援柬埔寨國家體育場屋蓋斜拉索桁結(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任公司，北京 100039； 2.中國中元國際工程有限公司，北京 100089； 3.中國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，類似斜拉橋。斜拉結(jié)構(gòu)的受力特點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)常應用于飛機庫、體育場館屋蓋、會展中心等[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)，斜拉索通過塔桅將柔性索網(wǎng)拽起形成一個張力懸吊結(jié)構(gòu)[2]。1990年亞運會主體育館——北郊體育中心體育館，是我國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年浙江黃龍體育中心是我國最早應用斜拉結(jié)構(gòu)的大型體育場項目，外環(huán)直徑達244m，網(wǎng)殼懸挑長度為50m[4]。廣州大學城中心體育場采用斜拉鋼網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，針對桅桿下端鉸接的特點, 研究張拉時機對設(shè)計的影響[5]。鄭州國際會展中心采用斜拉索拱結(jié)構(gòu)，針對斜拉索張拉時機對整體結(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]。

援柬埔寨國家體育場采用新型斜拉索桁結(jié)構(gòu)屋蓋體系，為國內(nèi)外首例。關(guān)于將全柔性魚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)傳力復雜、施工經(jīng)驗不足、施工控制難度大，從節(jié)點深化設(shè)計、施工方案制訂到現(xiàn)場實施，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家體育場斜拉索桁屋蓋結(jié)構(gòu)技術(shù)特點及其張拉方案，并對施工過程進行監(jiān)測，以有效控制施工過程。

1 工程概況

援柬埔寨國家體育場位于柬埔寨首都金邊市東郊規(guī)劃的體育中心內(nèi)，項目建設(shè)用 地面積162 200m2， 總建筑面積約82 400m2，設(shè)計觀眾席60 000 座，是目前我國對外投資額最高、規(guī)模最大的體育場項目。建筑效果如圖1所示。

圖1 體育場建筑效果

體育場主體結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，環(huán)梁中部高、兩端低，梁頂標高為26.000～39.900m，人字形索塔向場外傾斜，頂標高為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斜拉索吊起，與斜拉索相對應的索塔外側(cè)從索塔頂部向地面設(shè)后背索。

2 屋蓋結(jié)構(gòu)體系

體育場屋蓋徑向構(gòu)件波峰處采用36道魚腹式索桁架，波谷處采用34道谷索。谷索在靠近環(huán)索處分叉為Y形，分別與相鄰的魚腹式索桁架、環(huán)索節(jié)點連接。斜拉索、魚腹式索桁架、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)點深化設(shè)計

拉索節(jié)點主要分為環(huán)索節(jié)點、徑向索節(jié)點及谷索節(jié)點。為保證節(jié)點質(zhì)量安全，對各節(jié)點進行有限元分析，通過節(jié)點變形和應力，判斷節(jié)點強度是否滿足要求。

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

分段螺桿式連接節(jié)點位置需能承受拉索破斷荷載，同時滿足節(jié)點有足夠的安裝操作空間；對調(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)絲桿連接無法像拉索索體一樣實現(xiàn)小角度偏轉(zhuǎn)，因此，在設(shè)計時應滿足結(jié)構(gòu)線形，防止調(diào)節(jié)絲桿受彎。環(huán)索節(jié)點如圖3所示。

圖3 環(huán)索節(jié)點示意

采用CAD建立實體模型，通過有限元軟件對環(huán)索節(jié)點夾進行力學分析，根據(jù)拉索破斷荷載，節(jié)點荷載取其0.6倍。環(huán)索節(jié)點計算模型如圖4所示，環(huán)索節(jié)點變形及應力云圖如圖5所示。由圖5可知，節(jié)點絕大部分區(qū)域處于彈性范圍，安全可靠。

圖4 環(huán)索節(jié)點計算模型

圖5 環(huán)索節(jié)點變形及應力云圖

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)造復雜，包含近10種類型拉索；現(xiàn)澆混凝土的邊界條件對張拉過程中主體結(jié)構(gòu)變形、應力控制十分嚴格，其中，保證99m高的人字塔變形滿足設(shè)計要求更是重中之重。因此，須制定適合結(jié)構(gòu)特點、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力求在主動受力索數(shù)量少、張拉力低的情況下，結(jié)構(gòu)達到成型態(tài)；③成品保護 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，采用腳手架進行搭設(shè)。結(jié)合現(xiàn)場施工條件和結(jié)構(gòu)特點，擬選定2種胎架搭設(shè)形式。

1)方案1(見圖6) 上徑向索在自然狀態(tài)下，鋪放在看臺板上，環(huán)索節(jié)點通過CAD放樣找出鋪放位置，架體量減少；但在環(huán)索節(jié)點脫離胎架時，徑向索為折線形式，折點處徑向索豎向分力對預制看臺板產(chǎn)生過大壓力致其破壞，索體也會有炸絲、斷絲的風險。

圖6 低空胎架搭設(shè)方案1

2)方案2(見圖7) 以上徑向索長度為半徑畫弧，與環(huán)梁和高看臺邊緣兩點的延長線相交，交點為環(huán)索節(jié)點鋪放位置。架體量增大，但可避免對預制看臺板的破壞，最大限度地保護主體結(jié)構(gòu)安全；同時，能有效將索力最大的環(huán)索轉(zhuǎn)化為被動受力索。

圖7 低空胎架搭設(shè)方案2

綜上，選擇方案2進行低空胎架搭設(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)

本項目拉索、索夾節(jié)點及其構(gòu)件構(gòu)造復雜，數(shù)量種類繁多，對安裝質(zhì)量要求極高。保證流水施工的同時，需確保各構(gòu)件安裝位置準確；考慮拉索下料及主體結(jié)構(gòu)邊界條件誤差，調(diào)整各拉索絲桿長度；嚴控徑向索索夾、谷索索夾安裝方向和螺栓扭矩值；保證拉索和索夾節(jié)點表面觀感。

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，主要作用是設(shè)置卷揚機鋼絲繩吊點和倒鏈反力點。設(shè)置提升動滑輪組吊裝裝置，提升斜拉索一端錨具至耳板處，通過輔助耳板和倒鏈安裝斜拉索銷軸。

3)環(huán)索節(jié)點脫離胎架

環(huán)索節(jié)點最重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)先后進行，采用2臺履帶式起重機，每次抬起2個環(huán)索節(jié)點，將南、北對稱的環(huán)索節(jié)點從中間向兩邊逐步抬起。在斜拉索提升過程中環(huán)索節(jié)點依次脫離胎架，最大限度地減少了對胎架的擾動，此時，脫離后的環(huán)索節(jié)點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級提升，提升力應緩慢分級增加，分級標準為各列撐桿下節(jié)點安裝時機。每提升一級，安裝環(huán)向每列撐桿下節(jié)點，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，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36根下徑向索進行同步等比例分級張拉；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)，使后背索就位時張拉力較小。下徑向索張拉期間，吊塔變形敏感性高，施工過程中變形較大易引起混凝土開裂，因此，張拉應連續(xù)緩慢進行。

4 施工過程監(jiān)測

本項目最大特點為混凝土結(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，對拉索索力、主體結(jié)構(gòu)位形和應力進行全過程監(jiān)測。

4.1 索力監(jiān)測

索力監(jiān)測主要針對主動索索力，包括36根斜拉索、36根下徑向索、34根谷索和16根后背索。提升過程中，索力監(jiān)測通過油壓表來實現(xiàn)。索網(wǎng)成型后，采用JMM-268型索力動測儀進行索力測量。

4.2 結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測

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

1)環(huán)梁位移測點布設(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)模擬計算，索網(wǎng)施工過程中，由于結(jié)構(gòu)的抱箍效應，環(huán)梁中部向場地內(nèi)(x方向)最大變形為138mm，環(huán)梁與吊塔連接部位向場地外(y方向)最大變形為49mm。

圖9 環(huán)梁測點布設(shè)

2)吊塔同時承受斜拉索和后背索的拉力，在索網(wǎng)施工過程中，尤其對塔頂位移影響顯著。本項目共2個吊塔，每個吊塔沿高度從下至上布設(shè)6個測點，吊塔測點布設(shè)如圖10所示。

圖10 吊塔測點布設(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個角點和中點2個位置，共布設(shè)6個測點，如圖11所示。

圖11 后背索基礎(chǔ)變形測點布設(shè)

4)通過環(huán)索位形控制索網(wǎng)成型位形，在環(huán)索節(jié)點中心布設(shè)反光片，環(huán)索位形測點布設(shè)如圖12所示。

圖12 環(huán)索位形測點布設(shè)

4.3 結(jié)構(gòu)應力監(jiān)測

本項目主要包含吊塔、環(huán)梁和環(huán)柱的應力監(jiān)測，采用BGK-4000弧焊型振弦式應變計進行結(jié)構(gòu)的應力測量。

施工過程中對吊塔、環(huán)柱受力敏感部位進行應力監(jiān)測，測點布置如圖13所示。

圖13 應力測點布設(shè)

4.4 監(jiān)測結(jié)果

實際監(jiān)測結(jié)果與模擬理論值誤差總體不超過10%，表明結(jié)構(gòu)施工在控制范圍內(nèi)，滿足設(shè)計要求。

5 結(jié)語

援柬埔寨國家體育場采用新型斜拉索桁結(jié)構(gòu)屋蓋體系，將全柔性魚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)傳力復雜，施工經(jīng)驗不足，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)點采用分段螺桿式，能夠有效承受環(huán)索節(jié)點處的不平衡力。深化設(shè)計時，應考慮結(jié)構(gòu)線形，防止調(diào)節(jié)絲桿受彎。

3)環(huán)索節(jié)點脫離胎架，應減少對胎架的擾動。必要時可加固胎架，增加胎架的整體性和抗側(cè)剛度。

4)研究索網(wǎng)施工全過程監(jiān)測主體結(jié)構(gòu)受力和變形，成型態(tài)時環(huán)梁受抱箍效應影響，中部向場地內(nèi)變形，內(nèi)表面受拉，根部向場地外變形，外表面受拉；吊塔塔頂位移較敏感，張拉過程需緩慢同步進行。