滁州奥体中心体育场预应力拉索施工及监测技术

张国栋，陈东桥，高先占，姜 忠，李 森

（1.上海同磊土木工程技术有限公司，上海 200433；2.浙江江南工程管理股份有限公司，浙江 杭州 310012；3.上海固隆建筑工程有限公司，上海 202150）

0 引言

近年来有较多的预应力结构体系运用在大跨度体育场建筑，预应力有着布置灵活、结构轻盈、总用钢量低的特点受结构师的青睐。但是预应力体系的特点是钢索张拉完成前结构尚未成形，整体刚度较差，因此必须经过有限元分析和编制专项施工方案［1-4］。

本文通过分析滁州奥体中心体育场施工的重难点和施工过程模拟计算对指导施工专项方案编制的意义，给同类型开口式大悬挑体育场预应力施工提供一定的参考。

1 工程概况

滁州奥体中心体育场项目位于滁州市滁州大道东，明湖西岸半岛，总投资 12.4 亿元。项目占地约 1 100 亩，总建筑面积约 13.4 万 m2，是 2022 年安徽省第 15 届运动会主会场。包括一座体育场（40 000 座）、体育馆 （6 000 座）及游泳馆（1 500 座）、体育生态公园、全民健身活动中心及其他配套设施。三馆屋盖通过形似绸缎般柔软的飘带相连，配合其青色花纹犹如美妙的青花瓷形态。绸缎锦绣绚丽，青花高贵典雅，二者形态连贯，共同造就了一副如诗如画的魅力画卷［1］。

2 屋面索结构体系

体育场屋盖挑篷整体为马鞍型（见图1），屋面呈现东西高，南北低的变化趋势。屋面最高点约为 46.0 m，最低点约为 28.0 m，檐口最高点为 41.5 m，最低点为30.0 m。结构平面投影近椭圆形，东西向长轴方向为250 m，南北向短轴方向为 263 m。

图1 滁州奥体中心体育场

体育场采用悬挑桁架结构（见图2），东西看台最大悬挑长度为 39.2 m，悬挑桁架采用 64 榀径向布置的2.5～4.0 m 的变截面三管桁架。看台采用分叉柱支承，背后采用斜拉索平衡，通过“A 字撑”作为受压撑杆。沿环向布置一圈封边桁架与一圈环桁架将径向桁架联系成一个整体，共同受力。屋盖主承重结构包含径向桁架、环向桁架及索撑结构。

图2 单榀桁架结构

本工程上拉索采用φ92 双 PE 索，下拉索采用φ92 双 PE 索或φ100 双钢棒。PE 索抗拉强度为 1 670 MPa，钢棒抗拉强度为 650 MPa，索头均为热铸锚，上、下拉索连接处设置调节螺杆。

3 施工重难点分析

1）高强预应力索张拉施工难度大。本工程体育场为最大悬挑跨度 39.2 m 的背部斜拉张弦桁架结构体系，此类结构在预应力拉索施工之前屋面刚度偏弱，预应力索在张拉过程会形成力二次分配。并且预应力索张拉顺序对屋面变形、安装质量有非常大的影响，注重安全、效率的预应力索施工方案是本工程的重点。

在确定高强预应力索施工方案前会对张拉过程进行施工模拟分析计算，并将施工方案和计算结果报项目部及设计院审核确认。张拉前进行试张拉，并监测结构反拱值，若发现与计算不符或张拉不同步情况，立即停止施工，检查设备并找出原因。

2）高空吊装拉索及高空张拉。体育场结构为背部斜拉索桁架结构，总共 43 榀背部拉索主桁架，在每一榀主桁架悬挑端布置有临时胎架。主桁架背部斜拉索位于主桁架场外最高点，拉索必须在高空进行安装。由于与拉索相连的撑杆在支座处铰接，因此安装拉索同时要将撑杆安装到位，先安装上段拉索才能将撑杆安装到位，然后才能将下段拉索吊装到位。由于拉索与撑杆的连接节点位于看台外，同时又处于三十多米的高空，需要采用卷扬机牵引配合吊车将拉索及撑杆吊装到位。待上下两段拉索与撑杆安装到位以后在撑杆端部架设张拉平台，高空搭设平台有较大的危险，需要充分利用主桁架的构件用钢丝绳拉住，保持稳定。有了牢固的张拉操作平台，高空张拉才能安全实施。

3）索力均匀性。设计要求拉索张拉时要保证同一组 PE 索内力相同，因此一方面需要在深化阶段对钢结构的节点精确放样，同时每根拉索下料均需要精确计算，确保拉索张拉到位有对应形和态，即对应的索长和索力。另一方面由于相邻主桁架拉索的索力由于张拉分批的不同存在相互影响，因此每级张拉阶段都要以控制索力值为目标，保证最终索力与设计预应力保持一致［2］。

4 预应力施工部署

4.1 张拉施工流程

1）在对结构充分理解的前提下提出经济合理的张拉方案。编制详细的索张拉方案和准确的施工数值模拟对结构成型至关重要，如若在对结构体系不了解充分的前提下张拉可能引起结构失稳破坏或造成局部变形过大而不满足设计要求，从而造成对社会资源的浪费。

为实现张拉施工过程中的全过程控制，利用大型空间有限元分析软件进行施工过程模拟，根据钢结构安装方案和张拉方案分解施工计算步骤，对各阶段施工过程进行验算。

2）深化设计、施工一体化。同类型的大跨预应力项目数量较少，导致大多数项目现场出现各不相同的问题，这就需要考验预应力施工单位的应急能力以及解决问题的能力，必要时根据现场情况及时调整施工张拉方案。施工方案流程如图3 所示。

图3 施工方案流程

图4 计算结果和运用

为解决在施工过程中对结构变形和内力的判断，需引入施工过程结构健康监测［3］。预应力施工单位需具备符合要求的检测资格，可以依据本身对张拉方案的理解进行监测设备的布置并在张拉关键时间阶段进行集中监测。

3）注重安全、质量和协作。施工过程中注重安全和质量，对有作业面交叉的单位需加强交流和沟通，协作完成各自工作。

4.2 张拉施工原则

1）由于索结构属于新技术，施工难度较大，需由专业施工单位来进行施工方案的编制及现场操作。

2）图纸所注拉索尺寸为安装完成后的尺寸，索的实际带应力加工长度需由施工单位依据施工过程模拟确定。

4）施工中应密切监测每榀主桁架的变形趋势，符合计算预期值才能继续施工，如果变形和索力出现异常，应立即停止施工，及时向监理和设计人员报告，分析原因，提出切实可行的解决办法和措施后方可继续施工［4］。

4.3 张拉分级及分批

本工程通过分级分批张拉 90 根主动索建立索系预应力。

本项目张拉施工按照下述步骤张拉：由外侧至内侧分批张拉第1级→由外侧至内侧分批张拉第 2 级→由内侧至外侧分批张拉第 3 级。张拉完成后，所有支撑胎架均脱胎。

根据本工程索系施工方案，索施工分解为 9 个施工工况，如表1 所示。

表1 施工全过程分析工况

4.4 双索同步张拉技术

本工程要求同一榀钢结构上的双索同步张拉，需要根据索的连接形式和张拉要求专门进行设计，经精细化分析可知工装最大应力 270 MPa 出现在螺栓开孔处，属于局部应力集中。

4.5 抗风斜撑后装技术

滁州体育场在分叉树柱与上拉索之前布置一道抗风斜撑，其中斜撑的上部与上弦杆刚接，下部与 A 字撑为叉耳式销接节点。

根据设计文件要求结构在建立初始态时抗风斜撑不起作用，故在施工流程中设置上、下拉索张拉完成后再安装抗风斜撑。

5 张拉过程分析

5.1 分析目的

根据体育场钢结构屋盖安装施工总体施工部署，采用北京筑信达工程咨询有限公司的 SAP2000 有限元分析软件进行施工过程分析。计算采用 Staged Construction 工况类型，考虑 P-Delta 和大位移几何非线性效应。分析模型中支撑胎架采用只受压单元，竖向刚度取 40 kN/mm。

张拉施工方法采用索力控制为主，端部悬挑变形控制为辅。施工张拉完毕后索力偏差≤10 %，变形偏差≤10 %。

5.2 计算结果统计

根据张拉施工过程分析结果，张拉过程中体育场结构屋面变形均匀，施工完成终态与设计初始态的位形非常接近。悬挑端最大竖向变形出现靠近1轴主桁架悬挑端部，最大竖向位移为+45.9 mm。

体育场结构施工过程中除索以外构件最大应力为112.7 MPa，拉索最大索力为 1 660.9 kN，根据张拉施工过程分析结果，屋面主结构的应力与设计初始态的应力水平基本一致，构件应力峰值应力相当，满足设计要求。

胎架在分级分批张拉施工过程中逐步脱胎，张拉完成后全部胎架主动脱胎，不需要进行卸载施工。

综上所述，体育场张拉施工方案安全可行。

6 施工过程监测

6.1 变形监测

根据施工过程仿真验算并结合设计院建议，在 15 榀钢桁架悬挑端位置布置变形测点，采用全站仪设备在张拉过程中随时监测。

西侧与东侧拉索张拉自 2021 年 7 月 4 日开始，至 8月 30 日完成，并按照张拉方案进行 5 % 超张拉，张拉过程中进行变形监测，变形趋势如图5 所示。

图5 张拉完成后位移控制点变化趋势

6.2 索力监测

选择 15 榀径向桁架下拉索布设索力测点，采用 EM 索力测量仪在张拉过程中持续监测索内力。

根据施工过程索力监测可知，索内力变化趋势与施工过程模拟计算得到的基本一致且大部分施工索力略大于理论索力，表明预应力导入结构体系与设计方案是吻合的。索力监测趋势如图6 所示。

7 结语

1）本工程在张拉完成后所有支撑胎架均脱胎，能够直观判断预应力是否导入。

2）体育场张拉过程中，结构最大等效应力为112.7 MPa，小于 Q345 钢材的许用应力，是安全的。

图6 索力监测值趋势图

3）通过张拉全过程分析以及布置的变形和索力监测点，绝大部分监测值偏差值均小于 10 %，可以很好地验证及判断结构在施工过程中的安全性和可靠性。Q