三亚市体育场轮辐式索桁架结构施工技术
2021-09-14蒋国明唐飞虎
蒋国明 唐飞虎 金 平
中冶（上海）钢结构科技有限公司 上海 201908
双层轮辐式索桁架结构属于预应力钢结构体系的一种，其构成机理与自行车轮类似，属于由一个外环刚性结构受压，通过辐射状径向拉索，与内环受拉结构连接，整个结构属于预应力自平衡的全张力结构体系[1-4]。
全张力结构体系须通过张拉，在结构中建立必要的预应力，使结构具有刚度，以维持形状和承受荷载。因此，结构除了构件自身的力学特性、几何参数和构件之间的几何拓扑关系外，预应力也是结构构成的重要部分。索桁架结构中的“力”与“形”是相对应的，“力”是在相对应的“形”上平衡。因此，在索结构施工过程中要对“力”和“形”进行双控。
本文以三亚体育场为例，对双层轮辐式索桁架结构的施工技术进行研究。
1 工程概况
三亚市体育场位于三亚市吉阳区，为甲级大型体育场，总座席数约4万座，占地面积约4.9万 m2。体育场下部混凝土结构为框架-剪力墙结构，外围结构为钢结构，屋顶结构为双层轮辐式索膜结构。外围钢结构支承于下部混凝土结构上，屋顶结构支承于外围钢结构内侧的压环梁上。
体育场双层轮辐式索桁架结构屋顶，通过径向拉索桁架将受压外环梁和受拉内环索连接组成双层悬索结构体系，对其施加预应力建立结构的刚度，拉索的张力和环梁的压力相互平衡，整个结构形成自平衡受力体系（图1）。
图1 体育场整体效果图
体育场钢结构外轮廓平面投影为不规则的倒角五边形（图2），长边为304.4 m，短边为268.2 m，屋顶索结构为4段圆弧组成的四心圆，长轴长为261.8 m，短轴长为224 m，屋顶标高为46 m。整体结构沿径向划分为6个网格，尺寸由拉环到压环依次为4、9、9、9、9、5 m，索桁架高度约17 m。
图2 体育场结构示意
索结构屋顶由1道上拉环、1道下拉环、1道压环梁、104根内环交叉索及52榀径向索桁架组成。上、下拉环和径向索均为国产封闭索，中间桅杆为无缝钢管，内环交叉索为CFRP索，节点间通过铸钢索夹连接，材料信息见表1。
表1 拉索材料信息
封闭索钢丝表面采用Galfan镀层（锌-5%铝-混合稀土合金）。径向拉索两端均为热铸锚，靠近拉环侧为固定锚具，靠近压环梁侧为可调节锚具，连接件为叉耳式，如图3所示。环向拉索两端为热铸锚，中间通过调节螺杆连接，如图4所示。内环交叉索（CFRP）两端采用耳板式锚具，由2个固定端和1个调节端组成，如图5所示。
图3 径向索锚具示意
图4 环索锚具示意
图5 碳纤维索锚具示意
2 施工方法
本工程索体数量多、面积广、工期紧且施工现场有多个专业单位交叉施工，为缩短索结构施工周期，提高施工质量，保证施工安全，索结构施工采用索网低空无应力组装、空中牵引提升、高空分区分级同步张拉的方法。
2.1施工仿真分析
为保证施工结构安全，在拉索施工前进行施工全过程模拟分析，将模拟分析结果作为现场施工依据。模拟分析采用有限元分析软件ANSYS。拉索、交叉索、撑杆的单元类型为LINK8，钢结构的单元类型为BEAM44，荷载条件为结构自重和拉索预应力。根据施工步骤共分为7个工况进行模拟分析，分析结果如表2所示。
表2 施工工况及关键过程结构响应
2.2提升工装选择
根据施工模拟分析结果，锚接上径向索的最大牵引力为1 701 kN，锚接下径向索的最大张拉力为3 024 kN。根据索体张拉力不同，选择不同型号的张拉千斤顶，见表3。
表3 提升工装选用
整体牵引提升系统包含104套牵引工装。1套牵引工装包括千斤顶、挂架、油泵、钢绞线、反力架等（图6）。
图6 反力工装示意
2.3拉索施工
2.3.1 环索及上、下径向索铺设
1）由于环索索体较长，铺设时采用专用放索盘进行展索施工。索体开盘时易产生加速，导致弹开散盘，危及工人安全，因此在开盘时须注意控制速度，防止崩盘。环索展索采用履带吊行走带动放索盘在高空旋转的方式进行展索施工（图7）。
图7 环索展索施工示意
2）相较于环索，径向索长度较短，展索施工时直接采用履带吊使径向索完全脱离地面，履带吊吊点设置在调节端索头位置，然后履带吊缓慢落钩将径向索平缓放置在径向索胎架位置（图8）。
图8 径向索展索施工示意
2.3.2 索夹安装
将环索索夹及径向索索夹按照索体上的索夹标记线进行安装，并采用扭矩扳手对索夹螺栓进行初拧（索夹螺栓均采用M27大六角头高强度螺栓），初拧按照斜对角交叉顺序进行，初拧扭矩采用终拧扭矩的50%。同一索夹螺栓均初拧完成后进行终拧，施拧顺序与初拧相同。
2.3.3 索网提升张拉
1）提升分区。根据轴线对径向索进行编号，根据对称分布原则进行分区、分批次提升。径向索轴线号如图9所示，径向索分区如表4、表5所示。
图9 径向索轴线示意
2）提升顺序。上径向索提升分批按表4进行，提升顺序为1→2→3→4，循环反复。每次提升单个批次2个千斤顶行程即400 mm后，转换到下一批次进行提升。提升至工装索剩余2 m时，单次提升量更改为单个行程（即200 mm）后进行轮换，提升顺序与之前相同。为保证施工安全，当上径向索提升至距离锚接位置100 mm时，将调节螺杆调长使径向索调节端锚具与压环梁结构耳板锚接。然后按照上述提升顺序将上径向索提升到位。下径向索提升分批按表5进行，提升顺序为1→2→3→4，循环反复。单次提升量与上径向索相同。由于下径向索调节端锚具调节范围为±150 mm，故在下径向索提升至距离锚接位置150 mm时，将调节螺杆调长使调节端锚具与压环梁结构耳板锚接。相较于上径向索，下径向索直径更大，为保证结构整体张拉质量，合理地选择下径向索为主动张拉索。为了保证结构的最终整体成形，张拉细分为3级，即实际索长距离设计索长长度差值为－150 mm→－100 mm→－50 mm→0 mm。其中前2级张拉采用位形控制，最后一级采用索力控制。张拉顺序与上述提升顺序一致。
表4 上径向索提升分区
表5 下径向索提升分区
3 施工监测
3.1索力监测
索力测量精度与测量方法和设备选择有关，本项目采用千斤顶油压法和索力应变法结合的方式进行索力监测。
千斤顶油压法是采用经标定后的油压表安装于油泵上，在拉索张拉过程中读取千斤顶油缸中的液压值读数，通过换算得出拉索张拉力值，可在张拉过程中实时监测拉索张拉力，缺点是只能在施工阶段进行监测。本项目针对所有径向索进行索力监测。
索力应变法是采用振弦式应变计利用索体应变与索力之间的比例关系得出拉索张拉力值，此方法可在施工阶段和使用阶段连续监测，弥补了千斤顶油压法无法在使用阶段监测的问题。但是此种监测方法成本较高，本项目在0轴、10轴、18轴、27轴、31轴、35轴、44轴线上、下径向索及环索位置布设索力测点。
采用千斤顶油压法，监测得出张拉完成后，将主动张拉索（下径向索）索力实测值并与模拟值进行对比，对比数据如图10所示。
图10 油压法实测值与模拟值对比示意
由图10可以得出，索结构张拉施工完成后索力实测值与模拟值吻合较好，索力最大偏差为6.5%，满足索结构安装完成后，索力偏差不超过±10%的设计要求。
将张拉完成后，下径向索由千斤顶油压法监测得出的索力值与索力应变法监测得出的索力值进行对比，对比数据如图11所示。
图11 油压法实测值与应变法实测值对比示意
由图11可以得出，千斤顶油压法和索力应变法索力监测结果趋势相同，吻合度较好，索力最大偏差为1.87%，可以证明张拉工装能有效传递预应力至拉索。
3.2位形监测
随着整个索网的提升，索网空间位形位置会随之变化，对整个索网位形进行监测，可及时了解整个索网的结构状态，保证施工安全。位形监测采用全站仪进行，目前全站仪测量位形精度可达到±1 mm以内，满足监测要求，位形监测点位布置在每个上环索夹中心位置。限于篇幅，给出张拉完成后，上拉环节点位置竖向位移模拟值与实测值，对比数据如图12所示。给出张拉完成后，上拉环节点位置水平位移偏差值，如图13所示。
图12 上拉环节点竖向位移模拟值与实测值对比示意
图13 上拉环节点水平位移偏差值示意
由图12可以得出，上拉环节点位置竖向位移模拟值与实测值趋势相同，吻合较好，最大偏差值为97 mm。满足索结构安装完成后，拉环高度偏差不超过±120 mm的设计要求。由图13可以看出，上拉环节点位置水平位移最大偏差值为44 mm。满足索结构安装完成后，拉环节点水平偏差不超过±50 mm的设计要求。
4 结语
1）采用索网低空无应力组装、空中牵引提升、高空分级同步张拉的施工方法，可以有效地减少了高空作业量，提高施工效率，保证施工安全。
2）通过选择合理的工装设备，采用液压千斤顶张拉工装，能够有效地传递张拉力，为索体施加预应力。
3）采用千斤顶油压法和索力应变法对索网施工过程受力进行监测，并将监测值与仿真模拟分析值进行对比，对比结果较为吻合，证明了仿真模拟分析的准确性。
4）本工程张拉施工完成后，索网实际位形与设计位形较为吻合，满足设计要求，实现了设计效果。
