贵阳奥体二期体育馆弦支穹顶预应力索施工技术

吴家文 宋国伟 邓润泽

摘要：弦支穹顶结构是张拉整体、索穹顶等柔性结构与单层球面网壳相结合的一种新型空间结构体系。一方面提高了单层球面网壳的稳定性。另一方面，与索穹顶结构体系相比，该结构在施加预应力前具有一定的初始刚度。目前，弦支穹顶结构已广泛应用于大型机场航站楼、综合体育馆、国际会展中心等公共设施的屋顶。本文对贵阳奥体中心二期弦支穹顶预应力拉索的施工方案进行了综合分析。

关键词：贵阳奥体二期体育馆;弦支穹顶预应力索;施工方案

引言

本项目张拉施工按照下述步骤张拉：整体思路为由外至内分批张拉第1级→由外至内分批张拉第2级→由内至外分批张拉第3级。

1工程概況

本项目位于贵阳市观山湖区云潭路与兴筑路交叉处贵阳奥林匹克体育中心地块内，体育馆为弦支穹顶结构体系，主要由单层网壳、拉索体系、环桁架及外围幕墙网格构成;屋面平面呈圆形，屋盖结构圆形直径为117m，整体钢结构轮廓外围圆形直径为140m;屋盖最高处标高为42.1m，环桁架上部标高为33.1m，幕墙网格下部支座标高为6m;

2张拉施工难点

（1）典型节点及支座的设计、制作与焊接质量的保证

本工程各类构件之间、撑杆与索之间以及柱头支座等，包含了大量不同截面和构件间的焊接，如何保证节点制作质量、钢管与钢管焊接质量、拼接的焊接变形控制质量是本工程控制的重点。

（2）吊装安全、结构稳定性的保证

本工程钢结构跨度较大，其设计计算一般均采用结构完工状况为计算模型，且由于在结构安装过程中结构在各阶段的受力状况均与完工状态有较大差别，存在平面外稳定问题，要求对安装过程中各阶段进行结构的内力、稳定性、位移量做理论计算以确保整个安装过程的结构稳定性和安全性。

（3）装索作业面狭小

临时支撑需要严格按照钢结构方案所述位置进行支撑，预留足够空间给张拉单位进行放索作业，即拼装胎架需要留出足够空间给穿索施工。

（4）环索、钢拉杆安装复杂难度高，环索、钢拉杆、索夹分散在直径140m的圆形内，对于如何保证安快速安装的同时较少的占用大型机械对编制方案有着较高的要求。

3预应力拉索施工方案

3.1拉索安装工序

1）拉索目测检查：索体表面和索头防腐层是否有破损。

2）检查拉索实际制作长度是否满足要求。

3）与拉索连接的节点检查：节点是否安装到位，且与周边构件连接可靠。

4）与拉索连接的构件应稳定可靠，必要时应设置支撑或缆风绳等。

5）对于在拉索安装后难以完成的工作，应在拉索安装前完成，如索头连接板的防锈涂层。

6）需对索头调节装置等部位涂适量黄油润滑，以便于拧动调节装置。

7）为方便工人施工操作，事先搭设好安全可靠的操作平台、挂篮等。

8）人员正式上岗前进行技术培训与交底，并进行安全和质量教育。

9）在正式使用前对施工设备进行检验、校核并调试，确保使用过程中万无一失

3.2拉索的安装顺序

1）拉索安装前，先测量索端实际距离，以考虑结构安装偏差，调整索长;

2）拉索安装顺序：

工厂里拉索在初始预张力条件下，按照有应力长度进行生产，并在索体表面标记索夹位置→拉索运输至现场→开盘放索→牵引提升固定端拉索→安装固定端拉索→牵引提升可调节端拉索→预紧拉索→施工张拉。

3.3拉索开盘

在放索过程中，因索盘绕产生的弹性和牵引产生的偏心力，索开盘时产生加速，导致弹开散盘，易危及工人安全，因此开盘时注意防止崩盘。

软索的柔度相对较好，在开盘拉索展开过程中外包的防护层不除去，仅剥去索夹处的防护，在牵引索安装索球张拉索的各道工序中，均注意避免碰伤、刮伤索体。

1）采用脱胎成圈包装运输时，应将拉索的两端锚具固定。

2）拉索在运输到工地后，应将放置拉索的地方清理干净再将拉索取出水平放置在垫板上，带有索盘的拉索随索盘一起取出。如拉索运输到工地暂时没有使用应及时做好保护措施，存储在干燥、清洁、通风的仓库中。

3）工地放索时应先将拉索放在放索盘上，然后沿索盘圈的反方向使索盘旋转打开，禁止拉索没有打开时直接竖直吊拉拉索。吊拉时应对两端锚具做好相应的保护措施，防止刮伤，碰撞。

4）不允许索体出现打结的现象，防止索体出现散股引起跳丝。严禁拉索直接在地面上拖拽，严禁随意乱放、乱扔。

5）避免拉索与其它坚硬的物质碰撞，摩擦，以免划伤索体的表面。当发现拉索两端锚具出现变形、扭曲、磨损，索体出现跳丝、散股、划伤、碰伤时，应立即通知专门人员进行检修确定修复后继续使用或报废。

6）拉索索头出厂时为热喷锌加环氧富锌底漆处理，属基本的防腐处理，待张拉安装完成后应再随钢结构一起做整体的防腐处理。

7）拉索在工地现场施工时，难免会出现索体表面局部划伤的问题，如出现此类情况，可采用两种方式进行处理：

（a）将划伤表面清洁干净后，再喷涂CRC冷镀锌漆;（b）将划伤表面清洁干净后，再喷涂不低于100μm厚度的环氧富锌底漆。

8）对于大直径拉索，出厂前索体上每隔2米左右会用铁丝扎紧，到工地现场后，建议施工张拉前不要将铁丝解开，防止索体吊装时表层钢丝松散引起跳丝现象。

9）严禁工程现场电焊时用索体作为导线使用，如作为电焊导线使用会引起表层钢丝断裂现象。

3.4拉索施工操作平台

采用脚手架搭设拉索安装和张拉所需的操作平台或用型钢焊接吊笼操作平台，不仅要便于拉索施工，也要保证施工安全性。

XS5、XS4、XS3采用张拉平台1形式，每环布置32个，共计96个平台;XS2、XS1采用张拉平台2形式，每环布置16个，共计32个平台;主横杆均由4个φ48x3组合而成。

3.5拉索及索夹安装

1）在地面设置滚轴。

2）拉索因直径较大，重量较重，可采用牵引的方法，让拉索尽量水平平铺在地面滚轴上。

3）采用汽车吊、卷扬机、吊带等工具，将地面展开的索提升至高空。

环索分段吊装完成后，开始把分段的环索对接完成，对接时需要保证两段环索接口在同一标高上，通过拧紧工装进行对接。

3.6拉索安装注意事项

1）在工厂里对拉索进行严格编号和精确标记。按照初始预张力和各索段长度，在索皮上标记索夹的位置以及索头螺杆的位置。安装前尚需量测实际关键节点的安裝偏差，根据这些标记和节点安装偏差，在现场进行拉索及索夹的安装，并调节索长。便于实际安装。

2）拉索安装前，需对索头调节装置涂适量黄油润滑，以便于拧动。

3）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，根据这些误差值，调整索长。

3.7环索安装流程

HS1～5均为1、2和4根环索，且索夹盖板为独立盖板，不影响双/四索安装，故HS1～5在地面展索、高空安装并安装对接头。具体为在体育馆内按顺序展开1根环索，用吊装工具把环索提至索夹附近，按照环索标记线固定索夹下盖板，按施工场地工作面，HS1～5可以交叉施工。

拉索体系结构示意图（环索由内到外为HS1～HS5）

4拉索张拉方案

4.1环索张拉步骤

本项目张拉施工按照下述步骤张拉：整体思路为由外至内分批张拉第1级→由外至内分批张拉第2级→由内至外分批张拉第3级。

第1步：安装钢结构屋面及安装环索、径向索，张拉前所有支撑胎架与上弦杆均只接触;

第2步：预紧XS1～5钢拉杆，预紧至施工预应力的10%;

第3步：第1级分批张拉XS5-1→XS5-4至施工预应力的40%;

第4步：第1级分批张拉XS4-1→XS4-2至施工预应力的40%;

第5步：第1级分批张拉XS3-1→XS3-2至施工预应力的40%;

第6步：第1级分批张拉XS2-1→XS2-2至施工预应力的40%;

第7步：第1级分批张拉XS1-1→XS1-2至施工预应力的40%;

第8步：第2级分批张拉XS5-1→XS5-4至施工预应力的90%;

第9步：此时外圈支撑架主动脱胎，拆除外圈支撑架;

第10步：第2级分批张拉XS4-1→XS4-2至施工预应力的90%;

第11步：此时中圈、内圈支撑架主动脱胎，拆除中圈、内圈支撑架;

第12步：第2级分批张拉XS3-1→XS3-2至施工预应力的90%;

第13步：第2级分批张拉XS2-1→XS2-2至施工预应力的90%;

第14步：第2级分批张拉XS1-1→XS1-2至施工预应力的90%;

第15步：第3级分批张拉XS1-1→XS1-2至施工预应力的105%;

第16步：第3级分批张拉XS2-1→XS2-2至施工预应力的105%;

第17步：第3级分批张拉XS3-1→XS3-2至施工预应力的105%;

第18步：第3级分批张拉XS4-1→XS4-2至施工预应力的105%;

第19步：第3级分批张拉XS5-1→XS5-4至施工预应力的105%;

第20步：预应力施工完成，移交工作面。

等到所有环索及钢拉杆均零状态安装到位，使用30t千斤顶对所有钢拉杆进行预紧，预紧值约为钢拉杆预应力的10%，通过2次循环使得斜索安装预紧阶段张拉力如表1所示：

5张拉工序

5.1预应力钢索张拉前标定张拉设备

张拉设备采用相应的千斤顶和配套油泵。根据设计和预应力工艺要求的实际张拉力对千斤顶、油泵进行标定。实际使用时，由此标定曲线上找到控制张拉力值相对应的值，并将其打在相应的泵顶标牌上，以方便操作和查验。

5.2张拉控制应力

根据设计要求的预应力钢索张拉控制应力取值。

5.3张拉工装

根据张拉端节点形式设计自制张拉工装。

5.4预应力钢索张拉采用双控

即预应力钢索的拉力、变形值及钢结构变形。预应力钢索张拉完成后，应立即测量校对。如发现异常，应暂停张拉，待查明原因，并采取措施后，再继续张拉。

5.5张拉操作要点：

1）张拉设备安装：由于本工程张拉设备组件较多，因此在进行安装时必须小心安放，使张拉设备形心与钢索重合，以保证预应力钢索在进行张拉时不产生偏心;

2）预应力钢索张拉：油泵启动供油正常后，开始加压，当压力达到钢索设计拉力时，然后停止加压，完成预应力钢索张拉。张拉时，要控制给油速度，给油时间不应低于0.5min。

5.6预应力钢索张拉测量记录

张拉前可把预应力钢索自由部分长度作为原始长度，当张拉完成后，再次测量原自由部分长度，两者之差即为实际伸长值。

除了张拉长度记录，还应该把全站仪测得钢结构变形记录下来，以对结构施工期行为进行监测。

5.7张拉质量控制方法和要求

1）张拉力按标定的数值进行，用伸长值和压力传感器数值进行校核;

2）认真检查张拉设备及与张拉设备相接的钢索，以保证张拉安全、有效;

3）张拉严格按照操作规程进行，控制给油速度，给油时间不应低于0.5min;

4）张拉设备形心应与预应力钢索在同一轴线上;

5）实测伸长值与计算伸长值相差超过允许误差时，应停止张拉，报告工程师进行处理。

6质量保证措施

（1）加强技术管理，认真贯彻国家规定、规范、操作规程及各项管理制度。

（2）建立完整的质量管理体系，项目管理部设置质量管理领导小组，由项目负责人和总工程师全权负责，选择精干、有丰富经验的专业质量检查员，对各工序进行质量检查监督和技术指导。

（3）严格执行质量目标管理，把质量与效益严密挂钩，实行优质优价，质量目标责任制。质检员认真行使质量否决权，使质量管理始终处于受控状态。

（4）项目部每天要开好现场生产的质量碰头会，每周对工程进行全面检查，进行三分析活动，即：分析质量存在的问题，分析质量问题的原因，分析应采取的措施，查出问题及时整改。

（5）预应力张拉操作人员，必须经过培训，持证上岗。

（6）应严格执行“三按”、“三检”和“一控”。“三按”：严格按图纸、按施工方案和施工工艺、按国家现行规范和标准施工。“三检”：自检、互检、交接检。“一控”：自控准确率、一次验收合格率。

（7）应加强施工全过程中的质量预控，密切配合建设、监理、总包三方人员的检查与验收，按时作好隐蔽工程记录。

（8）加强原材料的管理工作，严格执行各种材料的检验制度，对进场的材料和设备必须认真检验，并及时向总包单位和监理方提供材质证明、试验报告和设备报验单。

（9）优化施工方案，认真作好图纸会审和技术交底。每层、段都要有明确和详细的技术交底。施工中随时检查施工措施的执行情况，作好施工记录。按时进行施工质量检查掌握施工情况。

（10）认真作好工程技术资料，及时准确完整收集和整理好各种资料，设备检定报告、张拉记录单等，及时办理各种签证手续。

（11）注意保护钢索的防腐层和索头。

结束语

综上所述，根据有效的实践研究，张拉工装均能满足施工要求。

参考文献

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