弦支穹顶：贵阳奥体中心二期体育馆屋盖

贵阳奥体中心二期体育馆屋盖

设计单位 ：中国航空规划设计研究总院有限公司

总包单位 ：中国建筑第八工程局有限公司

钢结构安装单位 ：浙江精工钢结构集团有限公司

索结构施工单位 ：上海固隆建筑工程有限公司

索具类型 ：贵绳股份·高钒密封索，坚宜佳·钢拉杆

竣工时间 ：2022年

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概况

该工程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，位于规划总用地的最北端，西至云潭南路，北至黔灵山路，东至奥兴路，南至上麦路。项目总用地面积约9.5万平方米，建筑面积1.3万平方米，观众座位约1.1万个，按照甲级特大型馆标准设计。

屋面的外形呈球型，由弦支穹顶结构屋盖结构，外墙面单层网壳结构和环桁架三部分组成。弦支穹顶结构屋盖结构主要由单层网壳、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。

图1 贵阳奥体中心二期体育馆

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索结构体系

该项目采用弦支穹顶结构，屋盖结构圆形跨度为117m，矢高9m，矢跨比为9/117=0.077，如图2所示整体钢结构轮廓外围圆形直径为140m。上部钢网壳属于大跨径、小矢跨比，偏于扁平的单层网壳结构，未施加预应力前网壳竖向刚度较小。

下部索杆体系采用Levy型索杆体系如图3，5圈环索均为16边型，每个索夹处设置2根钢拉杆。张拉过程中控制同一索夹位置2根钢拉杆同步张拉，改善弦支穹顶张拉过程中的索内力和变形。

图2 单层网壳

图3 LEVY型索杆体系

1）细部节点构造

单层网壳径向主杆与外环钢梁为销接如图4a，环向主杆与径向主杆为刚接如图4b。索夹是连接索体和相连构件的一种不可滑动的节点，由主体、压板和高强螺栓构成，高强螺栓提供的预紧力满足克服索夹两端最大不平衡力的要求。根据每圈环索数量的不同分为单索索夹、双索索夹、四索索夹，如图5所示。


a) 环桁架、径向杆和斜向拉杆连接节点	b) 径向杆和斜向拉杆连接节点

图4 单层网壳节点构造

a) 单索索夹节点

b) 双索索夹节点

c) 四索索夹节点

图5 索夹节点构造

2）索规格

贵阳奥体中心体育馆有2种类型拉索：环向索和径向钢拉杆。其中环向索材质为1670MPa级的密闭索，径向钢拉杆的材质为E650，如表1所示。

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索结构施工

1）索施工难点

大跨度弦支穹顶施工难点在于预应力未导入索系时，单层网壳刚度过小，需要在拼装过程中布置大量支撑胎架，导致施工作业面复杂。撑杆下端与索夹的连接方式为焊接，不能采用常规的地面安装索夹再整体提升的方式，需要结合现场施工作业面提出合适的挂索方案。

该工程钢结构跨度较大，设计计算采用结构完工状况为计算模型。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，项目对安装过程中各阶段进行了施工过程分析，对各施工关键阶段的结构稳定、结构变形进行了理论计算，从而确保整个安装过程的结构稳定性和安全性。

该项目采用BIM技术对关键施工步骤的碰撞问题进行检查，如展索、挂索和张拉过程，做到提前规避，从而对汽车吊站位、伸臂和摆臂的位置控制进行了预判。

为了控制结构成型后变形，在网壳安装时设置了多个关键位移控制点，通过在安装过程中不断测量更新实际坐标点来辅助安装网壳，保证安装下部索系时屋面网壳的安装误差控制在精度要求范围内。

图6 胎架布置平面图

图7 BIM技术指导机械站位

2）选择合适的张拉方案

弦支穹顶通常有3种预应力拉索施工方法，即顶升撑杆、张拉径向索、张拉环向索。贵阳奥体中心体育馆由于构造的特殊性，第5圈环索与撑杆不汇交于一点，直接排除顶升撑杆的张拉方法。项目对张拉径向索和张拉环向索的方案进行了施工分析比较。

方案一： 从环向索的形状为圆形分析该工程适合张拉环向索，张拉原理如图3.21.8a。第5圈环索有4道单索，最大初始态索力较大，需配置大吨位的张拉设备，并且环索设置16个索夹，张拉环索不利于环索在索夹内传力，不能有效控制撑杆垂直度，导致环索内力分不均，达不到设计初始态内力。

方案二： 径向钢拉杆数量为偶数，可以采用张拉径向钢拉杆的方式进行预应力施工，张拉原理如图3.21.8b。通过控制钢拉杆分批和张拉分级，便于控制钢拉杆预应力的导入，又能很好的调整撑杆垂直度和环索线型。

根据施工组织设计，挂索顺序由场内至场外，每圈挂索流程为：撑杆→环索→钢拉杆，因为第3~5圈环索有2和4根，2根环索安装顺序为：外圈环索→内圈环索；4根环索安装顺序为：外圈上环索→内圈上环索→外圈下环索→内圈下环索。在挂索施工前，所有屋面网壳位移关键控制点均应符合要求，焊缝均经过探伤合格，并按照复核后的空间长度适当调整索的无应力安装长度。


a) 方案一：张拉环索	b) 方案二：张拉径向索

图8 两种张拉方式示意

该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。

总体张拉顺序为：

第1步：在胎架上安装主体钢结构；

第2步：安装撑杆、环索和钢拉杆，张拉前将胎架与上弦杆处理，调整为只接触；

第3步：张拉前索系预紧至施工预应力的10%；

第4步：分5批，分步张拉至40%初始态索力；

第5步：分5批，分步张拉至90%初始态索力；

第6步：分5批，分步张拉至100%初始态索力，超张拉5%；

第7步：分批张拉过程过程中，所有支撑胎架均在过程中脱胎，移交工作面。

其中第1次和第2次分批循环张拉的原则以控制内力为主、变形为辅，第3次分批循环张拉的原则以控制变形为主、内力为辅。

3）数值分析和施工监测

正式张拉前，结合设计意图、场地工况、气候条件等制定了张拉原则和顺序，编制张拉专项方案，采用虚拟张拉技术对整个张拉施工过程进行施工全过程分析。

首先依据设计说明和资料确定结构初始状态，尽管找形和找力是弦支穹顶的找形关键目标，该项目结合项目控制重点，找形主要目标设定于控制下部索杆体系中撑杆垂直度，在拉索预应力和结构自重的作用下结构达到平衡状态，即要在预应力施工完成后达到设计初始态。初始态找形除考虑构件自重以外，还考虑其深化模型的差异定义自重系数，有较大集中荷载的铸件和索夹位置定义集中荷载。

其次根据初始态找形结果，结合索施工张拉方案定义施工步骤。施工过程计算的步骤严格按照张拉方案的分级分批，对于钢构安装和胎架位置做到精确模拟。

最后，由于屋盖钢结构施加预应力时结构尚未进入工作状态，屋盖张拉前支承于临时支撑，约束条件较好；同时，下部结构相对半刚性屋盖结构刚度大，变形小；因此，在张拉过程过程中，控制上部屋盖结构的位形变化，仅取体育馆的上部屋盖钢结构进行建模分析，底部约束条件按照固定铰接处理。图9和图10给出环向索和径向索张拉索力变化趋势。

图9 施工过程理论环索内力变化趋势

图10 施工过程理论径索内力变化趋势

对张拉施工流程进行施工模拟数值分析，分析结果表明，该结构在张拉过程中安全可靠，屋面网壳处于弹性阶段，弦支穹顶竖向最大变形在网壳中心处，结构变形在-21mm~37mm范围之内。结构初始态屋面网壳出现部分下挠，需要在张拉关键阶段使胎架分步主动脱胎，控制网壳变形。根据理论分析和现场实测分别得到各阶段屋面网壳变形监测值见图11，钢拉杆内力监测值见图12。第三方监测单位对预应力施工进行全过程跟踪监测，相关监测结果与张拉过程比较相符，均满足相关规范要求。

图11 张拉过程中关键变形位置监测数据

图12 张拉过程中径向钢拉杆内力数值

4）四索索夹分析

第5圈环索由4根单索组成，由于设计、深化等因素，撑杆与环索中心线延长线不汇交于一点，如图13a环索中心线整体往场内偏心350mm，又考虑到索夹两端在各工况下会产生不平衡力，故需要对索夹建立实体模型并进行精细化分析。

精细化分析可知包络工况下索夹应力较小，如图13b大部分区域在100MPa及以下，耳板拉断截面处应力达近200MPa，盖板应力在与索夹接触的端面上较大，可达200MPa，其余区域应力较小，计算模型参数设置符合设计要求，索夹结构强度和刚度均能满足本项目要求。

a) 索夹构造

b) 索夹应力云图

图13 四索索夹分析

5）张拉装置分析

张拉过程中，预应力导入主要由张拉工装顶紧径向钢拉杆的防松螺母，使得原先受力的调节套筒把内力转移至张拉工装，通过旋紧调节套筒使钢棒缓慢受力，循环上述步骤直至钢拉杆内力达到设计要求。

如图14a张拉装置由2组张拉工装、钢棒和千斤顶组成。如图14b由精细化分析可知张拉工装最大应力为259MPa，发生在立劲板位置上，绝大部分应力在100MPa以下，最大变形为0.4mm，计算模型参数设置符合设计要求，张拉工装结构强度和刚度均能满足本项目要求。

a) 张拉装置构造

b) 工装精细化分析

图14 张拉装置分析

贵阳奥体中心体育馆弦支穹顶结构采用了主动张拉径向钢拉杆的拉索施工方案，在正式张拉前利用有限元软件进行全过程施工模拟，做到了切实完善的理论分析，指导了施工现场。通过全站仪、精密油压表和数显式靠尺分别对屋面网壳变形、钢拉杆预应力和撑杆垂直度进行施工过程监测。最终结果为：第3圈钢拉杆施工预应力与理论内力比值为102.8%（841kN），最大屋面网壳变形为+37mm，撑杆偏摆量控制标准为1/120（54mm），实际环向最大8mm，径向最大23mm。预应力拉索施工完成后，屋面变形、钢拉杆内力和撑杆垂直度监测结果均满足要求。

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工程照片

图15 钢拉杆及其安装

图16 环索安装

图17 张拉成形

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参考文献

[1]葛家琪,刘邦宁,王树等.预应力全索系整体张拉结构设计研究[J].建筑结构学报，2019，40(11)：73-80.

[2]傅绍辉,吴小兰.当明天成为昨天——贵阳奥林匹克体育中心主体育馆建筑设计[J].当代建筑,2020,No.6(06):34-36.

[3]张国栋,杨宗林,罗晓群等.贵阳奥体中心体育馆弦支穹顶预应力拉索施工[J].建筑技术开发,2021,48(14):107-109.

撰稿人：

上海固隆建筑工程有限公司：张国栋

同济大学：罗晓群

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