國家跳臺滑雪中心預應力拉索張拉施工技術

黃永銀

(江蘇滬寧鋼機股份有限公司，江蘇 宜興 214231)

0 引言

隨著預應力的引入，建筑鋼結構的結構形式創新不斷，北京2022年冬奧會張家口賽區國家跳臺滑雪中心主場館呈現“如意”造型，柄首頂部采用了預應力鋼結構體系(見圖1，圖2)。在建筑鋼結構的基礎上，增加預應力拉索，實現在滿足結構剛度和穩定性的前提下，充分挖掘鋼材強度潛力，改善結構受力狀態，提高結構的承載能力，同時降低鋼材用量，節約成本。充分體現“科技冬奧”“綠色冬奧”的理念。

1 工程概況及特點

1.1 工程概況

國家跳臺滑雪中心頂部建筑由鋼結構與預應力拉索組成，鋼結構僅依靠位于中后端的四個核心筒支撐，四周均為懸挑，其中前端懸挑長度37.25 m。預應力拉索布置在結構體系內，為空間曲線形式，由外直索、內環索和徑向索組成，拉索主體位于屋面鋼桁架上表面，其中外直索和內環索由屋面通過索鞍變角斜向下錨固于結構上，徑向索和內環索連接支座允許徑向滑移。拉索采用φ76 mm,φ95 mm兩種直徑的Galfan密封索。拉索布置示意圖見圖3～圖6。

1.2 預應力拉索特點

1)本工程預應力為結構體內空間曲線預應力，預應力拉索主要作用為改善整個結構的剛度和增加結構安全儲備。

2)本工程結構及拉索均沿外圓及圓環中心連接軸線對稱。

3)環索與鋼結構的連接節點多，張拉階段索夾與索體之間允許相對滑移，索夾與鋼結構之間允許徑向滑移，為一種動態平衡狀態。

4)主索端為依靠索鞍向斜下方向錨固于結構上。

5)徑向索僅為輔助索，徑向索軸線匯交于內圓圓心，不同部位索長不同。

6)同一根主索、輔助索各錨固點標高不同。

2 張拉施工的重難點

2.1 張拉方案的確定

預應力張拉方案確定時一般應遵從：關聯性、安全性、經濟性、高效性四項原則[1]。本工程拉索具有數量多，索力各異，錨固點多，且大部分錨固點位于高空等特點。根據設計要求及施工組織安排，預應力張拉在鋼結構臨時支撐卸載后進行，張拉完成后即轉入幕墻結構施工。考慮施工方便，提高施工效率，節約施工工期，同時盡量降低張拉同步性的要求，以減少張拉設備和施工人員的投入。經模擬計算，確定將主索尾部位于樓面處的錨固端作為張拉端，只張拉外直索和內環索，徑向索作為被動受拉輔助索不進行張拉的平衡張拉施工方案(見圖7，圖8)。張拉完成后復測錨固端的索力值是否滿足要求，對不滿足要求的索進行補張至設計偏差要求范圍內。

2.2 張拉的同步性

1)采用只張拉主索、徑向索作為被動受拉輔助索不進行張拉的平衡張拉施工方案，降低張拉同步性要求。

2)外直索一端作張拉端，另一端做錨固端，進一步減少同步張拉工位數量。

3)通過1拖2或1拖4的千斤頂，由一臺油泵進行控制，結構對稱的兩側由同一人統一指揮實現張拉的同步性。

4)采用分級張拉，索力和伸長值雙控方案，索力到，伸長值較小端下一級張拉時優先補張拉至相同伸長值，多級張拉降低同步性影響。

2.3 變角張拉索力的傳遞

1)索夾孔道內增加不銹鋼板和聚四氟乙烯板，同時索夾上蓋連接螺栓不擰緊，減小拉索與索夾的摩擦造成索力傳遞損失。

2)分級張拉：按照模擬計算理論張拉力的20%，40%，60%，80%，100%，110%，103%，分七級進行張拉，張拉過程采用索力和伸長值雙控原則，使索力緩慢均勻傳遞至錨固端。

3)張拉端超張拉至設計索力值的110%(在規范允許偏差范圍±10%以內)[2]，然后回退至103%錨固(設計要求錨固端索力鎖定值與理論值的誤差應該控制在5%以內；張拉端的誤差應控制在8%以內)，復測錨固端的索力值是否滿足要求，對不滿足設計偏差要求的索進行補張至設計偏差要求范圍內(見圖9)。

2.4 結構安裝偏差對張拉施工的影響

1)在工廠里按照圖紙對拉索進行編號和精確標記。根據初始預張力和各索體長度，在索體表面上標記索夾的位置以及索頭螺桿外露長度。安裝前量測鋼結構構件的安裝偏差，在現場進行索夾的安裝。

2)拉索安裝前應測定索長制作誤差以及索端節點的安裝誤差，根據實測誤差值，調整索長。

3)除需與結構拼裝后整體吊裝的索夾外，其余索夾均在結構安裝完成后根據實測位置后裝，減少結構誤差對拉索施工的影響。

3 施工流程

預應力鋼結構施工流程圖見圖10。

4 拉索的張拉

4.1 張拉原則

1)同時張拉外側直索A軸2個張拉端和G軸2個張拉端；2)同時張拉內側環索B軸2個張拉端和F軸2個張拉端，各榀一次張拉到位，其中分七級張拉。

考慮到索鞍導致的預應力損失較大，控制張拉力在理論張拉力的基礎上超張拉至110%，然后回松至103%。張拉力控制均為雙索拉力總和。

4.2 單次張拉分級

同一次拉索張拉時應逐級施加拉力，分七級張拉程序：預緊→20%→40%→60%→80%→100%→110%→103%。

4.3 張拉順序：對稱張拉

1)同時張拉2根直索LS1-1和2根直索LS1-2，共4個張拉端頭。

2)直索張拉完成后，同時張拉環索LS1-3 2個端頭以及LS1-4 2個端頭。

4.4 拉索張拉時機

施工工序排序為：先卸載臨時支撐，進行拉索張拉，后澆筑樓面混凝土。張拉時機是在鋼構安裝完成且支座條件符合設計要求后，進行拉索張拉。樓面荷載有利于預應力，不需要在樓面混凝土施工完成后二次張拉。

4.5 拉索張拉控制項目及其目標

根據張拉分析，結構剛度較大，因此拉索張拉主控索力，張拉完成后，復測各索索力滿足設計及規范要求。

4.6 張拉過程模擬計算及結果分析

采用有限元軟件Midas/Gen，對關鍵位置的索鞍和索夾采用梁單元釋放兩端彎矩，模擬張拉過程，進行施工全過程力學分析(見圖11)。

施工張拉完畢，各索拉力理論值和實測值如表1所示。

表1 各索拉力理論值及實測值

由表1可知，張拉完成后，各索索力值偏差滿足設計要求，施工方案可行。

5 結語

預應力張拉方案的選擇不僅要考慮成形效率及可操作性，還應與整體施工方案相關聯，綜合考慮成形過程中結構及人員操作的安全性、張拉效率、施工工期等，同時關注經濟性。本文對北京2022年冬奧會張家口賽區國家跳臺滑雪中心主場館預應力拉索平衡張拉施工技術進行介紹，針對工程拉索數量多、索力各異、錨固點多，環向主索與徑向索相互關聯達到動態平衡狀態的特點，通過計算模擬，提出將主索尾部位于樓面處的錨固端作為張拉端，只張拉外直索和內環索，徑向索作為被動受拉輔助索不進行張拉的平衡張拉施工方法。通過現場對施工過程的監測，拉索張拉控制項目及其目標滿足設計要求，方案可行，為以后類似項目拉索張拉和索力控制提供借鑒并開拓了思路。