弦支穹顶钢结构体育馆的结构体系与施工技术

吕 刚

（中国京冶工程技术有限公司深圳分公司，广东 深圳 518000）

本文主要是通过对钢结构数据、施工方案、结构设计等，在施工作业中的对比，来对国内率先采用弦支穹顶结构体系的安徽大学体育馆、常州体育馆、济南奥体中心体育馆3个钢结构工程的预应力方案（安装胎架的设置、张拉控制原则和分级张拉过程）、结构安装方案进行对比研究。同时对其结构设计、节点及建筑形式进行简要的介绍。

1 工程概况

1.1 安徽大学体育馆

为了能够拥有良好的采光，安徽大学在体育馆建设时，屋盖正中央设计了一个外接直径为24m的正六边形采光玻璃天窗。它的建筑总体是钻石椎状，屋盖是边长47144m正六边形钢屋盖，覆盖总面积为11694m2。屋面坡度是12b，局部凸屋面坡度15b，矢夸比1P816。边柱距为43188m，柱外网外接圆最大直径外围871757m，最大挑檐为6m，屋盖最大高度11155m，建筑总面积为12809m2。

1.2 常州体育馆

作为市区主题场馆，常州体育馆要求能够容纳6000人。在基础结构上，体育馆下部基础要求会比较高。它采用全现浇钢筋混凝土框架结构体系，主体柱网要求是814m×712m。它需要支撑混凝土环梁，以此保证支持屋盖。这个体育馆呈椭球形，屋盖曲面面积为93591939m2。平面投影轴，分别为120m、80m。最大高度为37m，屋盖矢高为23m，能够覆盖75021282m2。

1.3 济南奥体中心体育馆

为了满足市区人民的日常需求，济南奥体中心体育馆位置离主城区比较近。附属场馆配置也比较多，而且日常接待的赛事也比较多，算是一个非常大的场馆区。体育馆总体是个圆形建筑物。建筑总面积为512万m2。其馆顶屋盖是半球形，矢高为1212m，最大对向距离为122m。场馆内设计要求至少可以容纳10000人上座，所以整体覆盖面积差不多有11631m2。另外，在顶部也设计了一个覆盖面积为12096m2，215m高，直径271792m的风帽，在室外配置了大量的篮球场馆。

2 弦支穹顶屋盖钢结构的施工技术方案选型和相关的重点、难点

结合本文提出的几个案例。弦支穹顶屋盖钢结构施工均在体育场馆土建完成施工后进行。就具体情况提出方案。一般情况采用吊装、升顶和常规脚手架散装三套方案。

2.1 吊装

此次钢结构施工是在土建完成的基础上面安装的，因此，吊车无法进入场地，在制定吊装点进行施工。所以这套方案是行不通的。

2.2 升顶

基于土建看台完成，升顶施工需要重新搭建作业面，其造价比较高，所以这套方案也不可取。

2.3 脚手架空间散装

结合施工现场实际情况，本次施工采用脚手架空间散装方法。必须说明，弦支穹顶施工空间量（跨度、高度）和焊接量都比较大，所以需要注意很多问题，比如脚手架拆装安全、张拉过程变形监控以及钢结构屋盖弦支穹顶下弦环索张拉和拉杆张紧工艺和焊接温度应力和变形的预防和控制等。

3 结构设计体系对比

3.1 安徽大学体育馆

正六边行是安徽大学体育馆主题造型，首先其屋盖钢网壳采用截面大，矩形钢箱梁焊接的双向矩形截面钢构件单层网壳。在它六个脊线处各自有一个钢箱梁作为主钢箱梁，其余部分径向的钢箱梁是次钢箱梁。而钢屋盖是采用截面积较小的矩形冷成型钢管，它分别构成了4个径向和环向预应力拉杆和拉索。撑杆是上下铰接的方式，使用的是圆钢管。顶部采光盖与外沿则设有一个三管桁架闭合圈，它可以为支座所受的水平推力做一个缓冲。这样主梁，拉索跟外环桁架就基本构成了整体骨架。钢屋盖最大高度是291890m，整体才用了30根钢柱支撑，每根柱子之间的间距是81776m。分别分布于各角点，与六边形边上。它们与屋盖的小脚高度为181290m。

3.2 常州体育馆

外围采用联方型网格，中心点则才用K8（凯威特）网格。这就构成了常州体育馆的椭球形钢网壳屋盖。所有索系采用Levy索系，并分设径向索与环向索（6环），网壳杆件、撑杆（上下铰接）都采用圆钢管。所有部位节点采用铸钢节点，网壳其他节点则使用相贯节点。因为所有竖向荷载都是通过环向布置的径向拉索与竖向刚性撑杆由内向外将结构的荷载转换至最外圈结构环梁上的，所以在下部混凝土环梁上另设24个支座。

3.3 济南奥体中心体育馆

上、下单层网壳与弦支索杆体系构成了济南奥体中心体育馆的钢结构屋盖。在顶部网格，也是同样才用了K8网格，并加以葵花网格混合使用。S索夹通过固接与撑杆下端相连，网壳沿各径向通过铰接的方式与撑杆上端相连。而下部则由3个环向索（采用外包双层PE的1 670MPa级半平行钢丝束）和造钢棒（Q345级）采用组成的环形肋组成。跟常州体育馆一样，所有杆件采用圆管钢，节点是采用铸钢节点以及少量的相贯节点。焊接球节点则是外部支座节点通过各索肋、锚栓等各骨架部位连接下部固定结构。

3.4 主要设计数据对比

3个场馆的建设中，很多构造部位都是不同的，当然也还是有相同点的。下面，笔者整理出了相关数据的表1，以此来就数据进行分析探究。

表1 主要数据对比

3.5 主要节点设计对比

三个场馆建设的上下端节点都各有自己特有的设计，就上端节点来看，安徽大学上端的撑杆与上弦采用的是单耳板连接；常州体育馆撑杆上端节点为由铸钢球形撑头、球头夹和撑杆杆体构成的球铰；跟安徽大学类似的是济南奥体中心体育馆也是采用的单耳板连接。就下端节点的连接方式来看，安徽大学采用的是跟上端一样的单儿板连接。在连接处还增加了加劲肋，撑杆下端节点板都必须与环向索、径向杆相连。网壳各管之间的也采用焊接连接。最后，济南奥体中心体育馆与常州体育馆下端节点是一样的。都是由索夹和耳板销轴节点组成。索夹则是固定上端的环向索，耳板销轴则是连接下撑杆与径向锁头。

4 钢结构网壳工程安装方案

4.1 安徽大学体育馆钢网壳安装方案

根据现场实际的施工情况，可以提出安徽大学体育馆安装的总体思路。屋盖主要由主箱梁、次箱梁、内外桁架、吊杆及拉索等组成，在调运这些材料的时候，起吊设备必须根据实际需要选用，比如，主梁最大跨度是30m，上弦最大标高是2611m，吊装时，吊装半径就不得小于6m，吊点高度必须大于30m等。在安装之前，临时承受屋盖荷载（吊装结束后可以拆除）要在内桁架与主箱梁交接处分别搭设一组高空胎架。

4.2 常州体育馆钢网壳安装方案

铸钢件的定位精度直接影响钢结构屋盖的安装，而常州体育馆屋盖节点施工中都是采用的铸钢件。所以为了保证安装质量，必须把握好其定位精度。所以，我们特此设计了一套方案：满堂脚手架（采用D50的标准脚手架及架设于钢网壳屋盖范围内）与支撑架（采用型钢和圆钢管及架设于偶数环向索下方）混合使用。这些辅助设备在焊接结束后可以全部拆除、卸载。钢网壳屋盖在吊装过程中主要以单个铸钢件为起吊单位，在现场需地位2台27027塔吊和1台5613塔吊配合施工使用。然后环向管和径向管交替安装，最后采用对称环形焊接进行焊接。

4.3 济南奥体中心体育馆钢网壳安装方案

与常州体育馆类似的是济南奥体中心体育馆也同样采用了满堂脚手架对钢结构屋盖进行安装施工。同时，再次场馆的建设中，也是布置了胎架，它分布于脚手架中间部位作为支撑使用，因为会有大量的构件吊装到脚手架上进行高空散装。在这一场馆网壳安装的安装中，是由外部节点和杆件向内对称以两个单位节点安装的，因为体育馆的网壳是十字交叉状。所以需在补全十字构件中间的杆件后对网壳中心的风帽节点与杆件进行安装。最后完成弦支构件的安装。在这里要强调的是，在焊接的过程中，为了最大限度的减小结构变形不应该发生重复环间变形，因此采用先内后外，先焊内圈接口在焊圈外接口，以及遵循奇偶交替的原则进行焊接。

5 预应力张拉方案

5.1 安徽大学体育馆预应力张拉方案

在张拉控制时必须要遵循伸长值控制辅助拉杆力控制的原则。安徽大学体育馆在建设的时候采用径向杆张拉，张拉端在径向杆的中间，张拉节点位于径向杆连接套筒处，这样设计是为了建立结构所需预应力。然后根据事先设计好的张拉力标准值，通过油泵将油压施加到2个千斤顶，最后调节套筒以达到所需施加的力。实施拉索预应力时，分为三个阶段，第一阶段张拉至设计标准值的3成；第二个阶段拉至70%；第三阶段就是拉满。这里可以注意到，它是依此拉满的。而且，在张拉时要同时使用6套张拉设备进行，张拉顺序是千斤顶外圈往中间移动的，每次张拉6个单位的径向拉杆也就是一圈。在张拉是要求支座必须固定，通过预应力施加让其余网壳脱离。

5.2 常州体育馆预应力张拉方案

根据常州体育馆的工程特点，采用环向索张拉法在结构中建立所需的预应力。与安徽大学体育馆一样使张拉索之间的距离经过前三个阶段得到控制后。环向索力便是最后一阶段主要是需要控制的。并在需要时对其进行适当的调整。要注意在结构安装时支座滑动，需在拉索张拉前落下支架且固定支座。采用双向控制的原则控制好拉索的张拉，保证期线性不变，撑杆垂直度均匀，环向索力均匀；并且，为了能在实际张拉时控制好张拉力和索段距离，必须主要控制环向索力和撑杆垂直度，还要分层同步的控制相同环的环向索以此来控制结构形状与所受内力。

在所有结构安装完后，从外向内逐一张拉拉索。在短轴和长轴附近设置4个张拉点在前3个环向索；最后在长、短轴附近的环向索沿45b方位的环向索每环设置由2台千斤顶、1台油泵、1套张拉工装组成的8个张拉点。

5.3 济南奥体中心体育馆预应力张拉方案

径向钢拉杆张拉法施加预应力是济南奥体中心体育馆在施工时所采用得方案。做好网壳拼装已经固定好支座以后，便分两个阶段开始对径向拉杆进行张拉，并且张拉过程中，同环内的径向拉杆分级同步进行张拉。最初阶段，从外环向内开始张拉，需达到0～50%；第二阶段则是从内环向外开始张拉，在第一阶段的基础上达到满预应力。在第一阶段张拉结束后，结构为一完整弦支穹顶，而且在张拉时，主要结构网壳是单层的，很容易出现安全隐患，所以必须在第一阶段保证支架不落仍然支撑网壳。同时为了保证支架不受张拉的影响，在第一阶段结束后，必须将所有支架脱离结构。当然在所有张拉结束后就可以安装构造索了。

6 结语

安徽大学体育馆、常州体育馆和济南奥体中心体育馆3项工程是在采用弦支穹顶这一新型结构体系后在我国比较成功的样板工程。随着时代的进步，我国各地的建设项目也多起来了，随之而来的空间结构建设也迅速发展。笔者结合实际通过对以上三个主体场馆建设中钢结构的几个要点进行了逐一的分析、解答、总结、希望可以从中让同行业者们能够得到一些启示，以此来共同探究这一课题。

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