援柬埔寨國(guó)家體育場(chǎng)屋蓋斜拉索桁結(jié)構(gòu)施工技術(shù)

高晉棟，張維廉，司 波，張 速，祖義貞，馬 健，王群清，郭亮亮，堯金金，盧立飛，張志平

(1.北京市建筑工程研究院有限責(zé)任公司，北京 100039； 2.中國(guó)中元國(guó)際工程有限公司，北京 100089； 3.中國(guó)建筑第八工程局有限公司，上海 200122)

0 引言

將橋梁工程中斜拉橋與懸索橋的概念引入建筑結(jié)構(gòu)中，衍生出斜拉結(jié)構(gòu)等多種形式。斜拉結(jié)構(gòu)一般由塔桅、拉索及懸掛體組成，類(lèi)似斜拉橋。斜拉結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)是斜拉索為懸掛體結(jié)構(gòu)提供一系列彈性支承，可減小懸掛體結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與變形峰值，使其分布均勻，從而增大屋蓋結(jié)構(gòu)凈跨度等。因此，斜拉結(jié)構(gòu)常應(yīng)用于飛機(jī)庫(kù)、體育場(chǎng)館屋蓋、會(huì)展中心等[1]。

斜拉結(jié)構(gòu)中懸掛體可采用網(wǎng)架、鋼桁架等剛性屋蓋結(jié)構(gòu)，也可采用索桁架、索網(wǎng)等柔性索結(jié)構(gòu)，斜拉索通過(guò)塔桅將柔性索網(wǎng)拽起形成一個(gè)張力懸吊結(jié)構(gòu)[2]。1990年亞運(yùn)會(huì)主體育館——北郊體育中心體育館，是我國(guó)早期的大跨度斜拉結(jié)構(gòu)建筑，屋蓋結(jié)構(gòu)采用斜拉雙坡形曲面網(wǎng)殼[3]。1992年浙江黃龍?bào)w育中心是我國(guó)最早應(yīng)用斜拉結(jié)構(gòu)的大型體育場(chǎng)項(xiàng)目，外環(huán)直徑達(dá)244m，網(wǎng)殼懸挑長(zhǎng)度為50m[4]。廣州大學(xué)城中心體育場(chǎng)采用斜拉鋼網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，針對(duì)桅桿下端鉸接的特點(diǎn), 研究張拉時(shí)機(jī)對(duì)設(shè)計(jì)的影響[5]。鄭州國(guó)際會(huì)展中心采用斜拉索拱結(jié)構(gòu)，針對(duì)斜拉索張拉時(shí)機(jī)對(duì)整體結(jié)構(gòu)的影響，探討了“先升后張”和“先張后升”兩種施工方案，確定分段安裝、局部提升施工方法[6]。

援柬埔寨國(guó)家體育場(chǎng)采用新型斜拉索桁結(jié)構(gòu)屋蓋體系，為國(guó)內(nèi)外首例。關(guān)于將全柔性魚(yú)腹式索桁架與斜拉索相結(jié)合、邊界條件采用現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)體系的研究較少，該結(jié)構(gòu)傳力復(fù)雜、施工經(jīng)驗(yàn)不足、施工控制難度大，從節(jié)點(diǎn)深化設(shè)計(jì)、施工方案制訂到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施，都具有較高的技術(shù)難度和管理挑戰(zhàn)。本文主要介紹援柬埔寨國(guó)家體育場(chǎng)斜拉索桁屋蓋結(jié)構(gòu)技術(shù)特點(diǎn)及其張拉方案，并對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以有效控制施工過(guò)程。

1 工程概況

援柬埔寨國(guó)家體育場(chǎng)位于柬埔寨首都金邊市東郊規(guī)劃的體育中心內(nèi)，項(xiàng)目建設(shè)用 地面積162 200m2， 總建筑面積約82 400m2，設(shè)計(jì)觀(guān)眾席60 000 座，是目前我國(guó)對(duì)外投資額最高、規(guī)模最大的體育場(chǎng)項(xiàng)目。建筑效果如圖1所示。

圖1 體育場(chǎng)建筑效果

體育場(chǎng)主體結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，環(huán)梁中部高、兩端低，梁頂標(biāo)高為26.000～39.900m，人字形索塔向場(chǎng)外傾斜，頂標(biāo)高為99.000m。屋蓋采用新型斜拉索桁結(jié)構(gòu)體系，南北跨度為278m，東西跨度為270m，最大懸挑跨度為65m。屋蓋內(nèi)側(cè)支撐于獨(dú)立的環(huán)梁、斜柱結(jié)構(gòu)上，并由南、北兩端人字形索塔通過(guò)斜拉索吊起，與斜拉索相對(duì)應(yīng)的索塔外側(cè)從索塔頂部向地面設(shè)后背索。

2 屋蓋結(jié)構(gòu)體系

體育場(chǎng)屋蓋徑向構(gòu)件波峰處采用36道魚(yú)腹式索桁架，波谷處采用34道谷索。谷索在靠近環(huán)索處分叉為Y形，分別與相鄰的魚(yú)腹式索桁架、環(huán)索節(jié)點(diǎn)連接。斜拉索、魚(yú)腹式索桁架、環(huán)索和谷索構(gòu)成屋蓋結(jié)構(gòu)的主受力體系。沿環(huán)向方向，索桁架間布設(shè)3道上下交叉穩(wěn)定索和水平穩(wěn)定索，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性。單榀結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 單榀結(jié)構(gòu)

2.1 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)深化設(shè)計(jì)

拉索節(jié)點(diǎn)主要分為環(huán)索節(jié)點(diǎn)、徑向索節(jié)點(diǎn)及谷索節(jié)點(diǎn)。為保證節(jié)點(diǎn)質(zhì)量安全，對(duì)各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有限元分析，通過(guò)節(jié)點(diǎn)變形和應(yīng)力，判斷節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度是否滿(mǎn)足要求。

環(huán)索節(jié)點(diǎn)用于連接環(huán)索、徑向索和斜拉索，與常規(guī)索夾不同，因斜拉索的存在，導(dǎo)致環(huán)索節(jié)點(diǎn)處不平衡力過(guò)大，最大達(dá)3 000kN，常規(guī)索夾夾持索體的連接方法無(wú)法滿(mǎn)足受力要求。因此，采用分段螺桿式連接節(jié)點(diǎn)，承受環(huán)索節(jié)點(diǎn)處的不平衡力。

分段螺桿式連接節(jié)點(diǎn)位置需能承受拉索破斷荷載，同時(shí)滿(mǎn)足節(jié)點(diǎn)有足夠的安裝操作空間；對(duì)調(diào)節(jié)絲桿和調(diào)節(jié)套筒的加工要求非常高；拉索在該處屬于硬連接，調(diào)節(jié)絲桿連接無(wú)法像拉索索體一樣實(shí)現(xiàn)小角度偏轉(zhuǎn)，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)線(xiàn)形，防止調(diào)節(jié)絲桿受彎。環(huán)索節(jié)點(diǎn)如圖3所示。

圖3 環(huán)索節(jié)點(diǎn)示意

采用CAD建立實(shí)體模型，通過(guò)有限元軟件對(duì)環(huán)索節(jié)點(diǎn)夾進(jìn)行力學(xué)分析，根據(jù)拉索破斷荷載，節(jié)點(diǎn)荷載取其0.6倍。環(huán)索節(jié)點(diǎn)計(jì)算模型如圖4所示，環(huán)索節(jié)點(diǎn)變形及應(yīng)力云圖如圖5所示。由圖5可知，節(jié)點(diǎn)絕大部分區(qū)域處于彈性范圍，安全可靠。

圖4 環(huán)索節(jié)點(diǎn)計(jì)算模型

圖5 環(huán)索節(jié)點(diǎn)變形及應(yīng)力云圖

2.2 施工張拉方案

本工程為斜拉結(jié)構(gòu)與柔性索桁結(jié)構(gòu)相結(jié)合的雜交體系，結(jié)構(gòu)構(gòu)造復(fù)雜，包含近10種類(lèi)型拉索；現(xiàn)澆混凝土的邊界條件對(duì)張拉過(guò)程中主體結(jié)構(gòu)變形、應(yīng)力控制十分嚴(yán)格，其中，保證99m高的人字塔變形滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求更是重中之重。因此，須制定適合結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、安全可靠、優(yōu)化合理的施工張拉方案。

2.2.1施工方案的選定原則

張拉方案選定應(yīng)遵循以下原則：①避免高空作業(yè)，安裝、施工盡量靠近地面；②力求在主動(dòng)受力索數(shù)量少、張拉力低的情況下，結(jié)構(gòu)達(dá)到成型態(tài)；③成品保護(hù) 保證拉索、主體結(jié)構(gòu)不受破壞；④節(jié)約高效 結(jié)合施工工藝和流程，最大限度地做到交叉作業(yè)，確保施工質(zhì)量、進(jìn)度和安全。

2.2.2施工方案比選

低空胎架是環(huán)索、徑向索的鋪放平臺(tái)，采用腳手架進(jìn)行搭設(shè)。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工條件和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，擬選定2種胎架搭設(shè)形式。

1)方案1(見(jiàn)圖6) 上徑向索在自然狀態(tài)下，鋪放在看臺(tái)板上，環(huán)索節(jié)點(diǎn)通過(guò)CAD放樣找出鋪放位置，架體量減少；但在環(huán)索節(jié)點(diǎn)脫離胎架時(shí)，徑向索為折線(xiàn)形式，折點(diǎn)處徑向索豎向分力對(duì)預(yù)制看臺(tái)板產(chǎn)生過(guò)大壓力致其破壞，索體也會(huì)有炸絲、斷絲的風(fēng)險(xiǎn)。

圖6 低空胎架搭設(shè)方案1

2)方案2(見(jiàn)圖7) 以上徑向索長(zhǎng)度為半徑畫(huà)弧，與環(huán)梁和高看臺(tái)邊緣兩點(diǎn)的延長(zhǎng)線(xiàn)相交，交點(diǎn)為環(huán)索節(jié)點(diǎn)鋪放位置。架體量增大，但可避免對(duì)預(yù)制看臺(tái)板的破壞，最大限度地保護(hù)主體結(jié)構(gòu)安全；同時(shí)，能有效將索力最大的環(huán)索轉(zhuǎn)化為被動(dòng)受力索。

圖7 低空胎架搭設(shè)方案2

綜上，選擇方案2進(jìn)行低空胎架搭設(shè)，施工流程如圖8所示。

圖8 低空胎架搭設(shè)施工流程

3 關(guān)鍵施工技術(shù)

1)胎架組裝索網(wǎng)

本項(xiàng)目拉索、索夾節(jié)點(diǎn)及其構(gòu)件構(gòu)造復(fù)雜，數(shù)量種類(lèi)繁多，對(duì)安裝質(zhì)量要求極高。保證流水施工的同時(shí)，需確保各構(gòu)件安裝位置準(zhǔn)確；考慮拉索下料及主體結(jié)構(gòu)邊界條件誤差，調(diào)整各拉索絲桿長(zhǎng)度；嚴(yán)控徑向索索夾、谷索索夾安裝方向和螺栓扭矩值；保證拉索和索夾節(jié)點(diǎn)表面觀(guān)感。

2)高空裝索

斜拉索的安裝方法分為2種：①先連接柔性索網(wǎng)與斜拉索下端索頭，再高空安裝張拉工裝，張拉斜拉索上端索頭就位(張拉端為剛性邊界條件)；②先連接吊塔與斜拉索上端索頭，再低空安裝張拉工裝，張拉斜拉索下端索頭就位(張拉端為柔性邊界條件)。低空安裝張拉工裝，可避免高空作業(yè)危險(xiǎn)性，有利于提高施工控制。后背索采用同樣的施工方法。

根據(jù)上述斜拉索施工原則，吊塔塔頂搭設(shè)鋼架平臺(tái)，主要作用是設(shè)置卷?yè)P(yáng)機(jī)鋼絲繩吊點(diǎn)和倒鏈反力點(diǎn)。設(shè)置提升動(dòng)滑輪組吊裝裝置，提升斜拉索一端錨具至耳板處，通過(guò)輔助耳板和倒鏈安裝斜拉索銷(xiāo)軸。

3)環(huán)索節(jié)點(diǎn)脫離胎架

環(huán)索節(jié)點(diǎn)最重9.8t，加上下徑向索錨具和環(huán)索錨具，最重14.5t。脫離分東、西區(qū)先后進(jìn)行，采用2臺(tái)履帶式起重機(jī)，每次抬起2個(gè)環(huán)索節(jié)點(diǎn)，將南、北對(duì)稱(chēng)的環(huán)索節(jié)點(diǎn)從中間向兩邊逐步抬起。在斜拉索提升過(guò)程中環(huán)索節(jié)點(diǎn)依次脫離胎架，最大限度地減少了對(duì)胎架的擾動(dòng)，此時(shí)，脫離后的環(huán)索節(jié)點(diǎn)和與之相連的上徑向索、環(huán)索、斜拉索形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)體系。

4)斜拉索同步提升

36根斜拉索分6級(jí)提升，提升力應(yīng)緩慢分級(jí)增加，分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為各列撐桿下節(jié)點(diǎn)安裝時(shí)機(jī)。每提升一級(jí)，安裝環(huán)向每列撐桿下節(jié)點(diǎn)，下交叉穩(wěn)定索與谷索相連，水平穩(wěn)定索與下徑向索相連；斜拉索就位時(shí)，為平衡吊塔塔頂變形，南北同步張拉后背索，索頭孔心距支座錨固端耳板孔心0.25m。

5)下徑向索同步張拉

斜拉索就位后，對(duì)36根下徑向索進(jìn)行同步等比例分級(jí)張拉；下徑向索索頭孔心距環(huán)梁耳板孔心1.11m；張拉下徑向索過(guò)程中同步張拉后背索，在吊塔變形的限值內(nèi)，使后背索就位時(shí)張拉力較小。下徑向索張拉期間，吊塔變形敏感性高，施工過(guò)程中變形較大易引起混凝土開(kāi)裂，因此，張拉應(yīng)連續(xù)緩慢進(jìn)行。

4 施工過(guò)程監(jiān)測(cè)

本項(xiàng)目最大特點(diǎn)為混凝土結(jié)構(gòu)與全柔性索網(wǎng)結(jié)構(gòu)相結(jié)合，索結(jié)構(gòu)施工張拉對(duì)結(jié)構(gòu)整體位形和內(nèi)力分布影響較大，為確保結(jié)構(gòu)質(zhì)量安全，對(duì)拉索索力、主體結(jié)構(gòu)位形和應(yīng)力進(jìn)行全過(guò)程監(jiān)測(cè)。

4.1 索力監(jiān)測(cè)

索力監(jiān)測(cè)主要針對(duì)主動(dòng)索索力，包括36根斜拉索、36根下徑向索、34根谷索和16根后背索。提升過(guò)程中，索力監(jiān)測(cè)通過(guò)油壓表來(lái)實(shí)現(xiàn)。索網(wǎng)成型后，采用JMM-268型索力動(dòng)測(cè)儀進(jìn)行索力測(cè)量。

4.2 結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)

主要監(jiān)測(cè)環(huán)梁、吊塔、環(huán)索索夾和后背索基礎(chǔ)位移，采用全站儀進(jìn)行測(cè)量。

1)環(huán)梁位移測(cè)點(diǎn)布設(shè)圖9所示。與通常的索結(jié)構(gòu)環(huán)梁為受壓環(huán)不同，根據(jù)模擬計(jì)算，索網(wǎng)施工過(guò)程中，由于結(jié)構(gòu)的抱箍效應(yīng)，環(huán)梁中部向場(chǎng)地內(nèi)(x方向)最大變形為138mm，環(huán)梁與吊塔連接部位向場(chǎng)地外(y方向)最大變形為49mm。

圖9 環(huán)梁測(cè)點(diǎn)布設(shè)

2)吊塔同時(shí)承受斜拉索和后背索的拉力，在索網(wǎng)施工過(guò)程中，尤其對(duì)塔頂位移影響顯著。本項(xiàng)目共2個(gè)吊塔，每個(gè)吊塔沿高度從下至上布設(shè)6個(gè)測(cè)點(diǎn)，吊塔測(cè)點(diǎn)布設(shè)如圖10所示。

圖10 吊塔測(cè)點(diǎn)布設(shè)

3)為控制后背索錨固基礎(chǔ)在后背索作用下的變形，在基礎(chǔ)4個(gè)角點(diǎn)和中點(diǎn)2個(gè)位置，共布設(shè)6個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖11所示。

圖11 后背索基礎(chǔ)變形測(cè)點(diǎn)布設(shè)

4)通過(guò)環(huán)索位形控制索網(wǎng)成型位形，在環(huán)索節(jié)點(diǎn)中心布設(shè)反光片，環(huán)索位形測(cè)點(diǎn)布設(shè)如圖12所示。

圖12 環(huán)索位形測(cè)點(diǎn)布設(shè)

4.3 結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測(cè)

本項(xiàng)目主要包含吊塔、環(huán)梁和環(huán)柱的應(yīng)力監(jiān)測(cè)，采用BGK-4000弧焊型振弦式應(yīng)變計(jì)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的應(yīng)力測(cè)量。

施工過(guò)程中對(duì)吊塔、環(huán)柱受力敏感部位進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測(cè)，測(cè)點(diǎn)布置如圖13所示。

圖13 應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布設(shè)

4.4 監(jiān)測(cè)結(jié)果

實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果與模擬理論值誤差總體不超過(guò)10%，表明結(jié)構(gòu)施工在控制范圍內(nèi)，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

援柬埔寨國(guó)家體育場(chǎng)采用新型斜拉索桁結(jié)構(gòu)屋蓋體系，將全柔性魚(yú)腹式索桁架與斜拉索相結(jié)合，邊界條件采用現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)傳力復(fù)雜，施工經(jīng)驗(yàn)不足，整體施工控制難度大，需制定合理可行的施工方案。

1)將索網(wǎng)張拉施工分為斜拉索、后背索提升安裝和索桁架拼裝張拉；采用索桁架低空胎架拼裝、斜拉索整體提升、下徑向索分步張拉、后背索分步張拉平衡吊塔頂部水平位移的施工方法。

2)環(huán)索節(jié)點(diǎn)采用分段螺桿式，能夠有效承受環(huán)索節(jié)點(diǎn)處的不平衡力。深化設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)線(xiàn)形，防止調(diào)節(jié)絲桿受彎。

3)環(huán)索節(jié)點(diǎn)脫離胎架，應(yīng)減少對(duì)胎架的擾動(dòng)。必要時(shí)可加固胎架，增加胎架的整體性和抗側(cè)剛度。

4)研究索網(wǎng)施工全過(guò)程監(jiān)測(cè)主體結(jié)構(gòu)受力和變形，成型態(tài)時(shí)環(huán)梁受抱箍效應(yīng)影響，中部向場(chǎng)地內(nèi)變形，內(nèi)表面受拉，根部向場(chǎng)地外變形，外表面受拉；吊塔塔頂位移較敏感，張拉過(guò)程需緩慢同步進(jìn)行。