高空大跨度索桁式弦支结构的施工与监测

金 振 刘海安 吴小伟 闫海飞

1. 广厦建设集团有限责任公司 杭州 310013；2. 浙江省建工集团有限责任公司 杭州 310012；3. 浙江精工钢结构股份有限公司 绍兴 312000

1 工程概况

乐清体育中心位于浙江省乐清市旭阳路，其中体育馆建筑面积22 155 m2，南北长约为148 m，东西宽约为128 m，屋面最高标高为28 m，上部覆盖刚性屋面。屋盖结构采用索桁式弦支结构，由单层曲面网格结构和空间索桁结构杂交而成，内圈是弦支结构，外围是索桁结构，结构轴侧图如图1所示。体育馆周边的V形柱和上下环梁形成的环形桁架作为屋盖支撑体系。

图1 结构轴侧示意

索桁式弦支结构的索系由径向外斜索、径向内斜索、外环索、内环索和吊索组成，索桁式弦支结构剖面如图2所示。所有拉索均采用柔性索，通过两端索头与相应节点销轴连接，主结构拉索采用Galfan（高钒）光面索。外斜索截面为Φ7 mm×121 mm，外环索截面为Φ7 mm×301 mm， 内斜索截面为Φ7 mm×19 mm，内环索截面为Φ7 mm×31 mm。径向梁截面为□500 mm×400 mm×16 mm×18 mm和□800 mm×400 mm×25 mm×25 mm，径向梁间内环梁截面为□500 mm×400 mm×16 mm×18 mm，外环梁截面为Φ273 mm×10 mm。

图2 索桁式弦支结构剖面

2 施工方法[1-2]

索桁式弦支结构必须要在结构中建立预应力，通过张拉具有足够的刚度，以承受荷载和维持形状。弦支穹顶结构一般采用搭设满堂脚手架，在脚手架上组装索系，然后进行各索的张拉。但本工程屋盖采用的是索桁式弦支结构，空间更复杂，施工难度更大，显然搭设满堂脚手架的施工方法费用高、工期长，而且将长索吊运至脚手架平台上展开和组装的施工难度非常大。根据工程索系的特点和施工条件，采用“低空无应力组装， 空中牵引提升，高空分级同步张拉”的施工方法，其中外围环索采用低空组装同步提升，径向外斜索分2 段进行提升，内圈弦支结构在地面组装后整体提升；预应力施工采取分批分级同步张拉径向内外斜索施工技术。

2.1 施工流程

安装网格结构支撑胎架→安装内圈曲面网格结构→安装外围曲面网格结构→低空无应力组装外环索，并安装提升工装和垂直提升千斤顶→提升外环索及径向外斜索，并安装撑杆和索夹→外环索带动径向外斜索1提升到位→在屋面径向钢梁上展开径向外斜索2，并安装吊索夹→牵引径向外斜索1，使其自由端穿越径向钢梁的预留孔→安装径向外斜索2下的吊索→对接径向外斜索1和2→提升径向外斜索2至上环梁位置→连接径向外斜索1的索夹与撑杆→将撑杆3与外环索索夹焊接→调节外环索夹空间位置，同步张拉径向外斜索→拆除外围支撑胎架→地面组装内圈弦支索杆→整体提升内圈弦支索杆→同步张拉径向内斜索→拆除中心支撑胎架

2.2 单层曲面网格结构安装

2.2.1 支撑胎架安装

支撑胎架采用8 个钢结构格构柱，将支撑胎架搭设至单层曲面网格结构和空间索桁结构位置，并在格构柱之间采用水平钢梁连接以提高整体稳定性。

2.2.2 内圈曲面网格结构安装

先安装内圈曲面网格结构，再安装外围曲面网格结构。安装内圈曲面网格结构时，先将最中心位置的径向梁交叉节点单独作一个节点进行吊装。然后整段吊装通长径向梁，通长径向梁之间的环梁和径向梁组成一个单元在地面拼装完成后整块吊装。

2.2.3 外围曲面网格结构安装

采用按区块对称同步安装的方法进行吊装施工，即先对称同步安装2 个区块，然后再对称同步安装相邻的2 个区块，以此类推，直到全部安装完成。具体如下：

首先，按顺时针分段吊装径向梁；接着，对称吊装相邻的径向梁；径向梁吊装就位后先用临时连接耳板固定，然后吊装该区块径向钢梁之间的环梁；环梁吊装到位后采用连接耳板临时固定，等径向梁之间的环梁全部吊装完成后，再次复核径向梁轴线和标高并校正偏差；最后进行径向梁的正式焊接。

径向梁焊接顺序从一侧开始向另一侧推进，这样的焊接方式可以用环梁作为主梁的拘束度，以减小径向梁焊接变形；同时，避免了“双杆单焊”所可能造成的热裂纹。径向梁焊接完成后进行该区块环梁的焊接。采取“分区进行、每步归零”的焊接原则，有效避免了长距离误差积累，同时在相对较短的区域和时间段内进行局部合拢，合拢温度为20 °C±2 °C，避免产生较大的应力。

采用按区块对称同步安装的方法进行吊装施工，最后外围曲面网格结构分别在长轴两端完成合拢形成整体，整个曲面网格结构分别搁支在8 个钢结构格构柱上。

2.3 拉索安装

2.3.1 外环索安装

外环索在其平面投影区域的1层楼面上内低空无应力组装，如图3所示。外环索在安装时，保证与吊索偏摆方向和偏摆量的一致。然后在外环索垂直平面上的钢环梁位置安装提升工装，并安装垂直提升千斤顶，如图4所示；在索夹两侧设置吊点，外环索与索夹组装完成后利用垂直提升千斤顶同步提升外环索。

图3 外环索低空无应力组装

2.3.2 径向外斜索1安装

首先将径向外斜索1与环索通过环索夹进行对接。根据环索夹与看台的远近分2 种情况进行安装。当环索夹与看台距离较近时，环索提升到与看台外边相同标高位置，然后与径向外斜索直接连接；当环索夹与看台距离较远时，径向外斜索直接在地面与环索连接。

当所有径向外斜索1与环索连接完成，继续同步提升环索，当提升高度达到方便安装径向外斜索与撑杆连接索夹的高度时，安装索夹完成撑杆与径向外斜索的连接。当所有径向外斜索1与环索连接完成后，继续同步提升环索至结构设计标高。

2.3.3 径向外斜索2安装

首先在钢梁上表面搭设铺装平台，然后在场内采用汽车吊将径向外斜索2吊至径向钢梁上，将径向外斜索2在径向钢梁上展开。

在钢结构上环梁的上部安装室外斜索提升装置，先牵引径向外斜索1另一端索头，使之穿过径向钢梁预设孔（图5），并与径向外斜索2连接。索夹安装时，严格按外斜索索体表面的标识位置进行初步定位，然后通过预紧来调整位置。完成径向外斜索1与径向外斜索2的连接后，通过径向外斜索2提升装置牵引径向外斜索2索头，将整根外斜索牵引到位后将其与外环钢梁耳板连接。

图4 垂直提升千斤顶安装

图5 穿越节点

2.3.4 吊索、撑杆与索夹的连接

径向外斜索对接完成后，初步调整外环索索夹定位方向，然后进行吊索与索夹、撑杆与索夹的连接，再次调整外环索索夹定位方向，再将吊索与索夹固定，撑杆与索夹采用焊接连接。

2.3.5 内圈索系安装

外围索系安装完成后，安装内圈索系。内圈弦支结构的索杆全部在其地面投影位置组装完成，先安装内环索，再安装内斜索，内环索与内斜索通过索夹进行连接，然后整体提升到结构标高位置。

2.3.6 安装注意事项

施工前仔细核对节点的位置和方向，注意节点耳板方向。在工厂里对拉索进行严格编号和精确标记。按照初始预张力和制作长度，在索头调节装置上标记设计索长的位置。安装前尚需量测实际关键节点的安装偏差，根据这些标记和节点安装偏差，在现场进行拉索的安装，并调节索长。索夹安装应严格按径向索索体表面的标识位置初步定位，然后通过预紧来调整位置。

2.4 预应力施工

建立初始预张力是索桁式弦支结构的关键问题，本工程屋盖由内圈弦支结构和外围索桁结构2 个不同类型的体系组成，具有明显的创新性，给预应力施工带来了新的挑战。针对本工程预应力体系的特点，采取分批分级同步张拉的预应力施工技术。

2.4.1 张拉方案

本工程外围索桁体系由径向外斜索、吊索和撑杆组成，一端与钢环梁连接，另一端与环索连接。径向索杆与钢梁受力情况比一般的弦支穹顶结构复杂，如果只通过张拉环索而使各榀径向索的杆件内力达到设计值难度较大，对钢结构和索系的安装精度要求极高。因此，根据本工程结构体系的特点，确定采用径向斜索张拉法在结构中建立所需的预应力。

内圈弦支结构和外围索桁体系在结构受力上相对独立，通过对先张拉外围再张拉内圈的施工模拟计算可知：内圈预应力施加完成时，外围弦支体系的索杆内力变化不大。因此，本工程体系预应力建立采用“先外后内”的施工顺序，即先张拉外围径向斜索至设计预张力，再张拉内圈弦支结构的径向斜索。

2.4.2 径向斜索张拉端位置选择

外围索桁结构的径向外斜索选择在靠近外环索端进行张拉，内圈弦支结构的径向内斜索在靠近外环索上部张拉，张拉位置如图6所示，张拉位置的选择主要从以下3 个方面考虑：

图6 内外斜索张拉顺序

（a）外环索提升安装时在外环索垂直面上部的内环梁上提供工装及千斤顶，在径向索张拉时方便将工装及千斤顶转运至径向索索端；

（b）内外径向索的张拉端在同一垂直面内，方便张拉工作的倒换；

（c）外径向索靠近外环索端张拉，张拉力直接传递给外环索，在张拉至径向索设计值时，外环索内力也可准确判断。

2.4.3 张拉机具

进行张拉的径向外斜索为24 根，径向内斜索为8 根。采用2 个千斤顶同时张拉施加预应力，鉴于施工时最大张拉力约为1 100 kN，选用YCW60B型千斤顶进行张拉，选用YCW150B型千斤顶作备用。张拉时拉索张拉力保持均衡，因此张拉时每台油泵控制2 台千斤顶。共需千斤顶8 台，油泵4 台。

2.4.4 分批分级循环张拉

为有效节约施工成本，保证预应力施工过程结构安全，内圈和外围索杆体系采用分批分级循环张拉的方法，先分批张拉径向外斜索，再分批张拉径向内斜索。张拉顺序为：第1批张拉外斜索1、外斜索7，第2批张拉外斜索4，第3批张拉外斜索5，第4批张拉外斜索3，第5批张拉外斜索2，第6批张拉外斜索6，第7批张拉内斜索1、内斜索3，第8批张拉内斜索2（图7）。

图7 斜索示意

（a）第1阶段：分级张拉径向外斜索，10％→50％→90％→100％。

（b）第2阶段：分级张拉径向内斜索，10％→90％→100％。

每个阶段又分批进行张拉，第一阶段每级分6 个批次（预紧至10％不分批），第二阶段每级分2 个批次（预紧不分批）。当径向外斜索张拉至目标索力的90％时，整个结构和胎架脱离，此时拆除支撑胎架。

2.4.5 张拉注意事项

为保证内外斜索索力的均衡，每一批拉索应同步分级张拉。千斤顶与油压表需配套校验，标定数据的有效期在6 个月以内。

千斤顶张拉过程中，油压应缓慢、平稳，并且边张拉边旋转调节装置。严格按照标定记录，按计算拉索张拉力控制千斤顶实际张拉力。张拉过程统一指挥、协调管理。拉索张拉过程中停止张拉结构其他项目的施工。

3 施工监测[3]

预张力张拉过程是结构动态变化的过程，是结构从零状态向成形初始状态转变的过程。由于钢结构安装误差、拉索制作、安装和张拉误差、分析误差以及环境影响等原因，实际结构状态与分析模型存在差异，因此对预应力施工过程进行了监测。

3.1 监测内容

对钢索内力采用磁通量、加速度传感器进行监测；对刚性构件（环梁及径向钢梁）应力采用应变传感器监测；对钢结构及索体表面温度采用气温测量仪、光纤光栅传感器监测。

3.2 监测结果

（a）通过对张拉过程进行监测发现温度对索力的影响较大。温度对索力的影响规律明显，即温度下降索力增加，温度升高索力减小。索力的数值在张拉过程中呈波动但缓慢上升的特点。进入屋面板施工后，索力数值进一步呈增大趋势，波动现象仍然明显，但幅度没有张拉阶段大。总体上，索力变化与屋面板施工进程符合较好。

（b）径向梁和上环梁的应力变化总体上较符合施工过程的结构受力变化规律。无论是张拉阶段还是屋面板施工阶段，在径向梁和上环梁上监测的应力较小，径向梁应力增量大多在30 MPa以内，上环梁大多在20 MPa以内。

（c）将张拉完毕时的磁通量EM索力监测结果与设计张拉力进行对比，大多数拉索的实际预张力与设计值的相对误差在10％以内。

各测点的数据和变化曲线显示，结构应力与应变基本与设计吻合，被测结构处于良性受力状态。

4 结语

根据索桁式弦支结构的特点，采用“低空无应力组装， 空中牵引提升，高空分级同步张拉”的总体施工方法。对外环索采用低空组装同步提升，径向外斜索分两段进行提升；对内圈弦支结构在地面组装后整体提升；结构预应力的建立采用张拉内外径向索的方法，先分批分级同步张拉外斜索，再分批分级同步张拉内斜索。通过健康监测，验证了结构设计与施工的科学性与有效性。