南京国际机场交通中心弦支穹顶施工工艺研究

侯 爵

(江苏省交通工程建设局，江苏 南京 210004)

1 工程概况

弦支穹顶结构是结合索穹顶和单层网壳两种结构的优点，立足于张拉整体的概念，将索穹顶的思路应用于单层网壳发展起来的一种新型预应力空间结构形式。该结构形式一方面在单层网壳结构的下部引入索杆张拉部分，改善了单层网壳的稳定性，另一方面用单层网壳结构代替杆穹顶的上部杆系，降低了整体结构的用钢量并具有传力路径非常明确的特点。

南京禄口国际机场二期建设工程交通中心的弦支穹顶钢屋面位于其交通转换圆厅部位。该圆厅屋顶是一个直径为30.3 m，矢高3.655 m，矢跨比0.05 的典型弦支穹顶结构。其上部结构顶标高22.815 m 为单层球面网壳结构，外观为圆形花瓣形状，由七道同心圆环和十瓣菱形花瓣组成，钢梁采用Q235B 钢材，截面为焊接箱形，总重69.272 t。下部结构底标高19.160 m 为钢拉杆体系结构，利用10 根φ102×7 的竖向钢撑杆上端与单层网壳的径向梁铰接，下端通过铸钢件与10 根φ50 环向钢拉杆、20 根φ40 径向钢拉杆铰接，使整个结构形成一个完整的结构体系，具有变形储备大、整体刚度大等优势。

2 施工方案选择

2.1 结构特点

交通中心弦支穹顶结构组成主要有以下特点:单层网壳部分钢梁截面为不对称的焊接箱形梁且为弧形，在构件加工尤其是现场安装的过程中必须严格保证构件的弧度等指标的准确性;结构中主要节点类型有环梁刚性节点、梁柱刚性节点、拉杆铸钢节点，特别是支撑杆和环向、径向拉杆节点采用的是五向铸钢节点，在制作中必须保证完全按照设计模型加工，控制角度及螺纹位置;钢拉杆的安装一方面要求拉杆两端耳板的投影应在一条直线上，保证钢拉杆是二力杆受力条件，同时还要满足铸钢节点的角度限制，安装精度要求极高(见图1)。

图1 弦支穹顶钢结构模型图

综合考虑以上因素，施工过程中通过比选采用了利用工厂预制穹顶上部网壳钢构件，现场搭设满堂脚手架组拼成型后安装下部拉杆体系并张拉成整体的施工方案。

2.2 上部网壳结构组拼

预制钢构件在现场利用满堂脚手架支撑进行拼接。由于穹顶结构下部钢拉杆刚度大，只可沿直线穿过脚手架。经核算，最终采取井字形布置立杆间距1.2 m，横杆步距1.5 m，总高30 m 的脚手架结构提供预制构件的安装操作平台和拉杆安装张拉平台。

依据现场塔吊最远起吊距离24 m、该处2.7 t 的起吊能力，上部网壳结构按形状部位分为环梁、径向梁和钢柱三类。其中:环梁(由内而外环梁1～环梁7)共分为82 个预制节段，重量由0.063 t 到1.839 t 不等;径向梁分为30 个预制节段，重量由0.895 t 到1.183 t 不等;立柱10 根，单根重0.72 t。现场拼装按照先焊接环梁1，4，7，其次拼装环梁1 和环梁4 之间径向梁，再次拼装环梁4 和环梁7 之间径向梁，最后完成剩余环向梁焊接的顺序进行。拼装焊接时，采取对称焊接、在环梁7 弧长中间设置临时工装预防变形并在环梁节点下设调节千斤顶对节点三维坐标进行控制等措施，保证上部网壳钢结构的现场拼装精度。

2.3 下部拉杆体系安装

下部拉杆体系在网壳拼装完并经过关键节点空间位置复测后进行安装。安装时首先根据实际距离将撑杆与上下两端铸钢连接件焊接后与上部径向梁铰接;之后，安装撑杆下方五向铸钢节点，根据节点间实测距离分析结构安装偏差并调整环向拉杆长度后进行环向拉杆安装;最后利用调节套筒调节径向拉杆至合适长度后与网壳节点和撑杆下五向铸钢节点连接，径向拉杆安装完还须通过调节套筒调节径向钢拉杆长度，使撑杆偏摆量与理论分析值一致。

2.4 拉杆张拉方案选择

2.4.1 方案选择

对于弦支穹顶结构的拉杆支撑体系，采取合适的张拉方案是决定张拉成功与否的关键环节。常用的弦支穹顶拉杆支撑体系张拉施工可分为撑杆顶升法、径向杆张拉法和环向杆张拉法。综合考虑张拉力需求、拉杆调整点数量、张拉千斤顶数量、节点构造导致的预应力损失程度、同步张拉稳定性及工期长短等因素，本工程最终选取了张拉力需求小、预应力损失少以及穹顶结构最终受力受临时支撑影响最小的径向拉杆张拉法，即主动张拉径向钢拉杆，环向钢拉杆被动张拉的方法。

2.4.2 张拉工艺及控制原则

鉴于径向拉杆张拉法同时具有结构体系中拉杆间相互影响程度大、钢拉杆预应力损失较难控制的特点，为保证钢拉杆张拉精度，经分析选定了分两批、共三个阶段张拉径向拉杆的工艺。结构中20 根径向钢拉杆两两间隔，分为两批，每批10 根，同批径向拉杆各张拉点沿结构中心同步对称张拉。张拉过程分为三个阶段，其中第一阶段将第一批杆件(图2 虚线所示径向拉杆)张拉到设计施工张拉力的90%，第二阶段第二批杆件(图2 实线所示径向拉杆)张拉到设计施工张拉力的100%，第三阶段将第一批杆件最终张拉到设计施工张拉力的100%。

为有效控制弦支穹顶结构的整体线形，保证支撑杆的垂直度和各拉杆内力的均匀性，张拉全过程采取拉杆张拉力和钢构变形双控措施，并对支撑杆垂直度的变化进行跟踪。

3 张拉过程分析

3.1 分析模型

图2 径向钢拉杆张拉批次示意及应力监测点布置图

本工程利用ANSYS 通用有限元分析软件建立分析模型，考虑应力刚化效应，采用几何和材料非线性分析、牛顿—拉斐逊迭代求解。分析模型根据穹顶结构构件的端节点链接形式和受力特点分为三种单元类型:径向钢拉杆为上端铰接的梁单元、环向钢拉杆和钢构为梁单元、支撑杆为仅受压不受拉的压杆单元。分析模型中的材料力学性质如表1 所示。

表1 分析模型中的材料力学性质

3.2 施工张拉力选定

根据工程特点，径向拉杆施工张拉力确定原则为径向拉杆在张拉力的作用下，满足平衡穹顶结构自重并产生15 mm 左右起拱的要求。经ANSYS 模型分析，在径向钢拉杆的施工张拉力148 kN 作用下，环向钢拉杆杆力为379 kN，结构最大位移16.7 mm，与结构跨度之比为1/1 814，可满足施工要求。在施工过程中，为减少拉杆预应力损失，各施工张拉点的张拉力在理论张拉力分析结果的基础上需超张拉3%。

3.3 张拉过程分析

张拉过程分析根据施工步骤分为四个工况，包括:第一阶段张拉状态(第一批径向拉杆张拉90%)、第二阶段张拉状态(第二批径向拉杆张拉100%)、第三阶段张拉状态(第一批径向拉杆补张拉至100%)、落架状态。各工况下，弦支穹顶结构各组成构件所受应力及产生的最大变形状况如表2 所示，其中穹顶结构中钢拉杆内力、钢结构竖向位移和钢构等效应力最大状态出现在落架工况中。通过分析可见，该弦支穹顶施工和拉杆张拉方案是合理可行的。

表2 张拉过程中穹顶各构件最大受力、变形分析结果

4 张拉过程监测

弦支穹顶结构因为具有组成构件之间受力、变形相互影响较大的特点，在施工过程中，特别是在拉杆的张拉过程中，结构整体始终处于动态平衡的变化状态。为避免构件制作安装误差、实体结构与分析模型差异、环境因素等影响，交通中心弦支穹顶在施工全过程都对结构状态进行了监测，保证施工全程可控和整体结构的安全性。

4.1 监测内容和监测点布置

结合拉杆张拉过程的双控原则，过程主要对钢拉杆应力、关键结构部位位移和钢构应力进行了监测，相应的监测点设置如下:

钢拉杆应力监测点:由于交通中心穹顶结构的径向、环向钢拉杆都是正反螺牙式钢拉杆，通过配套的螺牙嵌固于铸钢节点内，与传统的单耳式和叉耳式钢拉杆受力性能有很大区别。在张拉过程中拉杆会因螺牙嵌固作用产生次弯矩，同时考虑到理论分析阶段同类型钢拉杆的应力基本一致。因此，监测系统对第一批次和第二批次张拉径向钢拉杆各选2 根，环向钢拉杆选取2 根进行过程应力监测。如图2 所示，同批次、同类型的2 根钢拉杆监测点均在穹顶结构中心采取中心对称法布置。径向钢拉杆监测点布置在距铸钢节点2 m 处，利用2 个BGK-4000 振弦应变计上下布置;环向钢拉杆监测点布置在拉杆中心位置，利用2 个应变计左右布置。

钢构应力监测点:根据有限元模拟分析，钢构的最大应力位置出现在撑杆上端的钢梁处。因此，在撑杆上端的钢梁处布置2 个监测点，同样在穹顶结构中心对称布置。每个监测点的钢梁上下各布置一个应变计。

关键结构部位位移监测点:为反映结构的整体变形规律，同时结合考虑有限元模型最大位移位置，选取了10 个撑杆顶点共10 个监测点利用全站仪对其进行结构位移监测。

4.2 监测结果

4.2.1 钢拉杆内力监测结果

径向钢拉杆张拉过程中径向和环向钢拉杆最大应力出现情况如表3 所示。可见张拉过程中钢拉杆应力与理论最大偏差11.03%，拉杆全过程处于安全受力状态。同时不同阶段径向拉杆最大应力出现的部位比较固定，环向拉杆在被动受力的状态下最大应力出现的部位或有变动。

表3 张拉过程钢拉杆最大应力监测结果

4.2.2 钢结构监测结果

张拉过程中穹顶上部钢结构网壳最大应力出现情况如表4所示。可见，张拉三阶段钢梁最大应力部位都出现在同一测点，钢梁应力与理论最大偏差15.76%，出现在张拉第一阶段，且随着后续张拉作业完成，钢梁实际受力与理论分析结果差异呈逐渐缩小的特征。

4.2.3 关键结构部位位移监测结果

穹顶结构张拉完毕落架后网壳变形监控结构如表5 所示。监测结果显示部分测点实际起拱值大于理论起拱值，但对构件受力和变形进行复查后判定穹顶结构仍处在安全状态。

表4 张拉过程钢结构最大应力监测结果

表5 落架后钢构位移监测结果 mm

5 结语

通过南京禄口国际机场二期建设工程交通中心限制穹顶工程的实施，可以得到以下启示:

1)弦支穹顶结构作为基于张拉整体和单层球面网壳的一种新型空间结构体系具有自重轻，受力合理，能充分利用刚柔两种材料的性能特点，可以更合理更经济的跨越更大的空间。在本工程的实施过程中发现弦支穹顶结构在找形分析上可进行更深入的研究，通过上部网壳划分尺寸大小、拉杆预应力设置、撑杆长度、结构跨度、矢跨比和环向拉杆的布置优化分析，结合结构美观的要求可使结构达到最经济、高效和美观的效果;

2)基于弦支穹顶结构组成构件刚度差异巨大的特点，穹顶结构尤其是超大型的弦支穹顶结构整体在受荷状态特别是施工成型阶段是属于连续的动态平衡状态，极易出现构件应力应变集中突变的情况。因此在类似结构的施工过程前必须进行系统的整体分析，并根据工程实际选取合适的分部组拼、分步张拉和控制实施方案，确保结构整体在施工过程和使用阶段始终处于受控的安全状态。同时，实施方案还对结构预应力松弛和结构整体的静、动力性能有显著影响，本工程对结构分阶段施加预应力就有效地控制了穹顶结构在受控状态下有步骤、有序成型;

3)弦支穹顶结构中的各类节点的预制、安装精度控制非常重要。如本工程中径向钢拉杆、环向钢拉杆和撑杆链接的五向铸钢节点，由于是整体一次浇筑成型并且环向和径向拉索是刚度较大的拉杆结构，施工可调节范围极小。因此在铸造状态严格控制其制作精度，并采取与径、环向拉杆进行厂内预拼微调等控制措施，以便于结构整体组拼成型、达到设计阶段预想的状态;

4)鉴于弦支穹顶结构在施工状态下其构件应力应变变化的动态特征，施工全过程对穹顶结构关键部位应力应变情况进行监控非常关键，一方面可以通过对实时监控数据和结构模型分析计算数据进行比对指导结构成型施工控制，另一方面还可依此判断穹顶构件有无发生应力集中和位移突变等情况以指导及时实施应急措施。

［1］GB 50017—2003，钢结构设计规范［S］.

［2］张胜民.基于有限元软件ANSYS7.0 的结构分析［M］.北京:清华大学出版社，2003.