泰州體育公園體育場索承網格鋼結構施工與健康監測研究

蔣鳳昌 ，唐金來 ，王安國 ，韓渭國 ，劉國華 ，周桂香

（1.泰州職業技術學院，江蘇泰州 225300；2.錦宸集團有限公司，江蘇泰州 225300；3.江蘇永泰建造工程有限公司，江蘇泰州 225300）

0 引言

在體育場和足球場等大型體育建筑中，由于考慮功能與經濟性的要求，中心部位常常為露天賽場，建筑平面中部存在大開口，周邊的體育看臺上方通常為懸挑鋼桁架或鋼網架結構屋蓋，由于其懸挑尺寸較大，通常達40m 左右，導致鋼結構桿件數量較多且截面較大，使得結構用鋼量較大且影響美觀效果。因此，業內近年來研究出一種剛柔結合的雜交結構——大開口車輻式索承網格鋼結構[1]，其上弦由主次鋼梁焊接而的鋼網格構成剛性結構，下弦由車輻式布置的徑向鋼索及其撐桿構成柔性索桿體系，鋼網格呈橢圓形環狀布置，擔當受壓構件，從而形成自平衡系統。

索承網格鋼結構因具有結構輕盈、建筑簡潔通透等特點而獲得青睞[2]。但是，整個屋蓋體系在施加預應力之前，整個結構體系為幾何瞬變體系，懸挑的鋼網格支撐在周邊桁架柱結構上，不足以保持自身平衡，故需在混凝土看臺上搭設較多的支撐胎架，保證施工過程安全。由于支撐胎架數量較多，造價較高且干擾預應力張拉的相關施工工序，因此需創新其施工技術。本文以泰州體育公園體育場項目為例，介紹索承網格鋼結構施工的工藝原理、施工方案、工藝流程和健康監測。

1 工程背景

泰州市體育公園體育場項目建筑面積62905m2，可容納35000 名觀眾，如圖1 所示，體育場屋蓋平面布置為橢圓形，長軸約為263m（南北方向布置），短軸約為233m（東西方向布置），屋蓋中心洞口尺寸為201.4m×149.2m，看臺罩棚的懸挑長度以西向最長，可達47.8m，東向為36.0m，南北向為30.8m，屋蓋最高處47m，鋼結構總用鋼量約7000t。

該項目屋蓋為大開口車輻式索承網格鋼結構，上弦為徑向和環向的箱形梁構成的單層網格結構，整個單層網格與外圈環梁采用鉸接連接。下弦為索桿體系，其中徑向索共38 榀，分為20 榀直徑D140mm 和18 榀直徑D122mm 兩種規格；大開口的內側設置6D125mm的環向索，僅設置一圈；屋面水平穩定索D30mm，共計192 根。撐桿截面主要為 P219×12mm～P500×16mm；網格鋼結構的外環梁截面為P900×40mm，內環梁截面為焊接箱形B750×550×24mm，徑向主梁截面為焊接箱形B750×500×16mm，環向梁截面為焊接箱形 B750×350×16mm～B750×450×16mm。屋蓋用鋼量約 3200t。

2 工藝原理

2.1 索承網格鋼結構的構造和傳力原理

大開口車輻式索承網格鋼結構的構造（圖2），主要包括上弦單層鋼網格由徑向主梁、外環梁、內環梁和中間環梁構成，下弦由徑向索、環向索、撐桿和斜向V 型撐桿組成的車輻式索桿體系；沿環向索設置豎向撐桿、斜向V 形撐桿，連接環向索和上弦單層網格，形成內環帶桁架；整個鋼屋蓋僅在外環梁處受到V 型桁架柱的豎向支撐，從而形成空間懸挑結構；在V 型桁架柱之間由環桁架連接以保持整體穩定性和結構安全。

其傳力原理：上弦為剛性單層網格結構，因中部有巨大開口，結構的豎向剛度和承載能力受到削弱；通過張拉下弦徑向索可使得環向索繃緊形成剛性環，兩種鋼索彈性支撐與其連接的撐桿，從而對撐桿上部的鋼網格產生彈性支撐力，剛柔結合，增加了鋼網格平面外的空間承載能力[3]，上弦鋼網格可在面內形成寬度可達40m 左右的壓力環，承擔徑向索作用在外環梁處的水平張拉力，從而構建了空間自平衡系統。由于徑向索和環向索采用了高強材料，導致構件截面尺寸大幅度減小，為實現大跨度鋼屋蓋建筑簡潔且結構輕盈的目標奠定良好的基礎[4]。

2.2 施工過程中設置反向斜拉裝置的作用原理

反向斜拉裝置（圖3）主要由反向斜拉索、臨時立桿和斜拉桿三部分組成。通過張拉反向斜拉索使得該裝置增強網格鋼結構的平面外剛度。并且反向斜拉裝置與網格鋼結構的徑向梁構成“張弦梁”結構，由其承受徑向索、環向索和索夾等構件自重和施工荷載作用，將此類荷載傳遞到反向斜拉裝置的臨時立桿所在位置下部的支撐塔架，因此，使得網格鋼結構的內環懸挑部分不會出現明顯的下垂變形情況。

2.3 索承網格鋼結構分級張拉施工原理

本工法將所有徑向索同步張拉，分成4 級：預緊30%（第 1 級）→50%（第 2 級）→90%（第 3 級）→100%（第4 級），主動張拉點設置在徑向索和環梁的連接端，同步控制所有徑向索張拉千斤頂，實施同步張拉操作，至相應的索力級，逐級循環張拉至100%，并超張拉5%，達到設計值的105%，預應力張拉施工完成。

3 施工方案及工藝流程

3.1 施工方案

根據索承網格鋼結構工程項目的特征，分析研究，進行網格鋼結構和索桿體系的安裝部署，編制大開口車輻式索承網格鋼結構專項施工方案，并進行體育場工程索承網格鋼結構施工方案布置（圖4），充分利用現場的7 臺塔吊，并考慮配合使用履帶式起重機，沿體育場混凝土環形結構外側和內側布置構件堆場和拼裝場地。明確施工順序、索夾鎖緊方案、臨時反向斜拉裝置設計、索桿體系張拉指揮組織機構、預應力張拉控制測量與過程監測方案、應急預案、安全方案等。

為了保證索承網格鋼結構施工的結構安全及施工質量，在大開口車輻式索承網格鋼結構專項施工方案實施前，須通過相關專家的方案評審論證[5]，嚴格履行審核、審批程序，根據專家組評審意見進一步進行修改完善，并取得工程設計師的認可。

在施工方案中，需應用midas GEN、ANSYS 等有限元分析軟件進行施工仿真驗算，一方面驗算施工過程中的索桿體系的索力和變形是否與設計值吻合；另一方面作為索力和變形值“雙控”的依據。從而，達到精確控制索承網格鋼結構的“位形”和應力水平。并且應用有限元分析軟件進行建模，計算體育場屋面鋼結構在溫度作用的變形，在鋼結構安裝和索張拉脫胎架的過程中將溫度變形值進行消化，從而保證施工實施后的效果達到設計預期的建筑效果。

3.2 施工工藝流程

3.2.1 總工藝流程

總工藝流程如下：施工準備→專項施工方案編制及專家論證→鋼構件加工制作→預應力鋼索制作→構件成品檢驗→網格鋼結構吊裝→上部反向斜拉結構安裝→索桿體系安裝→安裝斜撐桿→安裝屋面穩定索→拆除反向斜拉結構→拆除支撐胎架。

3.2.2 關鍵工序的詳細工藝流程

（1）網格鋼結構吊裝流程：測量放線→搭設支撐胎架→V 形桁架柱吊裝→環桁架吊裝，形成穩定的外環支撐條件→網格鋼結構的徑向主梁吊裝→相鄰的徑向主梁吊裝→外環梁吊裝→網格鋼結構的次梁及內環梁吊裝→形成穩定單元，依次繼續吊裝→完成網格鋼結構吊裝。

（2）索桿體系安裝流程：徑向索操作平臺搭設→安放環索索夾支撐平臺→鋪放環索下層索→安放環索索夾本體→鋪放環索上層索→安裝環索索夾上蓋板→鋪放徑向索→拆除外側部分影響徑向索安裝的胎架→提升環索、牽引徑向索→同步分級張拉徑向索至設計值（30%→50%→70%→100%）。

4 施工健康監測

由于本項目結構新穎，跨度比較大，施工難度大，尤其在拉索張拉成形階段，難度更大。為了確保鋼屋蓋結構工程施工安全性，并研究施工過程中此類剛柔相濟的大跨度鋼結構應力、變形和位移等參數的變化規律，需要對結構進行現場施工監測[6]。據此，聘請第三方健康監測，編制并實施《泰州體育公園監測施工方案》，其中體育場共計設置352 個測點，施工階段監測內容主要包含3 個方面。

（1）使用磁通量傳感器對施工階段關鍵預應力索進行監測，如圖5 所示，在8 根徑向索上，每根布置2個EM 傳感器，小計16 個測點；在環向索上，12 根軸線位置，每處布置6 個EM 傳感器，小計72 個測點。共計設置測點為88 個，并且可同時監測溫度。

（2）使用振弦式應變傳感器（內置溫度傳感器）對施工階段關鍵構件的應力和溫度進行監測，包括撐桿與徑向剛性桿、網格結構環向構件、V 形桁架柱，測點共計為216 個。

（3）使用全站儀對結構關鍵部位進行變形監測，測點主要布置在徑向索連接的撐桿兩端，測點為48 個。

監測結果表明：索力監測點正常、構件應力應變測點正常、位移測點正常。其中，張拉徑向索至設計索力100%時，現場健康監測情況如表1 所示。

表1 第四級（100%）張拉完成時健康監測情況

5 結語

針對泰州市體育公園體育場項目的工程特點，研究開發了大開口車輻式索承網格鋼結構的施工技術，并且在施工全過程進行鋼結構施工健康監測。實踐證明，該項施工技術安全可靠，高質量完成了鋼屋蓋結構吊裝和鋼索張拉等關鍵施工工序，可供類似工程項目借鑒和參考。