弦支穹頂鋼結構體育館的結構體系與施工技術

呂 剛

（中國京冶工程技術有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518000）

本文主要是通過對鋼結構數據、施工方案、結構設計等，在施工作業中的對比，來對國內率先采用弦支穹頂結構體系的安徽大學體育館、常州體育館、濟南奧體中心體育館3個鋼結構工程的預應力方案（安裝胎架的設置、張拉控制原則和分級張拉過程）、結構安裝方案進行對比研究。同時對其結構設計、節點及建筑形式進行簡要的介紹。

1 工程概況

1.1 安徽大學體育館

為了能夠擁有良好的采光，安徽大學在體育館建設時，屋蓋正中央設計了一個外接直徑為24m的正六邊形采光玻璃天窗。它的建筑總體是鉆石椎狀，屋蓋是邊長47144m正六邊形鋼屋蓋，覆蓋總面積為11694m2。屋面坡度是12b，局部凸屋面坡度15b，矢夸比1P816。邊柱距為43188m，柱外網外接圓最大直徑外圍871757m，最大挑檐為6m，屋蓋最大高度11155m，建筑總面積為12809m2。

1.2 常州體育館

作為市區主題場館，常州體育館要求能夠容納6000人。在基礎結構上，體育館下部基礎要求會比較高。它采用全現澆鋼筋混凝土框架結構體系，主體柱網要求是814m×712m。它需要支撐混凝土環梁，以此保證支持屋蓋。這個體育館呈橢球形，屋蓋曲面面積為93591939m2。平面投影軸，分別為120m、80m。最大高度為37m，屋蓋矢高為23m，能夠覆蓋75021282m2。

1.3 濟南奧體中心體育館

為了滿足市區人民的日常需求，濟南奧體中心體育館位置離主城區比較近。附屬場館配置也比較多，而且日常接待的賽事也比較多，算是一個非常大的場館區。體育館總體是個圓形建筑物。建筑總面積為512萬m2。其館頂屋蓋是半球形，矢高為1212m，最大對向距離為122m。場館內設計要求至少可以容納10000人上座，所以整體覆蓋面積差不多有11631m2。另外，在頂部也設計了一個覆蓋面積為12096m2，215m高，直徑271792m的風帽，在室外配置了大量的籃球場館。

2 弦支穹頂屋蓋鋼結構的施工技術方案選型和相關的重點、難點

結合本文提出的幾個案例。弦支穹頂屋蓋鋼結構施工均在體育場館土建完成施工后進行。就具體情況提出方案。一般情況采用吊裝、升頂和常規腳手架散裝三套方案。

2.1 吊裝

此次鋼結構施工是在土建完成的基礎上面安裝的，因此，吊車無法進入場地，在制定吊裝點進行施工。所以這套方案是行不通的。

2.2 升頂

基于土建看臺完成，升頂施工需要重新搭建作業面，其造價比較高，所以這套方案也不可取。

2.3 腳手架空間散裝

結合施工現場實際情況，本次施工采用腳手架空間散裝方法。必須說明，弦支穹頂施工空間量（跨度、高度）和焊接量都比較大，所以需要注意很多問題，比如腳手架拆裝安全、張拉過程變形監控以及鋼結構屋蓋弦支穹頂下弦環索張拉和拉桿張緊工藝和焊接溫度應力和變形的預防和控制等。

3 結構設計體系對比

3.1 安徽大學體育館

正六邊行是安徽大學體育館主題造型，首先其屋蓋鋼網殼采用截面大，矩形鋼箱梁焊接的雙向矩形截面鋼構件單層網殼。在它六個脊線處各自有一個鋼箱梁作為主鋼箱梁，其余部分徑向的鋼箱梁是次鋼箱梁。而鋼屋蓋是采用截面積較小的矩形冷成型鋼管，它分別構成了4個徑向和環向預應力拉桿和拉索。撐桿是上下鉸接的方式，使用的是圓鋼管。頂部采光蓋與外沿則設有一個三管桁架閉合圈，它可以為支座所受的水平推力做一個緩沖。這樣主梁，拉索跟外環桁架就基本構成了整體骨架。鋼屋蓋最大高度是291890m，整體才用了30根鋼柱支撐，每根柱子之間的間距是81776m。分別分布于各角點，與六邊形邊上。它們與屋蓋的小腳高度為181290m。

3.2 常州體育館

外圍采用聯方型網格，中心點則才用K8（凱威特）網格。這就構成了常州體育館的橢球形鋼網殼屋蓋。所有索系采用Levy索系，并分設徑向索與環向索（6環），網殼桿件、撐桿（上下鉸接）都采用圓鋼管。所有部位節點采用鑄鋼節點，網殼其他節點則使用相貫節點。因為所有豎向荷載都是通過環向布置的徑向拉索與豎向剛性撐桿由內向外將結構的荷載轉換至最外圈結構環梁上的，所以在下部混凝土環梁上另設24個支座。

3.3 濟南奧體中心體育館

上、下單層網殼與弦支索桿體系構成了濟南奧體中心體育館的鋼結構屋蓋。在頂部網格，也是同樣才用了K8網格，并加以葵花網格混合使用。S索夾通過固接與撐桿下端相連，網殼沿各徑向通過鉸接的方式與撐桿上端相連。而下部則由3個環向索（采用外包雙層PE的1 670MPa級半平行鋼絲束）和造鋼棒（Q345級）采用組成的環形肋組成。跟常州體育館一樣，所有桿件采用圓管鋼，節點是采用鑄鋼節點以及少量的相貫節點。焊接球節點則是外部支座節點通過各索肋、錨栓等各骨架部位連接下部固定結構。

3.4 主要設計數據對比

3個場館的建設中，很多構造部位都是不同的，當然也還是有相同點的。下面，筆者整理出了相關數據的表1，以此來就數據進行分析探究。

表1 主要數據對比

3.5 主要節點設計對比

三個場館建設的上下端節點都各有自己特有的設計，就上端節點來看，安徽大學上端的撐桿與上弦采用的是單耳板連接；常州體育館撐桿上端節點為由鑄鋼球形撐頭、球頭夾和撐桿桿體構成的球鉸；跟安徽大學類似的是濟南奧體中心體育館也是采用的單耳板連接。就下端節點的連接方式來看，安徽大學采用的是跟上端一樣的單兒板連接。在連接處還增加了加勁肋，撐桿下端節點板都必須與環向索、徑向桿相連。網殼各管之間的也采用焊接連接。最后，濟南奧體中心體育館與常州體育館下端節點是一樣的。都是由索夾和耳板銷軸節點組成。索夾則是固定上端的環向索，耳板銷軸則是連接下撐桿與徑向鎖頭。

4 鋼結構網殼工程安裝方案

4.1 安徽大學體育館鋼網殼安裝方案

根據現場實際的施工情況，可以提出安徽大學體育館安裝的總體思路。屋蓋主要由主箱梁、次箱梁、內外桁架、吊桿及拉索等組成，在調運這些材料的時候，起吊設備必須根據實際需要選用，比如，主梁最大跨度是30m，上弦最大標高是2611m，吊裝時，吊裝半徑就不得小于6m，吊點高度必須大于30m等。在安裝之前，臨時承受屋蓋荷載（吊裝結束后可以拆除）要在內桁架與主箱梁交接處分別搭設一組高空胎架。

4.2 常州體育館鋼網殼安裝方案

鑄鋼件的定位精度直接影響鋼結構屋蓋的安裝，而常州體育館屋蓋節點施工中都是采用的鑄鋼件。所以為了保證安裝質量，必須把握好其定位精度。所以，我們特此設計了一套方案：滿堂腳手架（采用D50的標準腳手架及架設于鋼網殼屋蓋范圍內）與支撐架（采用型鋼和圓鋼管及架設于偶數環向索下方）混合使用。這些輔助設備在焊接結束后可以全部拆除、卸載。鋼網殼屋蓋在吊裝過程中主要以單個鑄鋼件為起吊單位，在現場需地位2臺27027塔吊和1臺5613塔吊配合施工使用。然后環向管和徑向管交替安裝，最后采用對稱環形焊接進行焊接。

4.3 濟南奧體中心體育館鋼網殼安裝方案

與常州體育館類似的是濟南奧體中心體育館也同樣采用了滿堂腳手架對鋼結構屋蓋進行安裝施工。同時，再次場館的建設中，也是布置了胎架，它分布于腳手架中間部位作為支撐使用，因為會有大量的構件吊裝到腳手架上進行高空散裝。在這一場館網殼安裝的安裝中，是由外部節點和桿件向內對稱以兩個單位節點安裝的，因為體育館的網殼是十字交叉狀。所以需在補全十字構件中間的桿件后對網殼中心的風帽節點與桿件進行安裝。最后完成弦支構件的安裝。在這里要強調的是，在焊接的過程中，為了最大限度的減小結構變形不應該發生重復環間變形，因此采用先內后外，先焊內圈接口在焊圈外接口，以及遵循奇偶交替的原則進行焊接。

5 預應力張拉方案

5.1 安徽大學體育館預應力張拉方案

在張拉控制時必須要遵循伸長值控制輔助拉桿力控制的原則。安徽大學體育館在建設的時候采用徑向桿張拉，張拉端在徑向桿的中間，張拉節點位于徑向桿連接套筒處，這樣設計是為了建立結構所需預應力。然后根據事先設計好的張拉力標準值，通過油泵將油壓施加到2個千斤頂，最后調節套筒以達到所需施加的力。實施拉索預應力時，分為三個階段，第一階段張拉至設計標準值的3成；第二個階段拉至70%；第三階段就是拉滿。這里可以注意到，它是依此拉滿的。而且，在張拉時要同時使用6套張拉設備進行，張拉順序是千斤頂外圈往中間移動的，每次張拉6個單位的徑向拉桿也就是一圈。在張拉是要求支座必須固定，通過預應力施加讓其余網殼脫離。

5.2 常州體育館預應力張拉方案

根據常州體育館的工程特點，采用環向索張拉法在結構中建立所需的預應力。與安徽大學體育館一樣使張拉索之間的距離經過前三個階段得到控制后。環向索力便是最后一階段主要是需要控制的。并在需要時對其進行適當的調整。要注意在結構安裝時支座滑動，需在拉索張拉前落下支架且固定支座。采用雙向控制的原則控制好拉索的張拉，保證期線性不變，撐桿垂直度均勻，環向索力均勻；并且，為了能在實際張拉時控制好張拉力和索段距離，必須主要控制環向索力和撐桿垂直度，還要分層同步的控制相同環的環向索以此來控制結構形狀與所受內力。

在所有結構安裝完后，從外向內逐一張拉拉索。在短軸和長軸附近設置4個張拉點在前3個環向索；最后在長、短軸附近的環向索沿45b方位的環向索每環設置由2臺千斤頂、1臺油泵、1套張拉工裝組成的8個張拉點。

5.3 濟南奧體中心體育館預應力張拉方案

徑向鋼拉桿張拉法施加預應力是濟南奧體中心體育館在施工時所采用得方案。做好網殼拼裝已經固定好支座以后，便分兩個階段開始對徑向拉桿進行張拉，并且張拉過程中，同環內的徑向拉桿分級同步進行張拉。最初階段，從外環向內開始張拉，需達到0～50%；第二階段則是從內環向外開始張拉，在第一階段的基礎上達到滿預應力。在第一階段張拉結束后，結構為一完整弦支穹頂，而且在張拉時，主要結構網殼是單層的，很容易出現安全隱患，所以必須在第一階段保證支架不落仍然支撐網殼。同時為了保證支架不受張拉的影響，在第一階段結束后，必須將所有支架脫離結構。當然在所有張拉結束后就可以安裝構造索了。

6 結語

安徽大學體育館、常州體育館和濟南奧體中心體育館3項工程是在采用弦支穹頂這一新型結構體系后在我國比較成功的樣板工程。隨著時代的進步，我國各地的建設項目也多起來了，隨之而來的空間結構建設也迅速發展。筆者結合實際通過對以上三個主體場館建設中鋼結構的幾個要點進行了逐一的分析、解答、總結、希望可以從中讓同行業者們能夠得到一些啟示，以此來共同探究這一課題。

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