弦支屋頂體育場鋼結構工程實踐

纖維穹頂結構也稱為稱懸掛結構，它是結合了單層網殼和索頂結構的優點和缺點的新結構形式。這是一種取代索引屋頂的上層索，用垂直支撐桿（徑向索和環向索）支撐單層網殼的自平衡空間鋼結構體系。該種結構形式由MKawaguchi于1993年提出,至今在國外已有較多的理論研究和工程應用。近幾年國內對弦支穹頂結構也進行了比較多的理論分析和試驗研究,近兩年來成功完成了安徽大學體育館、常州體育館和濟南奧體中心體育館3項弦支穹頂鋼結構的施工安裝。這3個弦支穹頂結構體系各不相同,施工技術各異,下面對其結構設計形式和施工技術做一個簡要介紹。1項目總結1.1鋼屋蓋的設計安徽大學體育館建筑面積12809m2,鋼屋蓋覆蓋面積為11694m2。建筑整體呈鉆石形造型;鋼屋蓋為邊長47.44m的正六邊形,邊柱至邊柱的距離為43.88m,正六邊形柱網外接圓直徑為87.757m,最大挑檐長度6m,屋蓋總高度11.55m;矢跨比為1/8.6;屋面坡度12°,局部凸屋面坡度15°;屋蓋中央設置正六邊形的采光玻璃天窗,外接圓直徑為24m,其建筑效果如圖1所示。1.2高爾夫球場下部結構常州體育館屋蓋曲面面積為9359.939m2,覆蓋面積為7502.282m2。體育館為一橢球形建筑,高約37m,平面投影長軸為120m,短軸80m,屋蓋矢高23m,可容納觀眾近6000人。體育館下部結構采用全現澆鋼筋混凝土框架結構體系,主要柱網尺寸為8.4m×7.2m。上部屋蓋采用鋼結構體系,屋蓋支座通過混凝土環梁支承于下部混凝土框架上,其建筑效果如圖2所示。1.3高爾夫球場弦支乘數濟南奧林匹克體育中心位于濟南市東部新城區龍洞地區,經十東路中段路南,旅游路以北,距城市中心區約10km。體育館位于奧體中心場館區的東部,為一圓形建筑,建筑面積約5.2萬m2,體育館觀眾席10000座以上,配套建設20片室外籃球訓練館。體育館弦支穹頂屋蓋形狀為球面,跨度122m,矢高12.2m。在弦支穹頂頂部設2.5m高的風帽,直徑27.792m。整個屋蓋曲面面積為12096m2,覆蓋面積為11631m2,其建筑效果如圖3所示。2結構與設計的比較2.1鋼屋蓋索及結構特點安徽大學體育館工程屋蓋鋼網殼為雙向矩形截面鋼構件單層網殼。徑向鋼構件截面大,為矩形焊接鋼箱梁,正六邊形的六個脊線處鋼箱梁為主鋼箱梁,其它徑向鋼箱梁為次鋼箱梁;環向鋼構件截面小,為矩形冷成型鋼管。整個鋼屋蓋的索系由徑向預應力拉桿和環向預應力拉索構成,環向索共設4環。撐桿采用圓鋼管,上下端耳板銷軸鉸接。整個鋼屋蓋支撐在周邊30個鋼柱上,除角部6個外,六邊形每邊4個,柱距8.776m。鋼屋蓋與柱頂相交高度為18.290m,鋼屋蓋最高點為29.890m。在采光頂的正六邊形周圍和結構外沿正六邊形周圍分別各設置了一圈封閉的三管桁架,外沿的封閉桁架進一步減小了支座的水平推力,內外環形桁架與主脊梁及拉索共同構成了結構的主骨架。整體結構與三維分解如圖4所示。2.2網殼結構節點常州體育館屋蓋為橢球形鋼網殼,其中心部位的網格形式為凱威特型(K8)、外圍部位的網格形式為聯方型。網殼桿件采用圓鋼管。索承單層網殼的索系為Levy索系,由環向索和徑向索構成,環向索共設6環。撐桿采用圓鋼管,上下端鉸接。單層網殼中與撐桿相連的節點采用鑄鋼節點,撐桿下端與徑、環向索相連節點采用鑄鋼機加工節點,網殼其它節點采用相貫節點。整個弦支穹頂結構通過24個支座支承在下部的混凝土環梁上,結構的豎向荷載通過環向布置的徑向拉索與豎向剛性撐桿由內向外將結構的荷載轉換至最外一圈結構環梁上。整體結構與三維分解如圖5所示。2.3網殼桿件布置濟南奧體中心體育館主館鋼結構屋蓋采用弦支穹頂結構,該結構體系由上部單層網殼和下部弦支索桿體系構成。上部單層網殼網格布置形式為凱威特型和葵花形內外混合布置形式,下部弦支索桿體系為肋環形布置,設置3道環向索,局部布置構造鋼棒。本工程環向索的索材為外包雙層PE的1670MPa級半平行鋼絲束,構造鋼棒和徑向鋼拉桿為Q345級鋼棒。網殼桿件采用圓鋼管,節點形式主要為鑄鋼節點和少量的插板式相貫節點;最外環支座節點為焊接球節點,焊接球節點通過加勁肋、錨板和錨栓與下部混凝土結構固接。撐桿上端與網殼連接為徑向銷軸式單向鉸接,撐桿下端與索夾固接,整體結構與三維分解如圖6所示。2.4主要組成數據的比較由于3座體育館的建筑形式不同,因此具體結構形式和主要結構設計數據也有所差異,表1給出了3座體育館的主要結構設計數據的對比情況。2.5下段撐桿節點安徽大學體育館撐桿與上弦連接的方式是撐桿上出雙耳板與上弦梁上的單耳板連接,拉桿與主梁連接采用單耳板,環向索和徑向桿都連接到撐桿下段的節點板上。矩形管網殼的管與管連接直接采用焊接連接,在相連處相應設置加勁肋。常州體育館撐桿上端節點為球鉸,由鑄鋼球形撐頭、球頭夾和撐桿桿體構成。下端節點為耳板銷軸節點和索夾節點,徑向索索頭與下撐桿通過耳板銷軸節點連接,環向索通過撐桿下端的索夾緊固。濟南奧體中心體育館撐桿上端節點為單耳板銷軸節點,下端節點與常州體育館基本相同。3安裝方案：鋼殼工程的安裝3.1箱梁現場吊裝吊裝安徽大學體育館鋼結構屋蓋主要包含主箱梁、內外桁架、次箱梁、吊桿及拉索等。其總體安裝思路為:在內桁架與主箱梁交接處分別搭設一組高空胎架,以臨時承受屋蓋荷載;吊裝鋼梁和桁架;安裝拉索和拉桿;預應力拉索施工結束后胎架拆除。根據主次箱梁特點(最重的主梁整體跨度30m,重達9.8t,上弦頂面最高點標高為26.1m)進行汽車吊的選擇。選擇用1臺50t的汽車吊進行吊裝。進入體育館內進行起吊,吊裝半徑為6m,吊點高度30m。3.2體育鍛煉鋼網殼屋蓋結構節點常州體育館鋼屋蓋所有鋼管間的相貫節點均采用鑄鋼件,鑄鋼件的定位對鋼結構屋蓋的安裝精度起決定作用。為了確保鑄鋼件的定位精度,提供良好的工作平臺,鋼屋蓋安裝時的臨時支撐采用支撐架+滿堂腳手架的組合方案。支撐架架設在第2環向索和第4環向索下方,支撐架的形式為由型鋼和圓鋼管加工而成的標準格構式構件。在鋼網殼屋蓋范圍內搭設滿堂腳手架,采用D50的標準腳手架搭設。鋼網殼屋蓋構件的吊裝機械為2臺7027塔吊和1臺5613塔吊,塔吊同時結合體育館鋼網殼屋蓋的施工配合使用。鋼網殼屋蓋構件吊裝時以鑄鋼件為基本單元,起吊定位后,先安裝環向管,后安裝徑向管,環環向上推進,然后焊接。焊接時采用對稱、環形焊接,盡可能減小結構變形。全部焊接結束后卸載,拆除臨時支撐。3.3高空封裝安裝濟南奧體中心體育館主館采用搭設滿堂腳手架,腳手架中間布置部分支撐胎架,利用2臺SCM-C7520和2臺QTZ63B塔吊將構件吊裝到腳手架上,進行高空散裝。體育館網殼開始安裝最外環節點及桿件,從外向內對稱以每兩個節間安裝體育館網殼呈十字形,后補全十字形構件之間的桿件,體育館網殼中心風帽節點及桿件在其它網殼桿件安裝完成之后再安裝。最后安裝體育館弦支構件(弦支體系撐桿、徑向鋼棒、環向拉索、構造鋼棒)。焊接應隔環進行(先焊奇數環或偶數環),保證各環之間的變形不發生累積;為避免因焊接變形造成結構內力過大,焊接徑向管時應采用同步對稱焊接施工,先焊接內圈對接接口,再焊接外圈對接接口。4牽引方案4.1拉索張拉及張拉控制安徽大學體育館工程采用徑向桿張拉以建立結構所需預應力,張拉端在徑向桿的中間,張拉節點位于徑向桿連接套筒處。施加預應力的方法是:根據設計張拉力的值,通過油泵將油壓傳給兩個千斤頂,然后調節自身的調節套筒達到所要施加的力。張拉端如圖7所示。張拉時的控制原則為:拉桿力控制為主,伸長值控制為輔。拉索預應力的施加分為3級:第1級張拉到設計預應力狀態下索力的30%,第2級張拉到70%,第3級張拉到100%,每級的張拉順序為千斤頂由外圈往中間移動,每次張拉一圈即6根徑向拉桿。選用12臺150t千斤頂,即同時使用6套張拉設備。張拉時結構支座固定,臨時安裝支撐用支架通過預應力的施加與網殼自動脫空。4.2環向索同步張拉根據本工程的特點,經詳細的結構分析和方案對比,確定采用環向索張拉法在結構中建立所需的預應力。為控制環向索的線形,保證撐桿垂直度和環向索索力的均勻性,同環環向索須同步分級張拉,并對拉索張拉采用雙控原則:控制結構內力和變形,其中以控制環向索索力和撐桿垂直度為主,在實際張拉過程中控制張拉力和張拉索段的長度。環向索同步張拉程序分4級:0→25%→50%→75%→100%。其中前3級以控制張拉索段長度為主;最后一級以控制環向索索力為主,必要時局部調整徑向索索力。結構安裝時支座滑動,在拉索張拉前落下支架且固定支座。整個結構安裝完畢后,從外環向內環依次張拉拉索。1~3環環向索每環設置4個張拉點,分別位于短軸和長軸附近;4~6環環向索每環設置8個張拉點,分別位于45°方向及長、短軸附近。每個張拉點采用2臺千斤頂、1臺油泵、1套張拉工裝。4.3張拉過程及預張力分級采用徑向鋼拉桿張拉法施加預應力。待網殼拼裝完畢且支座固定后,逐環張拉徑向拉桿。徑向拉桿分2級張拉。第1級:0~50%初始預張力,由外環向內環進行;第2級:50%~100%初始預張力,由內環向外環進行。拉桿未張拉時,結構為一單層網殼,為保證施工階段結構安全性,第1級張拉時不落支架,保留支架仍然支撐著網殼。第1級張拉結束后,結構為完整的弦支穹頂,為避免支架對拉索張拉的影響,在第2級張拉前,將所有