高空大跨度索桁式弦支结构施工与监测技术

高空大跨度索桁式弦支结构施工与监测技术广厦建设集团有限责任公司

乐清体育中心位于浙江省乐清市旭阳路，其中体育馆建筑面积22155m2，南北长约为148m，东西宽约为128m，屋面最高标高为28m，上部覆盖刚性屋面。屋盖结构采用索桁式弦支结构，由单层曲面网格结构和空间索桁结构杂交而成，内圈是弦支结构，外围是索桁结构，结构轴侧图如图1所示。体育馆周边的V形柱和上下环梁形成的环形桁架作为屋盖支撑体系。

一、工程概况图1：结构轴侧图

索桁式弦支结构的索系由径向外斜索、径向内斜索、外环索、内环索和吊索组成，索桁式弦支结构剖面如图2所示。径向梁截面为口500x400x16x18、口800x400x25x25，径向梁间内环梁截面为口500x400x16x18，外环梁截面为Ф273x10。图2：索桁式弦支结构剖面图

所有拉索均采用光面柔性索，外斜索截面为Ф7x121，外环索截面为Ф7x301，内斜索截面为Ф7x19，内环索截面为Ф7x31。

二、施工方法

索桁式弦支结构必须要在结构中建立预应力，通过张拉具有足够的刚度，以承受荷载和维持形状。弦支穹顶结构一般采用搭设满堂脚手架，在脚手架上组装索系，然后进行各索的张拉。但本工程屋盖采用的是索桁式弦支结构，空间更复杂，施工难度更大，采用“低空无应力组装，空中牵引提升，高空分级同步张拉”的施工方法，其中外围环索采用低空组装同步提升，径向外斜索分两段进行提升，内圈弦支结构在地面组装后整体提升；预应力施工采取分批分级同步张拉径向内外斜索的施工技术。2.1.1支撑胎架安装支撑胎架采用8个钢结构格构柱，将支撑胎架搭设至单层曲面网格结构和空间索桁结构位置，并在格构柱之间采用水平钢梁连接以提高整体稳定性,如图3所示。

2.1单层曲面网格结构安装图3：钢结构格构柱布置图2.1.2内圈曲面网格结构安装

先安装内圈曲面网格结构，再安装外围曲面网格结构。安装内圈曲面网格结构时，先将最中心位置的径向梁交叉节点（如图4所示）单独作一个节点进行吊装。然后整段吊装通长径向梁，通长径向梁之间的环梁和径向梁组成一个单元在地面拼装完成后整块吊装。图4:径向梁交叉点

2.1.3外围曲面网格结构安装

按区块对称同步安装的方法进行吊装施工，即首先对称同步安装两个区块，然后再对称同步安装相邻的两个区块，以此类推，直到全部完成。采取“分区进行、每步归零”的焊接原则，避免长距离误差积累。最后曲面网格结构分别在长轴两端完成合拢形成整体，合拢温度为20℃±2℃。图8：网格结构完成吊装图6：吊装相邻径向梁图5：分段吊装径向梁图7：吊装区块内环梁合拢缝合拢缝2.2、拉索安装

2.2.1外环索安装外环索在地面进行低空无应力组装，如图10所示。然后在外环索垂直平面上的钢环梁位置安装提升工装，并安装垂直提升千斤顶，如图11所示；在索夹两侧设置吊点，外环索与索夹组装完成后利用垂直提升千斤顶同步提升外环索。图11：垂直提升千斤顶安装图10：外环索低空无应力组装外斜索与环索索夹对接安装垂直提升千斤顶环索提升环索与环索索夹对接

2.2.2径向外斜索1安装

首先将径向外斜索1与环索通过环索夹进行对接，所图12所示。图12：外斜索一端与环索夹连接图13：提升环索并安装撑杆当径向外斜索1与环索连接完成，继续同步提升环索，如图13、14所示。当提升高度达到撑杆高度时，安装索夹完成撑杆与径向外斜索的连接。2.2.3径向外斜索2安装将径向外斜索2吊至径向钢梁上并展开。在钢结构上环梁的上部安装室外斜索提升装置，先牵引径向外斜索1另一端索头，使之穿过径向钢梁预设孔，如图15、16所示，并与径向外斜索2连接。然后通过径向外斜索2提升装置牵引径向外斜索2索头，将整根外斜索牵引到位后将其与外环钢梁耳板连接。外斜索提升装置牵引外斜索1，穿越径向钢梁预留孔提升外斜索2到上环梁位置提升外斜索至撑杆位置2.2.4吊索、撑杆与索夹的连接径向外斜索对接完成后，进行吊索与索夹、撑杆与索夹的连接，径向外斜索牵引到位情况如图17所示。图17：径向外斜索牵引到位对接吊索索夹对接吊索索夹牵引至撑杆处焊接斜索穿屋面情况2.2.5内圈索系安装外围索系安装完成后，安装内圈索系。内圈弦支结构的索杆全部在地面组装完成，先安装内环索，再安装内斜索，内环索与内斜索通过索夹进行连接，然后整体提升到结构标高位置。内圈索系地面拼装，整体提升内圈索系地面拼装，整体提升

2.3.1张拉方案根据结构体系的特点，采用张拉径向斜索的方法在结构中建立预应力。内圈弦支结构和外围索桁体系在结构受力上相对独立，通过对先张拉外围再张拉内圈的施工模拟计算可知：内圈预应力施加完成时，外围索桁体系的索力变化不大。因此，本工程体系预应力建立采用“先外后内”的施工顺序，即先张拉外围径向斜索，再张拉内圈弦支结构的径向斜索。2.3预应力施工2.3.2径向斜索张拉端位置选择外围索桁结构的径向外斜索选择在靠近外环索端进行张拉，内圈弦支结构的径向内斜索在靠近外环索上部张拉，张拉位置如图18所示，张拉位置的选择主要从以下两个方面考虑：1）方便张拉工作的导换；2）外径向索靠近外环索端张拉，张拉力直接传递给外环索，在张拉至径向索设计值时，外环索内力也可准确判断。先张拉后张拉图18：内外斜索张拉顺序型号公称张拉力/kN公称油压/Mpa穿心孔径/mm张拉行程/mm主机质量/kg外形尺寸/mm使用阶段YCW60B600526020033ф170×320拉索张拉YCW150B149250ф120200108ф285×370施工备用2.3.3张拉机具张拉的径向外斜索为24根，径向内斜索为8根。⑴千斤顶型号采用两个千斤顶同时张拉施加预应力，鉴于施工时最大张拉力约为110T，选用YCW60B型千斤顶进行张拉，选用YCW150B型千斤顶作备用。

表1选用千斤顶的主要技术参数表索系张拉点千斤顶工装油泵进油（回油）油压表台/张拉点规格/kN总台数套台个径向内斜索426008848径向外斜索426008848径向内斜索与径向外斜索采用同一套工装⑵张拉机具数量张拉时拉索张拉力保持均衡，每台油泵控制2台千斤顶。表2内斜索张拉设备表2.3.4分批分级循环张拉外围索系和内圈索系都采用分批分级循环张拉的方法，先张拉外斜索，再张拉内斜索。1）第一阶段：分级张拉径向外斜索，从10%→50%→90%→100%。2）第二阶段：分级张拉径向内斜索，从10%→90%→100%。批号每批拉索编号

第1批外斜索1外斜索7第2批外斜索4第3批外斜索5第4批外斜索3第5批外斜索2第6批外斜索6第7批内斜索1内斜索3第8批内斜索2当径向外斜索张拉至目标索力的90%时，整个结构和胎架脱离，此时拆除支撑胎架。

外斜索张拉平台及工装外斜索张拉平台及工装2.4.1、监测内容光纤传感器（FBG）磁通量传感器（EM）2.4、施工监测对钢索内力采用磁通量、加速度传感器进行监测；对刚性构件（环梁及径向钢梁）应力采用应变传感器监测;对钢结构及索体表面温度用气温测量仪、光纤光栅传感器监测。应力应变传感器2.4.2测点布置①索力测点三维示意图②监测索体轴线③钢结构的应力测点④加速度测点三维示意图①②③④2.4.3、监测系统光纤光栅采集系统磁通量采集系统加速度采集系统2.4.4监测结果1）通过对张拉过程进行监测发现温度对索力的影响较大。但索力对温度的变化规律明显，即温度下降索力增加，温度升高索力减小。索力的数值在张拉过程中呈波动但缓慢上升的特点。进入屋面板施工后，索力数值进一步呈增大趋势，波动现象仍然明显，但幅度没有张拉阶段大。总体上，索力变化与屋面板施工进程符合较好。2）径向梁和上环梁的应力变化总体上与施工过程的结构受力变化规律符合较好。无论是张拉阶段还是屋面板施工阶段，在径向梁和上环梁上监测的应力较小，径向梁应力增量大多在30MPa以内，上环梁大多在20MPa以内。3）将张拉完毕时的磁通量EM索力监测结果与设计张拉力进行对比，具体数据如表4所示，大多数拉索的实际预张力与设计值的相对误差在10%以内。表4EM传感器阶段张拉阶段监测数据与理论数据对比各测点的数据和变化曲线显示，被测结构处于良性受力状态。传感器编号监测对象理论值张拉结束索力kN误差1#外径向索1061.001112.444.85%2#外径向索1061.001138.787.33%3#外径向索1151.451274.6810.70%4#外径向索1061.001161.979.52%5#外径向索1151.451073.516.77%7#外径向索1009.171039.863.04%9#外径向索1009.171232.9322.17%三