大跨度马鞍形单层正交索网结构定长索施工设计与安装技术

目前大跨空间结构已成为建筑工程中结构体系最复杂、造型最优美、发展最活跃的结构类型之一，这对大跨空间结构的施工技术提出了很高的要求。大型空间结构施工方法的多样化和复杂化造成了施工阶段结构内力分布的复杂性和最终成型结构受力的可变性。为确保工程建设安全、经济、顺利地进行,在建造过程中按照客观实际条件选择合理的施工技术，确定合理的施工顺序尤为重要。本期以第19届杭州亚运会场馆——杭州奥体中心亚运三馆为例，详细阐述了其在深化设计、加工制作、现场安装及数字化信息管理等各阶段的关键施工技术及方法，以期为类似大跨空间结构提供参考和借鉴。

索结构在预应力施加完毕后的自平衡状态称为初始预应力状态，此状态下索结构只承受其自重作用。初始预应力态是索结构施工设计的依据、索结构安装和张拉施工的目标状态和施工验收的标准状态。

索结构的支承结构在索安装和张拉过程中可能是固定边界，也可能是可变边界。索结构的施工张拉设计要考虑索结构与支承结构相互影响过程，对于可变边界的支承结构需采用包含支承结构的整体模型。

基于索结构的初始预应力状态，可以进行索结构的定长索设计，通过安装和张拉全过程模拟计算，进行安装张拉过程设计、安装张拉工装设计、施工过程安全验算、支承结构预变形设计，验算张拉完成状态与设计初始预应力态的一致性。

基于结构“力”与“形”的对应关系，索网按索定长设计，张拉到位即可保证力与形均达到设计状态。张拉过程中位移控制与力控制是一致的，只需控制其中之一即可。亦即，索网张拉到位固定即形成预应力态，此即未受荷载作用的索结构状态及索结构施工验收时的状态。

关于张拉结构设计与施工方面的研究比较多，但多为对设计理论、设计方法等的研究 ，对于具体施工过程控制的研究相对较少，特别是定长索安装的研究更少。本文重点从定长索施工设计与安装技术方面对大跨度索网马鞍形单层正交索网结构的施工控制技术进行研究。

2.1  拉索定长实现方法

索结构的承重索和稳定索采用定长索安装，需考虑以下因素：

1)首先控制拉索、节点等加工精度，保证构件加工精度满足规范要求。特别是拉索下料全部采用应力下料，即以结构在成形以后的内力和长度为依据，将拉索张拉到一定的内力值，并对拉索进行标记下料。

2)对安装完成的拉索耳板三维坐标进行测量，精确确定拉索耳板安装偏差。

3)最后根据实际测量耳板偏差和拉索等加工误差，调整每根承重索和稳定索的调节锚具，将各种误差与偏差通过该方法进行消除，从而整体形成定长索，对索网进行张拉成形。

2.2 索长确定方法

基于设计初始预应力态，索网结构的索长确定方法如下：

1)采取索网提升、张拉完成后索网应力态(即未加恒载作用)下的拉索长度及对应索力作为拉索下料长度及对应索力。

2)建立索网CAD和BIM三维模型，包括拉索、锚具、相连节点、索网节点等所有成形后的结构构件。

3)在索网三维模型中测量拉索长度，根据拉索长度与内力，绘制拉索下料图纸，并在图纸上标出钢结构与拉索、拉索与拉索之间的连接点(索夹)位置，即标记点。拉索加工时标记出位置，安装时按照标记位置安装索夹节点。

索网生根于周圈支撑结构上，考虑到支承结构的安装误差和卸载变形等因素，其连接耳板的销孔中心与拉索销轴孔中心必然存在一定的误差。另外，拉索加工过程中也存在加工误差。因此必须采取措施消纳这些误差。

上述误差最终表现为索长的偏差。考虑到屋面索网中心与结构中心对中的原则，采用索头两端可调的消纳误差容差设计方案，每端可调距离为100 mm。典型两端可调的拉索如图1所示。

a—类型A：调节螺杆靠近索头；b—类型B：调节螺杆靠近第一个索夹节点。
图1 典型两端可调拉索

4.1 索网铺放顺序

马鞍形单层正交索网结构，屋盖在地面投影成椭圆形，短轴方向为承重索，长轴方向为稳定索，承重索在稳定索的下方，因此，展索的顺序为先承重索后稳定索，承重索和稳定索展索顺序均为由一端向另一端，如图2所示。

图2 索网铺放顺序

4.2 主要施工工艺

地面编网时，采用吊车和放索盘铺放承重索和稳定索，主要施工工艺如下：

1)定位放样承重索和稳定索的投影位置。

采用全站仪根据承重索地面投影点坐标进行精准放样，并采用拉绳的方法在地面将承重索的投影线进行弹线，同时将承重索的投影线的中点在地面上标示出来，如图3所示。

图3 承重索投影线

2)在下部结构和场地内对应索体投影位置铺设放索通道并做好下部结构的防护。

3)采用汽车吊和放索盘将承重索在场内铺放到位，安装下半部分索夹，夹持住承重索，如图4所示。

图4 铺放承重索示意

4)采用汽车吊和放索盘将稳定索在场地内铺放到位，安装上半部分索夹，夹持住稳定索，如图5所示。

图5 铺放稳定索示意

马鞍形单层双向正交索网结构的施工方法与常规预应力钢结构施工不同，其结构成形过程是一个由机构到结构的转变过程，在张拉成形前，结构基本没有刚度。因此，必须进行全过程施工仿真设计分析，对拉索提升、张拉每一个过程进行动态模拟分析，确定每一个关键施工步对应的拉索内力、节点变形、边界节点位移等关键技术参数的理论值；校核安装张拉成形状态与设计初始预应力状态的符合性；进行张拉过程可变支承结构预变形设计；验证施工方案的正确性和结构预应力施加的有效性；设计施工工装和施工工艺，同时为施工过程监测提供目标依据，保证索网施工的安全性。

6.1 工程概况

国家速滑馆是北京2022冬季奥运会的标志性场馆。屋盖采用大跨度马鞍形单层双向正交索网结构，南北向最大跨度198 m，东西向最大跨度124 m，标高为15.800～33.800 m，其支撑于周圈钢结构环桁架上，环桁架外侧设置幕墙拉索。整体结构分解如图6所示。

a—整体结构；b—屋面索网；c—环桁架；d—幕墙拉索。
图6 结构分解示意

承重索和稳定索都采用双索结构，承重索直径为64 mm，数量为98根；稳定索直径为74 mm，数量为60根；幕墙索直径为48,56 mm两种规格，数量为120根；索结构的索体总长度约20 410 m，总质量约968 t。

6.2 拉索长度

按照上述方法确定每根拉索的长度，并在应力状态下进行下料，索长值及标记索力如表1所示。

表1 拉索下料长度和标记索力

注：索编号一列对应的两组索的相应参数值相同，故放在一列。

6.3 施工过程模拟

6.3.1 拉索索力复核

根据施工部署安排，施工模拟分析分提升和张拉两个阶段，共37步，最后得出索网张拉完成后的索力和竖向位移。将仿真分析结果与设计值进行比较，判断方案的合理性，进而确定索网张拉就位时的拉索索力和位形。表2为索网张拉完成后的索力比较，图7为索网张拉完成后的竖向位形比较。

a—施工仿真分析位形云图；b—设计位形云图。
图7 竖向位形比较 mm

从上述分析结果可知：拉索索力相对设计值最大偏差30 kN，最大相对偏差1%；索网竖向变形相对设计值最大偏差为19 mm，最大相对偏差1/10 421；施工模拟结果与设计初始预应力态吻合很好。

因此，施工模拟确定的索网整体张拉完成后拉索的索力，既是索网张拉就位索力控制的标准，又是索网张拉施工过程中监测的依据。

表2 索力比较

6.3.2 支座预偏值设计

由于索网张拉过程中屋盖支座的水平约束对其下方斜柱和环桁架内力影响较大，故在国家速滑馆屋面索网结构提升和张拉过程中将环桁架48个球铰支座的水平约束全部释放，即在索网提升和张拉过程中支座可以水平滑动。

根据仿真分析确定的支座运动轨迹，反推出48个支座的预偏值。考虑到结构1/4对称，只列出ZZ1～ZZ12共12个支座预偏值，见表3。将支座的预偏值导入到工程的整体坐标系中，得出48个支座提升张拉前的坐标，作为支座施工的依据。

表3 支座预偏值

6.4 索长定长整合

索网提升前，对拉索耳板的空间位置进行复测，根据测量结果和拉索理论长度，调整承重索和稳定索的调节螺杆长度，抵消环桁架和拉索耳板的施工误差，形成定长索长。索长调整数值见表4。

表4 索长定长调整数值

6.5 索网提升张拉

地面编网和索长调整完成且外圈幕墙索安装完成后，对索网进行整体提升和张拉施工。

索网提升时，承重索分区对称、等位移同步提升就位。提升前期，索网的整体刚度尚未形成，对同步提升要求适当放宽。提升后期，随着承重索两端距提升就位点距离缩短、承重索拉力的增大，对同步性要求逐步提高；当承重索两端距提升就位点距离约300 m后，按每步20 mm进行对称、同步提升。提升距离短的承重索先提升到位后立即穿销轴固定，保证施工安全。

索网提升就位后，对稳定索进行整体张拉施工。整体张拉过程分为初张拉和稳定张拉两个阶段。稳定索张拉的最大张拉距离为370 mm，张拉过程采用等位移、整体同步张拉到位的原则进行。预张拉一步张拉完成；稳定张拉共分为8步张拉完成，每步张拉距离为30 mm。由于张拉距离短的稳定索先张拉到位立即穿销轴固定，保证了施工安全。当30榀稳定索全部张拉就位并插好销轴，即完成屋面索网的张拉施工。

6.6 施工监测

施工过程中主要监测稳定索索力、索网位形和支座偏移。

1)稳定索索力共设60个监测点，实测索力与理论索力最大相对偏差为8.99%。

2)位形测量共设13个监测点，实测竖向位形相对跨度最大偏差1/1 903。

3)索网提升张拉完成后，48个支座滑移就位后的实测坐标值与理论坐标值基本一致，最大偏差10 mm。

监测结果表明，索网张拉完成后达到了设计初始预应力态。

国家速滑馆屋面索网工程的成功应用，表明本文施工设计与安装方法正确有效。对于单层正交索网结构，其力与形具有高度一致性，采用定长索进行安装和张拉施工，索张拉到位并固定后即形成初始预应力态。

中英文全文下载链接

1. http://gjg.ic-mag.com/cn/article/doi/10.13206/j.gjgS20032702 （注册登录免费获取）    

2. https://navi.cnki.net/knavi/JournalDetail?pcode=CJFD&pykm=GJIG 

3. http://cstm.cnki.net/stmt/TitleBrowse/KnowledgeNet/GJIG202010004?db=STMJTEMP