勁性支撐穹頂結構的施工方法與試驗研究

薛素鐸，高占遠， 2，張超，王瓊

（1.北京工業大學 工程抗震與結構診治北京市重點實驗室，北京，100124；2.清華大學 土木工程系，北京，100084；3. 河北農業大學 理工學院，河北 保定，071071）

勁性支撐穹頂結構的施工方法與試驗研究

薛素鐸1，高占遠1， 2，張超1，王瓊3

（1.北京工業大學 工程抗震與結構診治北京市重點實驗室，北京，100124；2.清華大學 土木工程系，北京，100084；3. 河北農業大學 理工學院，河北 保定，071071）

基于勁性支撐穹頂結構具有桿件定位容易、自身質量小及結構效率高等特點，提出中心場地拼裝逐步張拉提升的施工方法和地面拼裝高空提升1次張拉成形的施工方法。將這2種施工方法對比分析，確定采用中心場地拼裝逐步張拉提升的施工方法，采用FEDR算法進行施工成形分析。設計1個直徑為6 m的勁性支撐穹頂結構模型，采用中心場地拼裝逐步張拉提升的施工方法對試驗模型進行施工，將試驗結果與理論分析結果進行對比分析。分析試驗過程中容易出現的關鍵問題并給出解決方案。研究研究表明：設計的試驗模型是可行的；采用中心場地拼裝逐步張拉提升的施工方法施工時，各步的內力和位移試驗值與理論值基本吻合。

勁性支撐穹頂結構；中心場地拼裝逐步張拉提升施工方法；模型試驗；FEDR算法

勁性支撐穹頂結構［1］是一種新型的預應力空間結構，上層是索網體系，下層為剛性桿支撐，是由索穹頂結構發展而來。高強鋼拉桿的引入使其與索穹頂結構有很大不同，索穹頂結構的施工方法不再適用，但可作為勁性支撐穹頂結構的重要參考。尋找適合勁性支撐穹頂結構的施工方法十分必要。新的建筑結構形式、施工工藝及理論方法的研究都離不開結構試驗，在建筑科學研究和技術革新中起重要作用［2］。勁性支撐穹頂結構是一種新型的預應力空間結構，研究其施工方法等離不開模型試驗，索穹頂結構的施工方法可作為重要參考。鄭君華等［3］基于機構分析原理，以 1個葵花型索穹頂結構模型為研究對象，考慮了張拉最外圈斜索、張拉最外圈脊索及張拉最外圈環索等成形法。張建華［4］提出了分層頂升豎桿法，在施工過程中附加環索。張成等［5］提出了1種只張拉端部斜索的肋環型索穹頂結構施工成形方法。錢英欣等［6］針對大陸地區首個大型索穹頂結構工程，提出了地面整體拼裝、整體提升外脊索和外斜索的安裝方法。郭正興等［7］結合無錫新區科技交流中心首個剛性屋面索穹頂工程，提出了無支架提升索桿累積安裝技術。此外，國內外許多學者對索穹頂結構進行了模型試驗研究［8-15］。本文作者提出中心場地拼裝逐步張拉提升和地面拼裝高空提升1次張拉成形的施工方法，將2種施工方法進行對比，設計1個直徑為6 m的勁性支撐穹頂結構。采用中心場地拼裝逐步張拉提升的施工方法對試驗模型進行施工，將試驗結果與理論分析結果進行對比分析，分析試驗過程中所產生的誤差及原因，并給出解決方案。

1　施工方法的確定

1.1索穹頂結構施工方法的不足

索穹頂結構雖已有許多實際工程，但其施工方法仍是難題，且已有的施工方法存在以下不足［16］：1） 工作人員需高空作業來完成結構的安裝和張拉；2） 張拉過程中采用逐層張拉法，施工難度增加，且不容易滿足建筑設計外形要求，同時給施工模擬分析和過程控制帶來很大的困難；3） 對張拉的對稱性要求高。有的施工方法需反復張拉放松脊索，給施工模擬分析和施工過程控制帶來困難。勁性支撐穹頂結構下部為剛性桿，具有初始剛度，使得節點定位容易。環桿是不連續的，避免了索穹頂結構的下部環索與撐桿節點之間可能產生的摩擦和滑移問題。上部柔性索便于與覆蓋膜材連接。該結構充分利用了材料的特性，且自重隨著跨度的增大而不明顯增加［2］。

基于索穹頂結構現有施工方法存在的不足和勁性支撐穹頂結構自身特點的分析，提出2種施工方法：中心場地拼裝逐步張拉提升的施工方法和地面拼裝、高空提升1次張拉成形的施工方法。以圖1所示的設有2道環桿的肋環形勁性支撐穹頂結構為例，對這2種施工方法進行分析。

圖1　勁性支撐穹頂結構Fig. 1　Structure of rigid bracing dome

1.2中心場地拼裝逐步張拉提升的施工方法

該施工方法以節點由內向外、先上后下的順序逐節點拼裝整體張拉提升為原則。具體步驟如下。

1） 搭設中心場地及看臺上的操作平臺，見圖2（a）。

2） 安裝中心內拉環，內脊索的上端與中心內拉環的上耳板連接。內脊索另一端與中脊索連接，中脊索另一端通過工裝索與操作平臺的臨時裝置連接，見圖2（b）。

3） 安裝內環桿，對稱安裝內斜桿上端，將內斜桿的下端與中心內拉環的下耳板連接，見圖2（c）。

4） 對稱安裝中撐桿上端，中撐桿下端與內環桿上節點連接。整體張拉提升中脊索工裝索，將中脊索與操作平臺上節點連接，見圖2（d）。

5） 在操作平臺上張拉中斜桿工裝索，將中斜桿與操作平臺上的節點連接，見圖2（e）。

6） 外脊索的一端與操作平臺上的節點連接，外脊索的另一端通過工裝索與環梁連接。張拉外脊索的工裝索使其內力達到預定值，放松節點的臨時固定裝置，見圖 2（f）。按照節點先內后外、先上后下的順序對稱安裝中斜桿上端、外撐桿，并將外斜桿的下端與外環桿上的對應節點連接。

7） 整體張拉提升外脊索，將外脊索與環梁上的節點連接，見圖2（g）。

圖2　中心場地拼裝逐步張拉提升施工方法（方法Ⅰ）施工過程示意圖Fig. 2　Schematic diagrams of construction processes of method Ⅰ

8） 整體張拉外斜桿的工裝索，將外斜桿的上端與環梁上的節點連接，見圖2（h）。

9） 張拉調節外脊索，使結構達到設計外形。10） 鋪設膜材，完成施工。

若實際工程沒有看臺，即不需要設置臨時支撐，則在地面拼裝、逐步張拉提升即可。

1.3地面拼裝高空提升1次張拉成形的施工方法

1） 安裝內拉環，地面搭設拼裝平臺，見圖3（a）。在場地中心位置進行拼裝連接。在拼裝時，準確放置內拉環的位置，使內拉環上的耳板和外環梁上的耳板相對應。

2） 安裝脊索體系。地面拼裝脊索體系，通過脊索工裝索將脊索和外環梁相連，保證脊索工裝索具有足夠的長度，見圖3（b）。

3） 拼裝內斜桿。內斜桿拼裝在脊索體系拼裝完成后進行，安裝內斜桿，將內斜桿一端和脊索端頭相連，將中撐桿一端也與脊索端頭相連。然后，將內斜桿另一端與內拉環下端節點相連，見圖3（c）。

4） 安裝中環桿。在設計時預先確定的地面位置安裝中環桿。

5） 安裝中撐桿。將內拉環吊裝索和中環桿吊裝索安放在起重機吊鉤上，起吊內拉環，當起吊到一定高度后，將中撐桿下節點與環桿相連，見圖3（d）。

6） 安裝中斜桿。中斜桿一端與中環桿上的節點相連，另一端用工裝索牽拉到中間操作平臺。提升起重機到一定高度，分別對稱牽引中斜桿工裝索，將中斜桿與脊索索夾相連。將外撐桿一端與脊索索夾相連，見圖3（e）。

7） 安裝外環桿。在操作平臺上安裝外環桿，見圖3（f）。

8） 安裝外撐桿。繼續提升起重機，將外撐桿下端與外環桿下節點相連，見圖3（g）。

傳統養魚經驗認為，魚、鱉不能共生存，鱉是魚池中的敵害生物。但實踐表明，魚鱉不但可以共生存，而且能相互促進相互利用，提高水體利用率，挖掘生產潛力。

9） 安裝外斜桿。外斜桿只需要一端和外環桿節點相連，另一端通過外斜桿工裝索和外環梁相連即可完成外斜桿的安裝，見圖3（f）。

10） 安裝外脊索和斜桿銷軸。提升起重機到指定高度，然后對稱提升脊索工裝索，并安裝脊索銷軸。安裝同一位置的斜桿銷軸。安裝按相同方向進行，直到安裝完成。

圖3　地面拼裝高空提升1次張拉成形施工方法（方法Ⅱ）施工過程示意圖Fig. 3　Schematic diagrams of construction processes of method Ⅱ

1.4施工方法對比分析

中心場地拼裝逐步張拉提升施工方法的優點是避免了高空作業、脊索不用反復張拉、張拉過程簡單且下部鋼拉桿施工過程中始終處于受拉狀態。地面拼裝高空提升1次張拉提升施工方法的優點是避免了高空作業、脊索不用反復張拉，操作過程也相對簡單，缺點是不能保證下部的鋼拉桿始終處于受拉狀態。

通過對比這2種施工方法的優缺點，中心場地拼裝逐步張拉提升的方法施工步驟更加明確，操作過程更加簡單，且能夠保證下部的剛拉桿始終處于受拉狀態，該施工方法更適合勁性支撐穹頂結構。

目前，索穹頂的實際工程有幾十座，取漢城奧運會體操館［17］、喬治亞索穹頂［18］、伊金霍洛旗索穹頂［19］這3個有代表性的實際工程的施工張拉過程與提出的施工方法進行對比，見表1。

從表1可知：與現有的索穹頂結構的施工方法相比，中心場地拼裝逐步安裝張拉提升的施工方法充分發揮了勁性支撐穹頂結構的優點，同時具有地面（或操作平臺）拼裝避免了高空作業、張拉過程簡單、只需對稱提升張拉等優點。

表1　施工方法對比Table 1 Comparison of construction methods

2　試驗研究

2.1模型設計

設計1個直徑為6 m的試驗模型，主要包括周邊支撐體系、臨時支撐體系、脊索、斜桿、環桿、撐桿及節點等部件，結構模型剖面如圖4所示。

圖4　試驗模型Fig. 4　Profile of test model

周邊支撐體系包括環梁、立柱和斜向支撐等，如圖 4（a）所示。環梁設計為圓弧形，分成 8段，采用H150×150×10×10的型鋼。立柱是自平衡結構的支撐構件，高為1.5 m，柱身采用直徑為89 mm、壁厚為5 mm的鋼管。斜向支撐是為了保證周邊支撐系統的穩定性，采用邊長為65 mm、厚為3 mm的等邊角鋼。

模擬實際工程中有體育場看臺的情況，搭設臨時支撐體系。臨時支撐體系包括柱子和環梁，見圖4（a）。臨時支撐的環梁采用直梁，分成8段，截面尺寸與周邊支撐體系環梁的相同，柱高為0.75 m，柱截面與周邊支撐體系立柱的相同。

根據模型受力分析及實際情況，鋼拉桿直徑為8 mm。鋼索直徑為 6 mm，索的調節長度范圍為±20 mm。撐桿均選用直徑為20 mm、壁厚為3 mm的鋼管。

2.2測點布置

考慮勁性支撐穹頂結構的結構特點以及施工方法，選擇模型上的②-⑥軸、③-⑦軸上的所有桿件及②軸和③軸、③軸和④軸、⑥軸和⑦軸、⑦軸和⑧軸之間的環桿作為內力監測點，如圖 5（a）所示。取④-⑧軸和③-⑦軸上的所有撐桿上節點作為節點位移監測點，如圖5（b）所示。

2.3施工成形試驗

施工安裝張拉步驟如下。

1） 柱子定位，場地找平。

2） 安裝周邊柱子及環梁，安裝臨時支撐。

圖5　測點布置Fig. 5　Layouts of measuring points

3） 中心場地內的桿件拼裝連接。

4） 按節點先上后下的順序安裝中心場地內的桿件，將中脊索安裝到臨時支撐上。記錄靜力應變測試儀上的初始讀數，用全站儀測監測點的坐標。

5） 安裝中斜桿。將中斜桿的上端與臨時支撐連接，然后用導鏈進行張拉，張拉到位后將中脊索下端與節點連接。記錄靜力應變測試儀上的讀數，用全站儀測量監測點的坐標。

6） 安裝外脊索。將外脊索的一端與周邊環梁連接。用鋼絲繩連接撐桿上節點的耳板，鋼絲繩的另一端與導鏈連接。去掉臨時裝置的螺栓，8面同時分級張拉，以張拉1 cm為一級。張拉到位后，將外脊索的另一端與撐桿上節點連接。記錄靜力應變測試儀上的讀數，用全站儀測量監測點的坐標。

7） 安裝外斜桿。將外斜桿的一端與周邊環梁連接，用導鏈連接撐桿下節點，在8個方向同時分級對稱張拉，張拉到位后將外斜桿另一端與撐桿下節點連接。記錄靜力應變測試儀上的讀數，用全站儀測量監測點的節點坐標。

8） 結構成形。撤出導鏈，結構張拉成形。

2.4試驗結果分析

FEDR法［20］是一種新型的施工成形分析方法，具有動力松弛法、有限單元法的優點。針對勁性支撐穹頂結構，采用FORTRAN語言和ANSYS的APDL語言編制的FEDR算法程序，對勁性支撐穹頂結構的試驗模型進行施工成形分析。

取中心撐桿軸②上對應的外脊索、中脊索、內脊索、外斜桿、中斜桿、內斜桿、②軸和③軸之間的環向桿件等桿件的內力，以及軸②上的撐桿上節點B，C 和D的豎向坐標，其理論值與試驗值見表2～5。

表2　安裝中脊索和中斜桿節點豎向坐標Table 2 Vertical coordinates of nodes when intermediate cables and rods are installed

表3　安裝中脊索和中斜桿桿件內力Table 3 Member forces when intermediate cables and rods are installed

表4　安裝外脊索和外斜桿節點豎向坐標Table 4 Vertical coordinates of nodes when outer cables and rods are installed

表5　安裝外脊索和外斜桿桿件內力Table 5 Member forces when outer cables and rods are installed

由表2和表4可知：節點豎向坐標的理論值與試驗值較吻合，相對誤差均小于 6.62%。節點坐標的理論值與實驗值的相對誤差由外到內逐漸增大，表明節點坐標是施工控制的重要指標之一。

由表3和表5可知：構件內力理論值與試驗值基本吻合；張拉中斜桿時，桿件內力的誤差比較大，甚至達到16.71%。經分析發現，臨時支撐上臨時連接件距中心點的距離比設計值近1.5 cm左右，是造成較大偏差的原因之一，儀器的飄移也是造成誤差的重要原因之一，特別是對內力較小的桿件影響比較大。其他桿件內力的理論值和試驗值均吻合較好，相對誤差均在10.00%以內。

通過試驗分析可知：桿件內力和節點位移均基本吻合，說明提出的中心場地拼裝逐步張拉成形的施工方法是可行的，且簡單高效，可應用于勁性支撐穹頂結構實際工程。提出的FEDR施工成形分析方法和編制的程序是可行的、正確的，可用于勁性支撐穹頂結構實際工程的施工成形分析。

3　遇到的問題及解決策略

3.1索力不均勻現象

安裝中脊索到臨時支撐環梁時，各中脊索出現內力不均勻現象。通過文獻［21］的敏感性分析可知：造成索內力不均勻的原因包括支座定位偏差和構件長度偏差，且影響均高度顯著。經分析，造成此現象的原因有2個：1） 臨時支撐的連接件距離中心點的距離不一致；2） 相同位置的索長度不一致。解決策略為：校核臨時連接件到中心點的距離，根據實際情況將臨時連接件到中心點的距離定為198.5 cm，通過全站儀由周邊柱子上的中心點反測到臨時支撐體系的柱面上，由2個方向的點確定臨時連接件的位置，以保證臨時連接件到中心點的距離及各臨時連接件的環向距離相等。采取張拉前和張拉后2次校核的方式對各脊索構件長度進行量測校核。

3.2結構未起拱

在試張拉過程中，將外斜桿安裝完成后，結構并未起拱，甚至出現索松弛現象。通過文獻［21］的敏感性分析可知：影響索內力偏差的顯著因素是構件長度偏差和支座定位偏差。支座定位偏差經過校核很小，可忽略。經分析，造成結構未起拱的原因有2個：1） 相同位置的構件長度存在差異；2） 張拉位置存在問題，導鏈放置位置過低。

經測量相同位置的構件長度最大相差近1 cm。在試張拉過程中導鏈放在環梁的下側，位置偏低。解決策略為：將每個構件長度均采取安裝前和安裝后2次校核，保證相同位置的構件長度一致。模型跨度較小，很小的構件長度偏差就會引起整個結構出現誤差。索頭較容易轉動，不經意的轉動就會引起很大的構件長度偏差，因此，為了避免轉動，量測好之后用膠布將索頭臨時固定。導鏈放在周邊支撐體系的柱頂上，以保證張拉高度。

4　結論

1） 提出了中心場地拼裝逐步張拉提升和地面拼裝整體提升1次張拉成形的施工方法，中心場地拼裝逐步張拉提升的施工方法更適合勁性支撐穹頂結構。

2） 施工成形試驗結果與理論值之間吻合較好，表明基于FEDR算法的施工成形分析方法、采用ANSYS 的APDL語言和FORTRAN語言編制的施工成形程序是準確、可靠的，可用于實際工程施工成形分析。

3） 提出的中心場地拼裝逐步張拉提升的施工方法簡單、高效，在整個試驗過程中，桿件的位移容易控制，施工難度低，速度快，充分考慮了勁性支撐穹頂結構的優點。該施工方法可供勁性支撐穹頂結構實際工程使用。

4） 支座位置偏差和相同位置桿長偏差是造成結構偏差的重要原因，在工程實踐中應予以重視。

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（編輯 陳燦華）

Research on construction method and model test of rigid bracing dome

XUE Suduo1， GAO Zhanyuan1， 2， ZHANG Chao1， WANG Qiong3

（1. Beijing Key Laboratory of Earthquake Engineering and Structural Retrofit，Beijing University of Technology， Beijing 100124， China；2. Department of Civil Engineering， Tsinghua University， Beijing 100084， China；3. College of Technology， Agricultural University of Hebei， Baoding 071071， China）

According to the structure characteristics of rigid bracing dome， the node-by-node assembling and integral tension method， ground assembly and overhead tensile construction method were given， the two kinds of construction method were analyzed， and the construction method was determined. The construction forming of structure was analyzed by FEDR algorithm. Experimental model of rigid bracing dome was designed with a diameter of 6 m.Test model was constructed by the first construction method. The experimental results and theoretical analysis results were analyzed. The key problemes were analyzed during the test and the solutions were given. The results show that when the center site assembling gradually stretching lifting construction method is used in test， the experimental results and theoretical analysis results are basically accordant.

rigid bracing dome； the node-by-node assembling and integral tension method； model experiment； FEDR algorithm

TU394

A

1672-7207（2016）04-1219-08

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.04.019

2015-04-10；

2015-06-13

國家自然科學基金項目資助（51378031）；北京市自然科學基金項目資助（8132022）；城市與工程安全減災教育部重點實驗室&工程抗震與結構診治北京市重點實驗室重點項目（USDE201401）；教育部長江學者和創新團隊發展計劃項目（IRT13044）（Project （51378031） supported by the National Natural Science Foundation of China； Project （8132022） supported by the Natural Science Foundation of Beijing； Project （USDE201401） supported by the Key Project of Key Laboratory of Urban Security and Disaster Engineering of Ministry of Education and Beijing Key Lab of Earthquake Engineering and Structural Retrofit； Project （IRT13044） supported by Changjiang Scholars and Innovative Research Team in University）

高占遠，博士（后），講師，從事大跨空間結構研究；E-mail：haifenglingyong@sina.com