国家跳台滑雪中心预应力拉索张拉施工技术

黄永银

(江苏沪宁钢机股份有限公司，江苏 宜兴 214231)

0 引言

随着预应力的引入，建筑钢结构的结构形式创新不断，北京2022年冬奥会张家口赛区国家跳台滑雪中心主场馆呈现“如意”造型，柄首顶部采用了预应力钢结构体系(见图1，图2)。在建筑钢结构的基础上，增加预应力拉索，实现在满足结构刚度和稳定性的前提下，充分挖掘钢材强度潜力，改善结构受力状态，提高结构的承载能力，同时降低钢材用量，节约成本。充分体现“科技冬奥”“绿色冬奥”的理念。

1 工程概况及特点

1.1 工程概况

国家跳台滑雪中心顶部建筑由钢结构与预应力拉索组成，钢结构仅依靠位于中后端的四个核心筒支撑，四周均为悬挑，其中前端悬挑长度37.25 m。预应力拉索布置在结构体系内，为空间曲线形式，由外直索、内环索和径向索组成，拉索主体位于屋面钢桁架上表面，其中外直索和内环索由屋面通过索鞍变角斜向下锚固于结构上，径向索和内环索连接支座允许径向滑移。拉索采用φ76 mm,φ95 mm两种直径的Galfan密封索。拉索布置示意图见图3～图6。

1.2 预应力拉索特点

1)本工程预应力为结构体内空间曲线预应力，预应力拉索主要作用为改善整个结构的刚度和增加结构安全储备。

2)本工程结构及拉索均沿外圆及圆环中心连接轴线对称。

3)环索与钢结构的连接节点多，张拉阶段索夹与索体之间允许相对滑移，索夹与钢结构之间允许径向滑移，为一种动态平衡状态。

4)主索端为依靠索鞍向斜下方向锚固于结构上。

5)径向索仅为辅助索，径向索轴线汇交于内圆圆心，不同部位索长不同。

6)同一根主索、辅助索各锚固点标高不同。

2 张拉施工的重难点

2.1 张拉方案的确定

预应力张拉方案确定时一般应遵从：关联性、安全性、经济性、高效性四项原则[1]。本工程拉索具有数量多，索力各异，锚固点多，且大部分锚固点位于高空等特点。根据设计要求及施工组织安排，预应力张拉在钢结构临时支撑卸载后进行，张拉完成后即转入幕墙结构施工。考虑施工方便，提高施工效率，节约施工工期，同时尽量降低张拉同步性的要求，以减少张拉设备和施工人员的投入。经模拟计算，确定将主索尾部位于楼面处的锚固端作为张拉端，只张拉外直索和内环索，径向索作为被动受拉辅助索不进行张拉的平衡张拉施工方案(见图7，图8)。张拉完成后复测锚固端的索力值是否满足要求，对不满足要求的索进行补张至设计偏差要求范围内。

2.2 张拉的同步性

1)采用只张拉主索、径向索作为被动受拉辅助索不进行张拉的平衡张拉施工方案，降低张拉同步性要求。

2)外直索一端作张拉端，另一端做锚固端，进一步减少同步张拉工位数量。

3)通过1拖2或1拖4的千斤顶，由一台油泵进行控制，结构对称的两侧由同一人统一指挥实现张拉的同步性。

4)采用分级张拉，索力和伸长值双控方案，索力到，伸长值较小端下一级张拉时优先补张拉至相同伸长值，多级张拉降低同步性影响。

2.3 变角张拉索力的传递

1)索夹孔道内增加不锈钢板和聚四氟乙烯板，同时索夹上盖连接螺栓不拧紧，减小拉索与索夹的摩擦造成索力传递损失。

2)分级张拉：按照模拟计算理论张拉力的20%，40%，60%，80%，100%，110%，103%，分七级进行张拉，张拉过程采用索力和伸长值双控原则，使索力缓慢均匀传递至锚固端。

3)张拉端超张拉至设计索力值的110%(在规范允许偏差范围±10%以内)[2]，然后回退至103%锚固(设计要求锚固端索力锁定值与理论值的误差应该控制在5%以内；张拉端的误差应控制在8%以内)，复测锚固端的索力值是否满足要求，对不满足设计偏差要求的索进行补张至设计偏差要求范围内(见图9)。

2.4 结构安装偏差对张拉施工的影响

1)在工厂里按照图纸对拉索进行编号和精确标记。根据初始预张力和各索体长度，在索体表面上标记索夹的位置以及索头螺杆外露长度。安装前量测钢结构构件的安装偏差，在现场进行索夹的安装。

2)拉索安装前应测定索长制作误差以及索端节点的安装误差，根据实测误差值，调整索长。

3)除需与结构拼装后整体吊装的索夹外，其余索夹均在结构安装完成后根据实测位置后装，减少结构误差对拉索施工的影响。

3 施工流程

预应力钢结构施工流程图见图10。

4 拉索的张拉

4.1 张拉原则

1)同时张拉外侧直索A轴2个张拉端和G轴2个张拉端；2)同时张拉内侧环索B轴2个张拉端和F轴2个张拉端，各榀一次张拉到位，其中分七级张拉。

考虑到索鞍导致的预应力损失较大，控制张拉力在理论张拉力的基础上超张拉至110%，然后回松至103%。张拉力控制均为双索拉力总和。

4.2 单次张拉分级

同一次拉索张拉时应逐级施加拉力，分七级张拉程序：预紧→20%→40%→60%→80%→100%→110%→103%。

4.3 张拉顺序：对称张拉

1)同时张拉2根直索LS1-1和2根直索LS1-2，共4个张拉端头。

2)直索张拉完成后，同时张拉环索LS1-3 2个端头以及LS1-4 2个端头。

4.4 拉索张拉时机

施工工序排序为：先卸载临时支撑，进行拉索张拉，后浇筑楼面混凝土。张拉时机是在钢构安装完成且支座条件符合设计要求后，进行拉索张拉。楼面荷载有利于预应力，不需要在楼面混凝土施工完成后二次张拉。

4.5 拉索张拉控制项目及其目标

根据张拉分析，结构刚度较大，因此拉索张拉主控索力，张拉完成后，复测各索索力满足设计及规范要求。

4.6 张拉过程模拟计算及结果分析

采用有限元软件Midas/Gen，对关键位置的索鞍和索夹采用梁单元释放两端弯矩，模拟张拉过程，进行施工全过程力学分析(见图11)。

施工张拉完毕，各索拉力理论值和实测值如表1所示。

表1 各索拉力理论值及实测值

由表1可知，张拉完成后，各索索力值偏差满足设计要求，施工方案可行。

5 结语

预应力张拉方案的选择不仅要考虑成形效率及可操作性，还应与整体施工方案相关联，综合考虑成形过程中结构及人员操作的安全性、张拉效率、施工工期等，同时关注经济性。本文对北京2022年冬奥会张家口赛区国家跳台滑雪中心主场馆预应力拉索平衡张拉施工技术进行介绍，针对工程拉索数量多、索力各异、锚固点多，环向主索与径向索相互关联达到动态平衡状态的特点，通过计算模拟，提出将主索尾部位于楼面处的锚固端作为张拉端，只张拉外直索和内环索，径向索作为被动受拉辅助索不进行张拉的平衡张拉施工方法。通过现场对施工过程的监测，拉索张拉控制项目及其目标满足设计要求，方案可行，为以后类似项目拉索张拉和索力控制提供借鉴并开拓了思路。