輪輻式索桁結構施工關鍵技術研究

劉明亮

上海同磊土木工程技術有限公司 上海 200090

輪輻式索桁結構體系又可稱為輪輻型張拉結構體系，由于其輕量化、建筑外觀輪廓優美、結構受力性能優越等特征，被廣泛應用在大中型體育場館等建筑物的屋蓋構造或結構中[1]。

相比傳統材料，拉索在大跨度體育場館中應用時具有無可比擬的優點，如高強度、質量輕，能提高大跨結構的整體性和美觀性等。輪輻式索桁結構起源于美國建筑師富勒于20世紀提出的“張拉”以及“整體”的理念，其首次將結構由受壓引導至受拉的狀態中。

輪輻式索桁結構早期的典型案例有北京市工人體育館（1961年）和成都城北體育館（1980年）。

目前，國內的輪輻式張拉結構大多為圓形結構，且外圈徑向索多為雙層索，因此施工難度相對較低，但以往項目施工過程中對結構體系的狀態難以實時控制，甚至在張拉施工完成后都無法保證每根拉索的索力與設計值相吻合[2]。本文在借鑒前人理論及施工實踐的基礎上，分析了整體結構外形為橢圓形的單層索-桁結構的施工過程，通過先進的結構健康監測技術，可以實時發現張拉過程中的不穩定情況，及時對張拉力進行調整[3-7]。

1 工程概況及結構特點

上海自行車館鋼屋蓋采用輪輻式懸索結構體系，結構外圈投影面為一個橢圓，內圈投影面為正圓形。建筑層數為地上4層，長軸長128.6 m，短軸長102.8 m，鋼結構標高23.90 m。鋼結構包括4個部分：內環結構、立面鋼柱與立面結構、屋面輪輻式懸掛鋼屋蓋、次結構與檢修馬道。整體鋼結構Tekla模型如圖1所示。

圖1 自行車館鋼結構鳥瞰圖

中央車輪式鋼環采用輪輻式弦支結構體系，直徑35 m；外側鋼框架與中央鋼環結構間是懸索梁屋面。外環標準一榀單元結構形式如圖2所示，屋面主梁與承重索通過吊桿連接，張拉完成后索與屋面梁共同承擔屋面荷載，并通過一系列的力學傳遞，最終將荷載傳遞到外側鋼柱上。

圖2 外環一榀典型結構軸測圖

2 鋼結構施工技術路線

2.1 鋼結構吊裝方法概述

根據自行車館的鋼結構特點，以及項目現場施工條件，將自行車館鋼結構在工廠分段散件加工，運輸到項目現場后，再在地面拼裝成吊裝單元，設置臨時支撐分段吊裝。選擇“臨時支撐、現場拼裝、分段吊裝”的施工方式。

根據工程吊裝特點，整個內場均需作為拼裝場地和履帶吊行走場地，內場回填后進行分層壓實，壓實率不低于94%，確保地基承載力滿足吊機作業需求，場內道路擬采用路基箱板作為吊車的通行道路。外側布置履帶吊環形作業通道，寬度為12 m，承載力不小于200 kN/m2，用于150 t履帶吊行走和作業。外側環形道路與內場留出一條12 m寬的通道，作為內外場車行道；構件堆場分為場外堆場和場內堆場，場外堆場分布于自行車館四周，內部堆場根據施工進度情況實時調整，保證不影響吊裝工作及吊車行走。吊裝范圍內的纜風繩已采取保護措施，根據纜風繩點位規劃吊車行走路線和吊機站位（圖3）。

圖3 施工總平面布置示意

由于本項目內部無任何豎向支撐構件，全部的豎向力全部傳遞到最外圈的700 mm×40 mm的鋼柱上，因此在張拉前，場內設置的支撐較多，而支撐在結構形成穩定體系之前整體性較差，因此纜風繩的設置需根據現場實際情況適時調整，以保證不影響吊車的行車路線。

2.2 鋼結構施工流程

鋼結構整體施工流程如圖4所示，具體如下：搭設內環臨時支撐，分段吊裝內環屋蓋〔圖4（a）～（c）〕→安裝內環徑向拉索，并分級張拉〔圖4（d）〕→吊裝外圈鋼柱及其他立面桿件〔圖4（e）〕→吊裝屋面主梁〔圖4（f）〕→屋面掛索，安裝吊桿、馬道〔圖4（g）〕→主屋面拉索分級、分批張拉〔圖4（h）〕→張拉完畢后，拆除胎架，場地清理〔圖4（i）〕。

圖4 施工順序示意

采取上述施工流程的優點是：

1）內外環可以分別組織流水施工，內環的拉索可以先行張拉以達到內圈體系的整體穩定性。

2）外圈在形成閉合體系前，內圈已吊裝完畢，大型吊車可以從預留的一榀空擋位置撤出內場，從外部場地完成外圈最后一榀桁架和拉索的吊裝工作。

3）拉索的對稱張拉可減少由于大型空間結構在受到不均勻拉/壓力時的瞬時不可逆形變，提高結構的整體性。

4）拉索的分批張拉，可與施工過程中的健康監測系統進行實時校對，若發現有異常的索力變化或結構變形時可適時調整拉索張拉方案，增加了施工的可控性。

3 施工過程中的關鍵技術分析

3.1 拉索安裝技術要點

本項目主拉索現場安裝流程可總結為：工廠里拉索按照施加初始預張力的長度進行生產，并在拉索索皮表面標記索夾定位→拉索運送至項目→開盤放索→安裝吊（撐）桿和索夾→初步測量并計算吊桿下節點定位誤差→根據拉索索皮保護層上的定位標記，并結合撐桿下節點裝配誤差，在調整好各索段長度后，吊裝拉索→再次測定吊桿上節點裝配誤差，并根據節點安裝誤差和拉索生產誤差調節。

自行車館中心內環拉索固定端應先與中間撐桿鑄鋼節點連接，再同時提升，然后通過鋼絲繩吊帶等輔助設備將張拉端牽引到內環梁，工人通過吊車輔助安裝銷軸完成掛索。

自行車館屋面拉索在屋面與主梁上間隔分布，因此拉索的安裝盡量要在主梁吊裝時同步進行，避免鋼梁安裝到位后導致拉索吊裝困難。

屋面拉索需采用50 t吊車配合卷揚機進行展索及掛索（圖5），屋面主梁與拉索之間主要通過吊桿進行連接，拉索通過吊桿將主梁吊住，屋面主拉索最大自重接近3 t，可以在地面將吊桿與主梁連接好同時進行吊裝。拉索的索夾可以在吊裝前于地面上根據打標位置安裝，等屋面拉索吊裝到位并初張拉預緊后（圖6），將主梁及拉索之間的吊桿進行連接；吊桿的安裝可以通過吊車配合。當拉索及撐桿安裝到位后，在拉索張拉端與主體結構連接處搭設張拉操作平臺，進行張拉施工。

圖5 吊車配合掛索示意

圖6 張拉點大樣

3.2 拉索張拉技術要點分析

屋面拉索共分2種，一種是內圈的10根φ75 mm拉索，一種是外圈的40根φ90 mm拉索。設計提供的張拉順序為：在內圈拉索安裝完畢后，先行張拉，然后在外圈鋼結構及拉索安裝完畢后張拉外圈拉索。由于整個結構體系空間跨度非常大，一旦張拉出現偏差，會對結構造成不可挽回的破壞，因此確定張拉方案是鋼結構施工的重點。

內圈10根拉索一次性張拉，按照預緊→50%→100%張拉至設計長度；外圈拉索分批分級張拉（張拉分批需滿足對稱的要求，分4批，如圖7所示），每批張拉按照預緊→30%→50%→80%→100%→105%（超張拉5%）。

圖7 張拉分批示意

拉索全部采用一端張拉，自行車館主動張拉端設置在內環梁處，張拉點大樣見圖6。在內圈環梁上中心10根拉索與屋面40根拉索上均設置張拉調節端，當拉索撐桿吊裝完畢預緊后，可以搭設操作平臺、布置工裝進行張拉。

張拉技術要點如下：

1）張拉同步控制。同一批拉索在啟動液壓油缸施加張拉力時，應保證逐級施加，以控制分級張拉；通過拉索調節螺桿長度，控制同一軸線拉索的同步張拉力。

2）施工張拉力和張拉過程分析。宜進行拉索張拉施工全過程力學分析，預控為先，進行詳細的施工工況分析。

3）張拉順序和張拉時機。待主體結構全部安裝完成及焊接驗收結束后張拉。

4）拉索張拉控制項及其目標。拉索張拉控制應采用以油缸張拉力控制為主，結構整體或局部（屋面主梁）變形控制為輔的原則，主要控制索力，在預應力達到的基礎上控制屋蓋及內環鋼結構的豎向變形。

5）采取可靠監測手段對關鍵部位的索力、位移、應變等進行監測。施工階段結構健康監測宜在鋼結構吊裝前介入，在吊裝各階段進行拉索的索力監測（EM磁通量索力監測）、應變監測（應力比較大的立柱、斜柱、外環梁、屋面梁等關鍵節點）、風環境監測、動力特性監測、關鍵節點變形監測（屋面梁撓度大的位置）。通過對施工過程中自行車館鋼結構的健康監測，可實時監測自行車館施工過程中的結構整體形態變化，及時針對突發的拉索力、屋面梁變形、鋼結構重要桿件及節點應力等參數變化進行復核，并適時調整張拉力等施工措施，實現施工過程的實時有效控制。

3.3 鋼結構相貫節點優化施工的技術要點

屋面主梁為單曲面箱型結構，內圈圈桁架拉索節點復雜，制作工藝復雜、成形難度高。為了解決施工過程中某些多桿件相貫節點焊接質量難以保證的問題，擬定了如下解決方法：柱頂索夾節點和外圈七桿件相貫節點深化為鑄鋼節點（見圖2），解決了此處焊縫疊加帶來的質量隱患。

3.4 施工過程中屋面大跨主梁的撓度控制技術

屋面主梁最大跨度為46 m，吊裝過程中會產生很大的變形，保證結構整體滿足設計終態是本工程順利竣工的關鍵，也是鋼結構施工的重中之重。

因此，經過計算，確定采用跨中分段進行分段吊裝，在跨中設置臨時支撐胎架，既可以作為結構成形前的支撐，又能提供主梁焊接的工作面。

4 施工過程的仿真分析及健康監測技術與施工控制的關系

4.1 施工過程的仿真分析與施工控制的關系

本文結構計算模型采用SAP2000，考慮結構非線性效應、拉索預應力和P-△效應。其計算結果可作為施工控制的參數依據。

施工過程重要的控制指標有拉索索力、關鍵部位變形、應力及支撐胎架反力等。通過對這些指標的監測，可以實現對整個施工過程的有效控制。

內環拉索索力從0張拉到1 750～1 775 kN；屋面拉索從0張拉到1 015～1 370 kN，拉索索力是健康監測最主要的參數指標之一，也是施工控制的關鍵。

豎向最大正位移出現在長跨中部，為117 mm，豎向最大負位移出現在短跨中部，為－52 mm；設計初始態相應位置豎向最大正位移為96 mm，負位移為－10 mm；整體的最終態與設計初始態一次成形理論位形差異不大；因此變形也可作為施工控制的關鍵指標。

臨時支撐胎架反力和主結構應力也是重要的監測指標。

4.2 健康監測技術與施工控制的關系

健康監測是施工控制的重要前提，通過對內外環拉索索力監測、關鍵部位變形監測、應力監測等，可以實時發現吊裝及張拉各個工況下結構的異常情況，及時采取調整措施，確保結構的安全。健康監測的測點一般可根據設計要求或相關規范進行點位、閾值設定。

5 結語

本文以上海自行車館項目鋼結構施工為例，介紹了大跨度輪輻式索桁結構的施工方法，并從鋼結構吊裝和拉索施工2個角度分別對施工過程中的關鍵節點進行了闡述，對施工過程中存在的諸多關鍵技術進行了細致的分析；通過仿真分析模擬了自行車館在施工過程中的各種工況，并將其作為指導現場吊裝和張拉各工況施工以及臨時支撐設置和拆除的依據；結合大跨空間結構健康監測技術，實時進行索張拉施工的有效控制，提高了施工過程的可控性，可以為類似空間大跨工程項目的施工提供參考。