馬鞍形長短軸索穹頂工程分析

近日，國內首個跨度突破百米的索穹頂結構投入使用，該工程位于天津理工大學新校區內，是第十三屆全運會比賽場館之一。

該工程屋蓋平面投影為橢圓形，屋蓋為馬鞍形雙曲面形式，投影面積約為6400㎡，柱頂不等高，平均標高為22.950米。屋蓋結合建筑造型采用索穹頂結構形式，長軸約102m，短軸約82m，內設三圈環索及中心拉力環，最外圈脊索及斜索按照levy式布置，共設32根，與柱頂混凝土環梁相連，內部脊索及斜索呈Geiger式布置，每一圈設16根，拉索最小規格60mm，最大規格133mm，整個索網和內拉環、撐桿的總重量約353T。

1、該工程索穹頂特點：

1.1.結構形式新穎：索穹頂結構有Geiger型和Levy型索穹頂結構，本項目索穹頂結構是Geiger型和Levy的結合體，內側為Geiger型，外側為Levy型。環梁為高低不平的馬鞍形，國內外都比較罕見。

1.2.結構跨度大：本工程索穹頂跨度達到102m，是國內首個跨度超過100m的索穹頂結構。

1.3.本項目索穹頂為非極對稱結構：目前國內已經建成的3座索穹頂結構均為極對稱結構，但本項目索穹頂結構只有兩個對稱軸，外環梁的高度不等，最高27.947m，最低22.215m，由于外環梁的形狀高低起伏造成在提升過程中的索力、提升用的工裝鋼絞線長度都不相同，增加了提升過程的難度。

1.4.結構內力非常大：為了保證結構成型后的形狀，以及各種工況下拉索不出現松弛，成型態下脊索的內力差別比較大，短軸脊索的內力超過500T，長軸脊索的內力74T，超大的內力為結構提升和張拉帶來很大的難度。

1.5.場地內的已建土建結構對結構安裝工藝有影響：本項目在長軸方向布置有土建結構，三層結構的高度為16.4m，在三層的邊緣還布置有5m高的柱子和梁。在成型以后，該土建結構和穹頂結構沒有位置沖突，但是采用提升工藝進行穹頂的安裝，則土建結構對提升工藝有很大的影響。

1.6.拉索規格大：本項目拉索最大規格為D133m的高釩拉索，由于拉索單位重量大，索體本身的剛度也不能忽略，且整個索網和內拉環、撐桿的總重量達到353T，對展索和拉索提升都提出了很高的要求。

1.7.結構在短軸方向的HS1和內拉環之間布置有內環直索

該結構在短軸方向的HS1和內拉環之間布置有內環直索，短軸每個方向各布置5根，一共10根。內環直索的作用可以減小HS1的內力且使環索受力均勻，這也是相對其他類似索穹頂結構的一個新的特點。

2、施工技術特點及難點

本工程所涉及的預應力工程為索穹頂結構。國外的研究已經比較深入和全面，并且有了工程實踐，第一個成功的索穹頂建于1986年，用于在韓國漢城舉辦的亞運會，美國的第一個索穹頂是由Geiger設計的伊利諾斯州立大學的紅鳥體育館。

在國內目前已經施工完成3座索穹頂結構，分別是無錫24m索穹頂、太原36m索穹頂和鄂爾多斯71.2m索穹頂。雖然已經積累了一些工程經驗，但大跨度索穹頂施工案例畢竟不多，尤其是該工程大跨度非極對稱馬鞍形結構的索穹頂結構的施工工藝還沒有應用案例。為此根據本工程的工程特點及技術難點，分析出該工程技術要點如下：

2.1.索穹頂深化設計方案

深化設計主要包括索穹頂結構的節點設計、索長度設計、內環梁設計等索穹頂結構相關構件的深化設計。深化設計對于索穹頂結構施工過程是極其重要的一個過程，其設計過程必須與施工過程相結合，其成功與否直接關系到施工過程的成敗。由于索穹頂結構新穎性，國內深化設計經驗可以借鑒的不多，因此，在深化設計過程中，結合國內外相關資料及施工過程，既保證了設計安全度，又滿足施工過程需要，并具有合理的經濟性。

2.2.施工仿真計算分析

針對具體工程建立結構整體模型，進行施工仿真模擬計算，得出如下結果：

（1）根據設計要求的撐桿的垂直狀態，給出撐桿節點位置的環向索標記力；

（2）驗證張拉施工方案的可行性，確保張拉成形過程的安全；

（3）給出每張拉步張拉力的大小，為實際張拉時的張拉力值的確定提供理論依據；

（4）給出每張拉步結構的變形及應力分布，為張拉過程中的變形監測及索力監測提供理論依據；

（5）根據計算出來的張拉力大小，選擇合適的張拉機具，并設計合理的張拉工裝。

2.3.嚴格控制制索過程

雖然制索在工廠內完成，由于索穹頂結構特殊性，大部分鋼索都是固定不可調節的，因此制索的精度應在深化設計中得到精確計算，完成拉索下料工作，并在實際制索過程得到嚴格控制。一些在制索過程中無法達到的精度或產生的誤差宜在施工過程中通過相關的技術手段進行彌補。

2.4.張拉成形過程

對預應力鋼結構預加預應力的過程應根據具體的結構類型分別采用改變剛性桿件或柔性索的長度等方法。在預應力鋼結構中，尤其宜采用改變柔性桿件的長度的方法。對結構施加預應力，使預應力能夠分布到整個結構，達到預應力的目的，這個預應力過程必須與設計的預應力施加過程相一致。實際的預應力施加過程作為非線性疊加步加以分析，而對于預應力鋼結構來說尤其要區分其初始幾何狀態和預應力狀態。因為在有些預應力鋼結構初始幾何的張拉過程與施加預應力過程并不一致，這時預應力過程必須根據實際的設計情況加以區分，即首先完成曲線或曲面的張拉過程，再考慮為結構提供剛度的過程。如果這兩個狀態不一致時，預應力過程是不能一氣呵成的。簡言之，索穹頂結構的張拉成形過程主要就是確定預應力過程的次序、步驟、采用的機械設備、每次預應力過程的張拉量值，同時控制結構的形狀變化，因為結構的形狀是與預應力分部相匹配的。本工程通過多次討論分析確定了整體張拉成形法來完成本工程的施工過程。

2.5.施工監控

索穹頂結構的成形過程中，在每一階段預應力過程中，結構都經歷一個自適應的過程，結構會經過自平衡而使內力重分布，形狀也隨之改變，所以預應力過程的監控十分重要。本工程施工過程中，采用拉索張拉力控制為主，同時監測結構變形為輔助控制方法，并對應力較大的部分鋼結構進行應力監測。以確保結構施工期安全，保證結構的初始狀態與原設計相符。

2.6.后續施工措施

索穹頂結構張拉完成后，還需要注意結構的其他荷載施加過程，在后續的結構施工過程中，如屋面荷載、懸掛荷載的施加步驟和方法，要盡量保證比較均勻、對稱、勻速地施工，避免出現過大的集中荷載。