滁州奧體中心體育場預應力拉索施工及監測技術

張國棟，陳東橋，高先占，姜 忠，李 森

（1.上海同磊土木工程技術有限公司，上海 200433；2.浙江江南工程管理股份有限公司，浙江 杭州 310012；3.上海固隆建筑工程有限公司，上海 202150）

0 引言

近年來有較多的預應力結構體系運用在大跨度體育場建筑，預應力有著布置靈活、結構輕盈、總用鋼量低的特點受結構師的青睞。但是預應力體系的特點是鋼索張拉完成前結構尚未成形，整體剛度較差，因此必須經過有限元分析和編制專項施工方案［1-4］。

本文通過分析滁州奧體中心體育場施工的重難點和施工過程模擬計算對指導施工專項方案編制的意義，給同類型開口式大懸挑體育場預應力施工提供一定的參考。

1 工程概況

滁州奧體中心體育場項目位于滁州市滁州大道東，明湖西岸半島，總投資 12.4 億元。項目占地約 1 100 畝，總建筑面積約 13.4 萬 m2，是 2022 年安徽省第 15 屆運動會主會場。包括一座體育場（40 000 座）、體育館 （6 000 座）及游泳館（1 500 座）、體育生態公園、全民健身活動中心及其他配套設施。三館屋蓋通過形似綢緞般柔軟的飄帶相連，配合其青色花紋猶如美妙的青花瓷形態。綢緞錦繡絢麗，青花高貴典雅，二者形態連貫，共同造就了一副如詩如畫的魅力畫卷［1］。

2 屋面索結構體系

體育場屋蓋挑篷整體為馬鞍型（見圖1），屋面呈現東西高，南北低的變化趨勢。屋面最高點約為 46.0 m，最低點約為 28.0 m，檐口最高點為 41.5 m，最低點為30.0 m。結構平面投影近橢圓形，東西向長軸方向為250 m，南北向短軸方向為 263 m。

圖1 滁州奧體中心體育場

體育場采用懸挑桁架結構（見圖2），東西看臺最大懸挑長度為 39.2 m，懸挑桁架采用 64 榀徑向布置的2.5～4.0 m 的變截面三管桁架。看臺采用分叉柱支承，背后采用斜拉索平衡，通過“A 字撐”作為受壓撐桿。沿環向布置一圈封邊桁架與一圈環桁架將徑向桁架聯系成一個整體，共同受力。屋蓋主承重結構包含徑向桁架、環向桁架及索撐結構。

圖2 單榀桁架結構

本工程上拉索采用φ92 雙 PE 索，下拉索采用φ92 雙 PE 索或φ100 雙鋼棒。PE 索抗拉強度為 1 670 MPa，鋼棒抗拉強度為 650 MPa，索頭均為熱鑄錨，上、下拉索連接處設置調節螺桿。

3 施工重難點分析

1）高強預應力索張拉施工難度大。本工程體育場為最大懸挑跨度 39.2 m 的背部斜拉張弦桁架結構體系，此類結構在預應力拉索施工之前屋面剛度偏弱，預應力索在張拉過程會形成力二次分配。并且預應力索張拉順序對屋面變形、安裝質量有非常大的影響，注重安全、效率的預應力索施工方案是本工程的重點。

在確定高強預應力索施工方案前會對張拉過程進行施工模擬分析計算，并將施工方案和計算結果報項目部及設計院審核確認。張拉前進行試張拉，并監測結構反拱值，若發現與計算不符或張拉不同步情況，立即停止施工，檢查設備并找出原因。

2）高空吊裝拉索及高空張拉。體育場結構為背部斜拉索桁架結構，總共 43 榀背部拉索主桁架，在每一榀主桁架懸挑端布置有臨時胎架。主桁架背部斜拉索位于主桁架場外最高點，拉索必須在高空進行安裝。由于與拉索相連的撐桿在支座處鉸接，因此安裝拉索同時要將撐桿安裝到位，先安裝上段拉索才能將撐桿安裝到位，然后才能將下段拉索吊裝到位。由于拉索與撐桿的連接節點位于看臺外，同時又處于三十多米的高空，需要采用卷揚機牽引配合吊車將拉索及撐桿吊裝到位。待上下兩段拉索與撐桿安裝到位以后在撐桿端部架設張拉平臺，高空搭設平臺有較大的危險，需要充分利用主桁架的構件用鋼絲繩拉住，保持穩定。有了牢固的張拉操作平臺，高空張拉才能安全實施。

3）索力均勻性。設計要求拉索張拉時要保證同一組 PE 索內力相同，因此一方面需要在深化階段對鋼結構的節點精確放樣，同時每根拉索下料均需要精確計算，確保拉索張拉到位有對應形和態，即對應的索長和索力。另一方面由于相鄰主桁架拉索的索力由于張拉分批的不同存在相互影響，因此每級張拉階段都要以控制索力值為目標，保證最終索力與設計預應力保持一致［2］。

4 預應力施工部署

4.1 張拉施工流程

1）在對結構充分理解的前提下提出經濟合理的張拉方案。編制詳細的索張拉方案和準確的施工數值模擬對結構成型至關重要，如若在對結構體系不了解充分的前提下張拉可能引起結構失穩破壞或造成局部變形過大而不滿足設計要求，從而造成對社會資源的浪費。

為實現張拉施工過程中的全過程控制，利用大型空間有限元分析軟件進行施工過程模擬，根據鋼結構安裝方案和張拉方案分解施工計算步驟，對各階段施工過程進行驗算。

2）深化設計、施工一體化。同類型的大跨預應力項目數量較少，導致大多數項目現場出現各不相同的問題，這就需要考驗預應力施工單位的應急能力以及解決問題的能力，必要時根據現場情況及時調整施工張拉方案。施工方案流程如圖3 所示。

圖3 施工方案流程

圖4 計算結果和運用

為解決在施工過程中對結構變形和內力的判斷，需引入施工過程結構健康監測［3］。預應力施工單位需具備符合要求的檢測資格，可以依據本身對張拉方案的理解進行監測設備的布置并在張拉關鍵時間階段進行集中監測。

3）注重安全、質量和協作。施工過程中注重安全和質量，對有作業面交叉的單位需加強交流和溝通，協作完成各自工作。

4.2 張拉施工原則

1）由于索結構屬于新技術，施工難度較大，需由專業施工單位來進行施工方案的編制及現場操作。

2）圖紙所注拉索尺寸為安裝完成后的尺寸，索的實際帶應力加工長度需由施工單位依據施工過程模擬確定。

4）施工中應密切監測每榀主桁架的變形趨勢，符合計算預期值才能繼續施工，如果變形和索力出現異常，應立即停止施工，及時向監理和設計人員報告，分析原因，提出切實可行的解決辦法和措施后方可繼續施工［4］。

4.3 張拉分級及分批

本工程通過分級分批張拉 90 根主動索建立索系預應力。

本項目張拉施工按照下述步驟張拉：由外側至內側分批張拉第1級→由外側至內側分批張拉第 2 級→由內側至外側分批張拉第 3 級。張拉完成后，所有支撐胎架均脫胎。

根據本工程索系施工方案，索施工分解為 9 個施工工況，如表1 所示。

表1 施工全過程分析工況

4.4 雙索同步張拉技術

本工程要求同一榀鋼結構上的雙索同步張拉，需要根據索的連接形式和張拉要求專門進行設計，經精細化分析可知工裝最大應力 270 MPa 出現在螺栓開孔處，屬于局部應力集中。

4.5 抗風斜撐后裝技術

滁州體育場在分叉樹柱與上拉索之前布置一道抗風斜撐，其中斜撐的上部與上弦桿剛接，下部與 A 字撐為叉耳式銷接節點。

根據設計文件要求結構在建立初始態時抗風斜撐不起作用，故在施工流程中設置上、下拉索張拉完成后再安裝抗風斜撐。

5 張拉過程分析

5.1 分析目的

根據體育場鋼結構屋蓋安裝施工總體施工部署，采用北京筑信達工程咨詢有限公司的 SAP2000 有限元分析軟件進行施工過程分析。計算采用 Staged Construction 工況類型，考慮 P-Delta 和大位移幾何非線性效應。分析模型中支撐胎架采用只受壓單元，豎向剛度取 40 kN/mm。

張拉施工方法采用索力控制為主，端部懸挑變形控制為輔。施工張拉完畢后索力偏差≤10 %，變形偏差≤10 %。

5.2 計算結果統計

根據張拉施工過程分析結果，張拉過程中體育場結構屋面變形均勻，施工完成終態與設計初始態的位形非常接近。懸挑端最大豎向變形出現靠近1軸主桁架懸挑端部，最大豎向位移為+45.9 mm。

體育場結構施工過程中除索以外構件最大應力為112.7 MPa，拉索最大索力為 1 660.9 kN，根據張拉施工過程分析結果，屋面主結構的應力與設計初始態的應力水平基本一致，構件應力峰值應力相當，滿足設計要求。

胎架在分級分批張拉施工過程中逐步脫胎，張拉完成后全部胎架主動脫胎，不需要進行卸載施工。

綜上所述，體育場張拉施工方案安全可行。

6 施工過程監測

6.1 變形監測

根據施工過程仿真驗算并結合設計院建議，在 15 榀鋼桁架懸挑端位置布置變形測點，采用全站儀設備在張拉過程中隨時監測。

西側與東側拉索張拉自 2021 年 7 月 4 日開始，至 8月 30 日完成，并按照張拉方案進行 5 % 超張拉，張拉過程中進行變形監測，變形趨勢如圖5 所示。

圖5 張拉完成后位移控制點變化趨勢

6.2 索力監測

選擇 15 榀徑向桁架下拉索布設索力測點，采用 EM 索力測量儀在張拉過程中持續監測索內力。

根據施工過程索力監測可知，索內力變化趨勢與施工過程模擬計算得到的基本一致且大部分施工索力略大于理論索力，表明預應力導入結構體系與設計方案是吻合的。索力監測趨勢如圖6 所示。

7 結語

1）本工程在張拉完成后所有支撐胎架均脫胎，能夠直觀判斷預應力是否導入。

2）體育場張拉過程中，結構最大等效應力為112.7 MPa，小于 Q345 鋼材的許用應力，是安全的。

圖6 索力監測值趨勢圖

3）通過張拉全過程分析以及布置的變形和索力監測點，絕大部分監測值偏差值均小于 10 %，可以很好地驗證及判斷結構在施工過程中的安全性和可靠性。Q