索安装和张拉不受其他专业的影响。屋盖结构在使用过程中，某些情况（如腐蚀、局部火灾或尖锐物体撞击等）可能导致某根拉索受损，需要原位更换，对于已经张拉成型处于使用状态的索承结构屋盖进行高空换索，施工环境和要求与常规安装完全不同，由于屋盖上各专业工程已施工完毕，不仅自重全部作用于索承结构上，钢索安装作业空间受到限制，还要对既有建筑设施予以保护，施工的难度和危险性都显著增加。换索施工的先决条件是保证拆索后原结构体系的安全，尽量减少对其他建筑构配件的损坏，并保持换索后与原结构状态基本一致，施工技术复杂，安全风险大。在拆索卸载、换索张拉的过程中，屋盖结构的内力平衡多次重建，钢构件和索内力变化较大，甚至内力自平衡状态打破，部分内力可能转移到屋盖下部的支承结构上；索承结构具有的索系形状易变、非线性、结构超静定次数偏少等特征，增大了施工过程的不确定性。因而，对于成型态索承结构屋盖高空换索，技术方案确定和施工过程监控除考虑屋盖本身结构外，还要结合原建筑结构特征、非结构件的影响等因素作综合性整体考虑，进行细致的阶段性仿真分析、针对性监测。本文通过一个体育馆索承网格屋盖换索施工实例，较为完整地研究和形成高空换索关键施工技术，并探讨相关问题。

1 工程概况

依照建筑的外观造型设计，体育馆钢结构屋盖平面为抹角三角形，采用车辐式张拉索承网格结构，跨度65m，结构下弦距地面高度27.2m，安全等级为一级。屋盖上弦钢网格结构三维外形整体上略呈马鞍状（如图1 所示），由24 榀径向梁、压力环梁、钢拉杆及嵌补杆件组成，压力环的直径为10.6m；径向钢梁截面为箱型700×400×18×25，压力环梁截面为箱型900×350×20×25，均为Q355B 材质；下弦索系结构由24 榀径向索、一圈环向索及撑杆组成；径向索采用φ55 的高钒索，环向索采用4φ55 的高钒索，单索最小破断荷载3 075kN。索承网格屋盖通过铰接支座连接在下部支承结构上。

图1 屋盖三维轴测图

预应力钢索规格如表1 所示。

表1 钢索的种类与规格

在屋盖整体（包括建筑围护系统、室内吊挂机电管线等）基本施工完成之际，径向拉索S11’（如图2 所示）因受到其他干扰而需要更换。此时屋盖结构处于使用状态，施工方案决定采用高空原位换索。为保护已完工程，尽量减少对建筑构配件的损坏，要求换索施工控制性参数：

图2 更换下弦径向索位置图

屋盖结构自当前状态下新增竖向变形 ≯L/3 000（L 为屋盖跨度）；钢结构应变全过程处于弹性；更换完成后，屋盖结构的整体状态应与原结构基本一致，钢结构应力和各索拉力接近更换前数值。

施工过程应采取可靠的监测手段，对预应力索的张拉力和钢结构的变形进行监控，确保结构安全，并及时获取可靠数据。

2 技术方案确定

钢索S11’拆除后，索系的整体形状发生改变，大多数索有些松弛，撑杆对屋盖上弦钢网格的支撑作用减弱，整个屋盖结构的承载力下降，因此高空换索首要保证拆索后原结构体系的安全。

使用Midas Gen 有限元软件对各阶段性工况进行施工模拟分析，索采用只受拉单元模拟，撑杆采用梁单元模拟，同时释放梁端约束，通过增加初拉力的方法来施加预应力[1]。

2.1 原结构拆索后状态分析

对S11’索直接放松卸载直至拆除后，下弦环向索由正12 边形变为非等边的11 边形，并稍向S11’索的对向水平移动，余下的11 条径向索仍张紧，其中S11’索两侧相邻的S9’、S13’索的拉力有一定增大，其他索的拉力减小，屋盖结构受力重新平衡。计算结果显示拆索后剩余的构件形成新的结构体系，仍基本满足承载力要求，各结构件均处于弹性状态，但屋盖中部的竖向变形较大，超过了控制参数值。为控制竖向变形并确保原结构安全，在屋盖下方设置支撑架顶住钢网格后再卸载拆索，是较为简便、直接的做法。经重新计算并参考原屋盖结构安装方案，最终决定采用设置支撑架卸载换索方案。

2.2 换索方案

换索采用“高空拆索、高空换索和高空张拉”的方式，施工步骤：安装支撑架→卸载拆索→换索并重新张拉→拆除支撑架。

2.2.1 支撑架设计

支撑架应直接顶紧在上弦钢结构网格上。在通常情况下上弦钢网格的平面外刚度相对偏弱，如果支撑架的支撑点与竖向撑杆距离较近，会因支撑架竖向刚度大而对索拉力产生较直接的影响，因而支撑架的平面布置应尽量靠近上弦网格中心受压环梁（截面尺寸较大）；同时对于体育馆或表演类公共建筑，支撑架还要避开屋盖吊挂的马道、声光机电管线和设备、重要装饰等。为方便施工，支撑架数量宜少，并采用装配式格构钢柱以便独立设置。支撑架的设计应纳入整体的结构模型中经计算确定。本例中，屋盖结构在原先安装时使用4 个支撑架布置在中心受压环梁的正下方，换索时为避开大型排烟风管，采用了3 个支承架顶紧在受压环内侧的次钢梁上，经整体建模分析，满足施工各阶段要求。

支撑架按照四肢格构式钢柱标准节进行设计，钢材材质为Q235B，每节长度9.0m，横截面分肢中心距1.6m；格构柱分肢采用φ180×8 钢管，缀条采用φ70×4 钢管，缀条与分肢相贯焊接；分肢端部焊接20 厚法兰连接平板，法兰板开有8M20螺栓孔，便于标准节间用高强螺栓安装并拆解。

2.2.2 仿真施工模拟分析

仿真施工模拟分为以下几个阶段：

（1）原结构当前的成型状态；（2）搭建支撑架，拆卸单根受损拉索；（3）安装并重新张拉新索。

施工模拟基于原结构设计模型进行，计算分析显示，S11’索卸载后，该索所在位置附近的屋盖结构竖向变形较为明显，S11’索对应的上弦网格径向梁因为失去索撑杆支撑，跨中变形最大。该梁从屋盖结构安装至当前使用状态时跨中已产生竖向变形43mm，本次施工进行卸载拆索后继续向下位移11mm（即总共54mm），新增变形挠跨比为1/5900，换索重新张拉后变形回弹，基本恢复原状。施工过程中钢网格最大应力比0.69，为屋盖外边缘连接次构件，主钢结构应力较小，整体处于弹性状态；换索后S11’索拉力由403kN 增加至411kN，其他各索拉力略有增大。计算结果均满足施工控制参数要求。

2.3 监测方案

使用状态下高空换索安全风险大，必须监测换索过程中主要结构件的受力和变形，采取可靠的、针对性的方案进行实时连续监测。

2.3.1 监测内容

（1）屋盖钢结构径向梁变形、应变、温度监测；（2）屋盖钢结构环向梁及小次梁的变形、应变、温度监测；（3）拉索索力监测；（4）外围钢结构应变、温度监测。

在整个施工过程中，监测以结构索力控制为主、变形控制为辅。索力监测标准为理论值的±10%[2]。

2.3.2 监测点位布置

变形监测布置：整个屋盖共设置11 个变形测点（如图3所示），主要布置在S11’径向梁、相邻的S9’和S13’径向梁及与其相连的环梁上，测点D1～D6 为屋盖径向梁测点（采用高精度全站仪测试），测点D7、D8、D9 为屋盖压力环梁测点（采用高精度全站仪测试），测点D10、D11 为压力环中间的小次梁测点（采用高精度激光测距仪测试）。

图3 变形测点布置图

变形监测遵循可比性原则，采用全站仪和激光测距仪两种设备对变形进行对比，最大限度地消除系统误差。

索力监测布置：共布设16 个测点（如图4 所示），其中测点C1～C12 为径向索索力测点，测点CH1～CH4 为环向索索力测点，采用磁弹式应力监测系统。这种检测装置不易损坏，使用寿命长，对拉索锈蚀也有较好的检测效果[3]。

图4 磁通量传感器索力测点布置图

应变监测布置：测点布设于屋盖S11’径向梁及其左右相邻径向梁末端的“L”型节点位置、压力环梁及环梁内部的小次梁上，测点布置如图5、6 所示，应变监测传感器选用质量高的外贴式钢结构应变计与配套的频率接收仪作为应变观测仪器。

图5 屋盖应变测点布置图

图6 径向梁应变测点布置示意

3 施工重点控制措施与结果

现场利用举臂车结合已安装的马道作为拆除、安装和张拉的操作平台。

3.1 主要张拉工艺与控制措施

（1）预应力钢索张拉前标定张拉设备。根据施工模拟计算，径向索最大张拉力约为410kN，据此决定采用2 个60t 千斤顶、油泵及张拉工装等设备，并按照设计和预应力工艺要求对千斤顶、油压传感器进行标定。

（2）预应力钢索张拉采用双控，以索力控制为主、变形控制为辅；张拉完成后，立即测量校对。

（3）预应力钢索张拉：油泵启动供油正常后，开始加压，当压力达到钢索预定拉力时，超张拉3%左右，然后停止加压，完成预应力钢索张拉。张拉时，要控制给油速度，给油时间不应低于0.5min。

（4）在换索张拉结束后如发现有某根索不满足索力要求，可以通过个别施加预应力进行补偿的方法调整，张拉力控制范围为理论值的±10%[4]。

3.2 换索施工结果

施工过程连续监测结果如下：

3.2.1 竖向变形

S11’索卸载后，屋盖整体下挠，换索重新张拉后屋盖结构竖向变形向上回弹。图7显示主要截面D4点的竖向位移变化：卸载过程中D4 下挠 -5.1mm，张索后截面抬升了4.2mm，变形恢复了82.4%，总体恢复效果较好。

图7 卸载及张拉过程中D4 点位移图

3.2.2 钢网格状态

在S11’索卸载过程中，屋盖径向梁原有的拉应力释放，每一根径向梁的2 个内测点和短柱的内测点均为受压，最大压应变为S11’径向梁下缘，达到-53.31με，如图8 所示；在重新张拉过程中，每一根径向梁的2 个内测点和短柱的内测点均为受拉，最大拉应变位于S11’径向梁下缘，达到57.35με。但这些应变数值并不大，远小于钢结构的弹性设计应变，并且主要应变测点表现出良好的对称性（应变值相似，方向相反）。

图8 索S11’径向梁最大应变图

3.2.3 索拉力

张索结束后，12 根径向索的索力均恢复到S11’索卸载前的水平，且略超过原索力，如C3 测点（对应S12 索）换索前拉力为405kN，换索后拉力为412kN。从卸载到张拉后的索力分布如图9 所示，除了换索张拉的S11’索力增大稍明显外，其他11 根径向索的索力增值相似，总体比较均匀协调。图10 显示C1～C4 测点径向索索力的变化，S11’索卸载后，C1～C4 径向索的索力下降明显，下降比例均超过20%，其中，C1～C3 下降比例相似，C4 因在S11’索正对面，受影响较大，索力下降达到27.3%；换索张拉后，索力恢复并略超原值，符合预期。

图9 径向索从卸载到张拉后索力分布图

图10 C1～C4 径向索全过程索力变化图

监测数据还显示在S11’索卸载后直至重新张拉前的一段时间里，有2 根径向索索力增大，1 根索索力减小，其他索力几乎没有变化，说明随着时间推移，各索之间的索力会整体自然平衡。

以上监测数据表明，与换索前相比，换索后屋盖结构的竖向变形、各索索力、钢网格结构的应力均相差不大，符合原设计的要求，屋盖结构整体上基本恢复原状态。

4 相关问题探讨

4.1 非结构件对于结构刚度的影响

对比监测结果与模拟计算数据，几项控制指标的变化历程和分布形态在各阶段基本保持一致，数值也相近，但还是有一些差别：换索后实际监测的索拉力偏大、卸载竖向变形偏小、钢网格应力偏小。这表明屋盖结构的实际刚度比理论模型要大，究其原因主要有两个：一是使用状态下的次结构如马道和檩条、围护幕墙龙骨、机电管线支架、装饰配件龙骨等均已安装完毕，它们与主结构连接形成混合空间结构，在一定程度上增大了主结构的刚度，但在进行结构计算时它们仅作为荷载体现；二是原结构设计计算模型将钢网格外端部钢柱与下部主结构的连接设为铰接，但施工图上的做法为只对钢柱腹板焊接而放开翼缘，这种铰接节点具有半刚性的性质，屋盖的实际刚度本就比结构计算模型偏大些。

4.2 卸载拆索前原结构是否要反向回拱卸载

在屋盖结构正常施工安装过程中，已经产生了一定的竖向变形，至使用状态时后续安装的其他建筑构配件和设备设施等继续增加了变形。如果拆索前先将屋盖结构向上反顶回拱进行整体卸载，然后换索，更符合结构设计的基本概念，但会带来其他问题：

（1）对于围护系统和其他设施、装饰等在屋盖结构成型后施工的部分，回拱相当于施加了一个反向的强迫变形，可能导致其形体受损或工作性能下降。

（2）换索施工相当于把屋盖整体的荷载一次性施加在结构上，由于索承结构的非线性特性，即使进行回拱，也不能完全达到原施工过程逐步加载的最终状态。

（3）上弦钢网格的平面外刚度相对偏弱，如果屋盖各点竖向变形同比例反向回拱恢复，则要求设置的支撑点较多，不仅施工过程复杂，对索拉力产生影响，也难于实际操作。

从本工程换索监测结果来看，不作回拱实际效果也较好，综合考虑，可以不作回拱。

5 结论

使用状态下进行索承网格结构高空换索，技术复杂、施工难度大、安全风险高。采用“高空拆索、高空换索和高空张拉”方法进行高空换索施工，合理设置支撑架是保证换索过程中整体结构安全的重要措施；应预先设定施工控制参数保护已完建筑设施，布设针对性监测及时获取过程数据，更换完成后，屋盖结构的整体状态应与原结构基本一致。本文的研究为类似工程的设计和施工提供了非常实用的思路和方法。