东南大学罗斌教授为您解读轮辐式单-双层混合索网结构成形关键技术

乐山奥体中心体育场屋盖采用轮辐式单-双层混合索网结构，结构投影平面近似椭圆形，南北向约为244 m，东西向约为235 m，挑蓬最大悬挑长度为44 m。屋盖整体结构由单-双层混合索网、外环受压桁架及外围支承钢构组成，其中单-双层混合索网由16榀单层索和26榀双层索及环索组成，由西向东逐渐沿环向实现单层与双层索网的过渡。

单-双层混合索网结构包括单层索网、双层索网、外环受压桁架及外围钢构，其中单层索网包括环索和径向索，径向索的一端与环索相连，另一端锚固于受压外环桁架；双层索网包括上环索、下环索、上径向索、下径向索及撑杆，上下径向索的一端分别与上下环索相连，另一端均锚固于外环受压桁架。索网结构体系及布置见图1和图2。

索网结构中拉索及撑杆的规格见表1，索夹同时夹持10根两种规格（6根Φ130单索和4根Φ120单索）的拉索，环索交汇区域组成如图3所示。

2.1 索网索力

结构在自重和预应力共同作用下环索与径向索的索力如图4所示。可见，下环索索力大于上环索，单根环索索力最大值出现在单双层交界处的下环索中；索夹两侧环索索力最大差值（112 kN）出现在单双层环索交界处。

2.2 确定 最后批次张拉锚固的径向索

本索网结构成形态的各径向索索力差异大，且最大值达到6139 kN，因此采用无支架整体牵引提升索网、分批张拉锚固径向索的成形方法，步骤如下：

1）安装周边支承结构，其上设有径向索外端锚固节点和工装耳板。

2）在场内铺设环索和径向索，并安装索夹，将径向索与环索连接就位。

3）在径向索外端索头与锚固节点之间，安装牵引设备和工装索且预紧工装索。

4）安装双层索网两侧采用联合锚具的上下径向索之间的撑杆。

5）整体牵引提升索网，调整各点牵引速度，分批依次将径向索外端与锚固节点连接就位，其间穿插安装撑杆。

在上述需要寻求合理的径向索张拉锚固顺序，特别是确定最后批次张拉锚固的径向索，分别选取单径向索（方案I）、上径向索（方案II）和下径向索（方案III）作为最后批次锚固索进行对比优选，图5为上述不同方案下各径向索索力发展变化，3种方案下径向索张拉锚固力值及环索相邻索力差值见表2。

综合考虑环索索夹抗滑承载能力、施工可操作性及经济性，同时由于方案II工况5、6的双层索网中间部分高出设计位形（图6），确定选用方案III。

2.3  撑杆安装时机确定

方案III中，将联合径向索和上径向索与外环桁架锚接后，除9轴以外，上下环索间的空间距离不足以安装撑杆（表3），因此需研究确定撑杆的合理安装时机和方法。

根据撑杆的安装时机确定如下两种方案：1）方案a。先张拉锚固单径向索、联合径向索和上径向索，然后安装撑杆，最后张拉锚固下径向索；2）方案b。先张拉锚固联合径向索和上径向索，上环索被提升至半空后，使用吊机提升上环索，然后逐榀安装撑杆并牵引下径向索，最后依次张拉锚固单径向索和下径向索。

通过两种方案的对比分析可得：对于方案a，张拉锚固单径向索会逐渐拉开上、下环索，能满足撑杆安装的空间要求，但双层索网的下环索处于松弛状态，而单层环索处于张紧状态，导致单双层索网交界处环索最大相邻索力差达到1480 kN，环索索夹抗滑移承载力无法满足；对于方案b，在张拉锚固联合径向索和上径向索后，采用吊机从两侧榀向中间榀依次提升上环索，增大上下环索之间距离，并逐榀安装撑杆。轴线2、5、6、7、8位置处的吊机提升力分别为179、355、348、255、110 kN，最大上提力为355 kN。另外，该过程中单双层索网均处于低应力状态，环索相邻索力差（104 kN）较低。

因此，最终实施方案采用方案b。

2.4  张拉成形全过程分析

根据确定的最后批次锚固索及撑杆安装方案，将牵引锚固上径向索和联合径向索、安装撑杆、牵引锚固单径向索和最终张拉锚固下径向索细分为18个工况（表4），张拉过程中结构位形变化如图7所示，图8和图9为不同工况下各径向索索力云图及位形变化。

张拉成形全过程中，单径向索和联合径向索索力变化趋势一致，先缓慢上升，后保持平稳，张拉成形阶段索力迅速上升至设计索力；除起始工况外，径向索索力最大值均出现在单层索网区域两侧，即环索投影圆弧曲率发生突变的拐角区域，与结构成形后径向索索力分布一致。

2.5  张拉成形现场施工

依据上述张拉成形方案比选及成形全过程模拟分析结果，现场实施该轮辐式单-双层混合索网结构的张拉提升，索网结构张拉成形施工现场见图10。单-双层混合索网张拉成形后，42根径向索索力现场实测值与数值模拟结果偏差均在5%以内，最大值为4.17%。撑杆垂直度最大偏差1/121，绝大部分撑杆垂直度接近或小于1/150，撑杆垂直度表现良好。

1）单双层混合索网结构与单层和双层索网结构力学特征存在较大差异，混合索网结构中径向索索力最大值出现在单层索网区域两侧，索夹两侧环索索力最大差值出现在单双层交界处。

2）采用整体牵引提升、分批张拉锚固的成形方法，确定径向索的分批张拉锚固顺序为上径向索、单径向索、下径向索，并确定在分批张拉锚固上径向索之后，张拉锚固单径向索之前安装撑杆，大大降低了张拉力，实现用较小的张拉力在结构中建立较大的预应力，并使得张拉提升过程中的相邻环索索力差值控制在合理范围内。

3）张拉成形全过程分析结果为索网牵引张拉成形提供了理论依据，实际结构响应与有限元模拟分析一致，验证了成形方法和数值模拟分析的有效性和安全性，本文研究成果已成功应用于实际项目中。