泰州體育公園體育場索承網(wǎng)格鋼結(jié)構(gòu)施工與健康監(jiān)測研究

蔣鳳昌 ，唐金來 ，王安國 ，韓渭國 ，劉國華 ，周桂香

（1.泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇泰州 225300；2.錦宸集團(tuán)有限公司，江蘇泰州 225300；3.江蘇永泰建造工程有限公司，江蘇泰州 225300）

0 引言

在體育場和足球場等大型體育建筑中，由于考慮功能與經(jīng)濟(jì)性的要求，中心部位常常為露天賽場，建筑平面中部存在大開口，周邊的體育看臺上方通常為懸挑鋼桁架或鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)屋蓋，由于其懸挑尺寸較大，通常達(dá)40m 左右，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)桿件數(shù)量較多且截面較大，使得結(jié)構(gòu)用鋼量較大且影響美觀效果。因此，業(yè)內(nèi)近年來研究出一種剛?cè)峤Y(jié)合的雜交結(jié)構(gòu)——大開口車輻式索承網(wǎng)格鋼結(jié)構(gòu)[1]，其上弦由主次鋼梁焊接而的鋼網(wǎng)格構(gòu)成剛性結(jié)構(gòu)，下弦由車輻式布置的徑向鋼索及其撐桿構(gòu)成柔性索桿體系，鋼網(wǎng)格呈橢圓形環(huán)狀布置，擔(dān)當(dāng)受壓構(gòu)件，從而形成自平衡系統(tǒng)。

索承網(wǎng)格鋼結(jié)構(gòu)因具有結(jié)構(gòu)輕盈、建筑簡潔通透等特點而獲得青睞[2]。但是，整個屋蓋體系在施加預(yù)應(yīng)力之前，整個結(jié)構(gòu)體系為幾何瞬變體系，懸挑的鋼網(wǎng)格支撐在周邊桁架柱結(jié)構(gòu)上，不足以保持自身平衡，故需在混凝土看臺上搭設(shè)較多的支撐胎架，保證施工過程安全。由于支撐胎架數(shù)量較多，造價較高且干擾預(yù)應(yīng)力張拉的相關(guān)施工工序，因此需創(chuàng)新其施工技術(shù)。本文以泰州體育公園體育場項目為例，介紹索承網(wǎng)格鋼結(jié)構(gòu)施工的工藝原理、施工方案、工藝流程和健康監(jiān)測。

1 工程背景

泰州市體育公園體育場項目建筑面積62905m2，可容納35000 名觀眾，如圖1 所示，體育場屋蓋平面布置為橢圓形，長軸約為263m（南北方向布置），短軸約為233m（東西方向布置），屋蓋中心洞口尺寸為201.4m×149.2m，看臺罩棚的懸挑長度以西向最長，可達(dá)47.8m，東向為36.0m，南北向為30.8m，屋蓋最高處47m，鋼結(jié)構(gòu)總用鋼量約7000t。

該項目屋蓋為大開口車輻式索承網(wǎng)格鋼結(jié)構(gòu)，上弦為徑向和環(huán)向的箱形梁構(gòu)成的單層網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，整個單層網(wǎng)格與外圈環(huán)梁采用鉸接連接。下弦為索桿體系，其中徑向索共38 榀，分為20 榀直徑D140mm 和18 榀直徑D122mm 兩種規(guī)格；大開口的內(nèi)側(cè)設(shè)置6D125mm的環(huán)向索，僅設(shè)置一圈；屋面水平穩(wěn)定索D30mm，共計192 根。撐桿截面主要為 P219×12mm～P500×16mm；網(wǎng)格鋼結(jié)構(gòu)的外環(huán)梁截面為P900×40mm，內(nèi)環(huán)梁截面為焊接箱形B750×550×24mm，徑向主梁截面為焊接箱形B750×500×16mm，環(huán)向梁截面為焊接箱形 B750×350×16mm～B750×450×16mm。屋蓋用鋼量約 3200t。

2 工藝原理

2.1 索承網(wǎng)格鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)造和傳力原理

大開口車輻式索承網(wǎng)格鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)造（圖2），主要包括上弦單層鋼網(wǎng)格由徑向主梁、外環(huán)梁、內(nèi)環(huán)梁和中間環(huán)梁構(gòu)成，下弦由徑向索、環(huán)向索、撐桿和斜向V 型撐桿組成的車輻式索桿體系；沿環(huán)向索設(shè)置豎向撐桿、斜向V 形撐桿，連接環(huán)向索和上弦單層網(wǎng)格，形成內(nèi)環(huán)帶桁架；整個鋼屋蓋僅在外環(huán)梁處受到V 型桁架柱的豎向支撐，從而形成空間懸挑結(jié)構(gòu)；在V 型桁架柱之間由環(huán)桁架連接以保持整體穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)安全。

其傳力原理：上弦為剛性單層網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，因中部有巨大開口，結(jié)構(gòu)的豎向剛度和承載能力受到削弱；通過張拉下弦徑向索可使得環(huán)向索繃緊形成剛性環(huán)，兩種鋼索彈性支撐與其連接的撐桿，從而對撐桿上部的鋼網(wǎng)格產(chǎn)生彈性支撐力，剛?cè)峤Y(jié)合，增加了鋼網(wǎng)格平面外的空間承載能力[3]，上弦鋼網(wǎng)格可在面內(nèi)形成寬度可達(dá)40m 左右的壓力環(huán)，承擔(dān)徑向索作用在外環(huán)梁處的水平張拉力，從而構(gòu)建了空間自平衡系統(tǒng)。由于徑向索和環(huán)向索采用了高強(qiáng)材料，導(dǎo)致構(gòu)件截面尺寸大幅度減小，為實現(xiàn)大跨度鋼屋蓋建筑簡潔且結(jié)構(gòu)輕盈的目標(biāo)奠定良好的基礎(chǔ)[4]。

2.2 施工過程中設(shè)置反向斜拉裝置的作用原理

反向斜拉裝置（圖3）主要由反向斜拉索、臨時立桿和斜拉桿三部分組成。通過張拉反向斜拉索使得該裝置增強(qiáng)網(wǎng)格鋼結(jié)構(gòu)的平面外剛度。并且反向斜拉裝置與網(wǎng)格鋼結(jié)構(gòu)的徑向梁構(gòu)成“張弦梁”結(jié)構(gòu)，由其承受徑向索、環(huán)向索和索夾等構(gòu)件自重和施工荷載作用，將此類荷載傳遞到反向斜拉裝置的臨時立桿所在位置下部的支撐塔架，因此，使得網(wǎng)格鋼結(jié)構(gòu)的內(nèi)環(huán)懸挑部分不會出現(xiàn)明顯的下垂變形情況。

2.3 索承網(wǎng)格鋼結(jié)構(gòu)分級張拉施工原理

本工法將所有徑向索同步張拉，分成4 級：預(yù)緊30%（第 1 級）→50%（第 2 級）→90%（第 3 級）→100%（第4 級），主動張拉點設(shè)置在徑向索和環(huán)梁的連接端，同步控制所有徑向索張拉千斤頂，實施同步張拉操作，至相應(yīng)的索力級，逐級循環(huán)張拉至100%，并超張拉5%，達(dá)到設(shè)計值的105%，預(yù)應(yīng)力張拉施工完成。

3 施工方案及工藝流程

3.1 施工方案

根據(jù)索承網(wǎng)格鋼結(jié)構(gòu)工程項目的特征，分析研究，進(jìn)行網(wǎng)格鋼結(jié)構(gòu)和索桿體系的安裝部署，編制大開口車輻式索承網(wǎng)格鋼結(jié)構(gòu)專項施工方案，并進(jìn)行體育場工程索承網(wǎng)格鋼結(jié)構(gòu)施工方案布置（圖4），充分利用現(xiàn)場的7 臺塔吊，并考慮配合使用履帶式起重機(jī)，沿體育場混凝土環(huán)形結(jié)構(gòu)外側(cè)和內(nèi)側(cè)布置構(gòu)件堆場和拼裝場地。明確施工順序、索夾鎖緊方案、臨時反向斜拉裝置設(shè)計、索桿體系張拉指揮組織機(jī)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力張拉控制測量與過程監(jiān)測方案、應(yīng)急預(yù)案、安全方案等。

為了保證索承網(wǎng)格鋼結(jié)構(gòu)施工的結(jié)構(gòu)安全及施工質(zhì)量，在大開口車輻式索承網(wǎng)格鋼結(jié)構(gòu)專項施工方案實施前，須通過相關(guān)專家的方案評審論證[5]，嚴(yán)格履行審核、審批程序，根據(jù)專家組評審意見進(jìn)一步進(jìn)行修改完善，并取得工程設(shè)計師的認(rèn)可。

在施工方案中，需應(yīng)用midas GEN、ANSYS 等有限元分析軟件進(jìn)行施工仿真驗算，一方面驗算施工過程中的索桿體系的索力和變形是否與設(shè)計值吻合；另一方面作為索力和變形值“雙控”的依據(jù)。從而，達(dá)到精確控制索承網(wǎng)格鋼結(jié)構(gòu)的“位形”和應(yīng)力水平。并且應(yīng)用有限元分析軟件進(jìn)行建模，計算體育場屋面鋼結(jié)構(gòu)在溫度作用的變形，在鋼結(jié)構(gòu)安裝和索張拉脫胎架的過程中將溫度變形值進(jìn)行消化，從而保證施工實施后的效果達(dá)到設(shè)計預(yù)期的建筑效果。

3.2 施工工藝流程

3.2.1 總工藝流程

總工藝流程如下：施工準(zhǔn)備→專項施工方案編制及專家論證→鋼構(gòu)件加工制作→預(yù)應(yīng)力鋼索制作→構(gòu)件成品檢驗→網(wǎng)格鋼結(jié)構(gòu)吊裝→上部反向斜拉結(jié)構(gòu)安裝→索桿體系安裝→安裝斜撐桿→安裝屋面穩(wěn)定索→拆除反向斜拉結(jié)構(gòu)→拆除支撐胎架。

3.2.2 關(guān)鍵工序的詳細(xì)工藝流程

（1）網(wǎng)格鋼結(jié)構(gòu)吊裝流程：測量放線→搭設(shè)支撐胎架→V 形桁架柱吊裝→環(huán)桁架吊裝，形成穩(wěn)定的外環(huán)支撐條件→網(wǎng)格鋼結(jié)構(gòu)的徑向主梁吊裝→相鄰的徑向主梁吊裝→外環(huán)梁吊裝→網(wǎng)格鋼結(jié)構(gòu)的次梁及內(nèi)環(huán)梁吊裝→形成穩(wěn)定單元，依次繼續(xù)吊裝→完成網(wǎng)格鋼結(jié)構(gòu)吊裝。

（2）索桿體系安裝流程：徑向索操作平臺搭設(shè)→安放環(huán)索索夾支撐平臺→鋪放環(huán)索下層索→安放環(huán)索索夾本體→鋪放環(huán)索上層索→安裝環(huán)索索夾上蓋板→鋪放徑向索→拆除外側(cè)部分影響徑向索安裝的胎架→提升環(huán)索、牽引徑向索→同步分級張拉徑向索至設(shè)計值（30%→50%→70%→100%）。

4 施工健康監(jiān)測

由于本項目結(jié)構(gòu)新穎，跨度比較大，施工難度大，尤其在拉索張拉成形階段，難度更大。為了確保鋼屋蓋結(jié)構(gòu)工程施工安全性，并研究施工過程中此類剛?cè)嵯酀?jì)的大跨度鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力、變形和位移等參數(shù)的變化規(guī)律，需要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行現(xiàn)場施工監(jiān)測[6]。據(jù)此，聘請第三方健康監(jiān)測，編制并實施《泰州體育公園監(jiān)測施工方案》，其中體育場共計設(shè)置352 個測點，施工階段監(jiān)測內(nèi)容主要包含3 個方面。

（1）使用磁通量傳感器對施工階段關(guān)鍵預(yù)應(yīng)力索進(jìn)行監(jiān)測，如圖5 所示，在8 根徑向索上，每根布置2個EM 傳感器，小計16 個測點；在環(huán)向索上，12 根軸線位置，每處布置6 個EM 傳感器，小計72 個測點。共計設(shè)置測點為88 個，并且可同時監(jiān)測溫度。

（2）使用振弦式應(yīng)變傳感器（內(nèi)置溫度傳感器）對施工階段關(guān)鍵構(gòu)件的應(yīng)力和溫度進(jìn)行監(jiān)測，包括撐桿與徑向剛性桿、網(wǎng)格結(jié)構(gòu)環(huán)向構(gòu)件、V 形桁架柱，測點共計為216 個。

（3）使用全站儀對結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位進(jìn)行變形監(jiān)測，測點主要布置在徑向索連接的撐桿兩端，測點為48 個。

監(jiān)測結(jié)果表明：索力監(jiān)測點正常、構(gòu)件應(yīng)力應(yīng)變測點正常、位移測點正常。其中，張拉徑向索至設(shè)計索力100%時，現(xiàn)場健康監(jiān)測情況如表1 所示。

表1 第四級（100%）張拉完成時健康監(jiān)測情況

5 結(jié)語

針對泰州市體育公園體育場項目的工程特點，研究開發(fā)了大開口車輻式索承網(wǎng)格鋼結(jié)構(gòu)的施工技術(shù)，并且在施工全過程進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)施工健康監(jiān)測。實踐證明，該項施工技術(shù)安全可靠，高質(zhì)量完成了鋼屋蓋結(jié)構(gòu)吊裝和鋼索張拉等關(guān)鍵施工工序，可供類似工程項目借鑒和參考。