局部三层张弦桁架，新疆冰上运动中心速滑馆屋盖

  

设计单位 ：哈尔滨工业大学建筑设计研究院有限公司

总包单位 ： 中建三局集团有限公司

钢结构安装单位 ：浙江精工钢结构有限公司

索结构施工单位 ：浙江精工钢结构有限公司

索具类型 ：巨力索具·外包 PE 镀锌钢丝索

竣工时间 ：2013年

 

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概 况      

   

 

 

 

十三届冬运会是新疆维吾尔自治区成立60年以来第一次承办全国大型综合性运动会，也是目前唯一在东三省以外省市举办的冬运会，所以说具有政治、经济、文化等方面影响力。占地477亩，总建筑面积7.8万多平方米，五座建筑：速度滑冰馆、冰球馆、短道速滑(花样滑冰、冰壶)馆、媒体中心、运动员公寓围成一圈，实现了高度集约化，可以实现所有的冰上运动项目。

速滑馆位于乌鲁木齐市乌鲁木齐县南山旅游基地。整个屋盖外形为沿建筑长轴单轴对称的不规则椭球壳，长轴197m，短轴118m，单体建筑面积约2.90万m2，可容纳坐席约3015个。建筑整体造型呈椭球形，空间流畅、完整，与速滑馆内部的大道速滑竞赛场地空间相契合，体现出了建筑、空间、结构、功能的完美统一。

     

图1 新疆冰上运动中心速滑馆            

   

 

 

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索结构体系      

   

 

该工程所处地点为新疆乌鲁木齐市，所在地自然条件较差，其风雪荷载均较大，地震烈度高，抗震设防烈度为8度0.2g，对大跨度结构设计难度较大，经分析比较并为了满足建筑造型需求确定采用局部三层弦杆的张弦桁架体系。预应力张弦桁架由上弦桁架、下弦索及其之间的撑杆构成。通过张拉预应力索，产生向上的等效预应力荷载，优化结构内力状态，提高结构刚度，平衡支座全部或部分推力，控制结构外形尺寸（矢高或跨度等）。      

该工程屋盖沿长轴方向布置11道张弦桁架，桁架间距18米。桁架最大跨度118米，最小跨度78米。主桁架截面呈倒三角型，桁架高度2.8米，宽度3米，中间局部上返正三角桁架高度3米。桁架外端及中间突起处设置了两道椭圆形封闭桁架，用以增加结构的整体性。为了减少次结构跨度，在主桁架之间设置一道次桁架。桁架采用圆管截面，预应力拉索采用双PE叉耳式预应力索，主桁架拉索截面规格为Φ7×331半平行钢丝束，全束钢丝总截面面积为12969mm2。

a）整体模型	b）混凝土模型
	d）长向剖面
c）平面图	e）跨度方向剖面

图2 屋盖结构组成图      

目前，采用单向张弦桁架结构的椭圆形平面在大跨建筑中较少采用，为了保证结构的可靠性，该工程采用多种软件校核并进行了详细的计算分析，关键节点采用铸钢节点，桁架支座采用成品抗震支座，混凝土立柱采用型钢混凝土柱等构造措施。

	b）拉索端部节点
a）支座节点	c）撑杆端部节点	d）撑杆连接

图3 关键节点示意图      

该工程体型复杂，跨度较大对风荷载作用敏感，故采用风洞试验确定其风压系数。为保证结构安全采用多种计算软件进行对比分析，主要采用的设计及分析软件为：Sap2000 V14.1、 Midas.Gen8.0、Ansys10.0、3d3s10.1。主要计算内容包含：1）静力及多遇地震组合分析；2）小震时程分析；3）中震反应谱分析；4）张拉模拟分析；5）断索分析；6）罕遇地震动力弹塑性分析；7）结构实体有限元分析。      

a) 风洞试验缩尺模型	b) 静力及小震分析应力比云图
c) 罕遇地震动力弹塑性分析塑性铰分布图	d) 节点有限元分析应力云图

图4 风洞模型及主要分析结果      

     

   

 

 

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索结构施工      

   

 

结构从第11榀向第1榀逐渐安装，逐榀张拉拉索，张拉滞后安装两榀。待结构全部安装完成，拉索亦全部张拉完成后，再进行檩条及屋面板的安装。      

结构安装及张拉顺序如下：

1）安装第11~9榀张弦桁架以及各榀间纵向联系桁架；

2）待钢结构拼装就位后，进行第11榀拉索的张拉；

3）安装第8榀张弦桁架以及第8榀与第9榀间的纵向联系桁架；

4）进行第10榀拉索张拉；

5）依此规律不断进行安装和拉索张拉；

6）每榀张弦桁架采用两端分级张拉，一次张拉到位；

7）一次张拉过程中的分级：预紧→20%→40%→60%→80%→100%；

桁架结构安装和张拉完成后，再进行檩条及屋面板的安装。

图5 张拉顺序示意图      

索拱桁架最大跨度为118m，拉索采用Φ7×331PE外包 PE 镀锌钢丝索，每米重量约55.5kg，锚具重量约2.5t，索长度为186米，单根拉索总重约6.64t。由于拉索长度较长，重量较大，为了保证成型后吊索的位置，且保证两端拉索外漏螺杆长度一致，采用两端张拉的张拉方式。鉴于单根拉索最大施工张拉力约为312T，因此选用YCW200B型千斤顶进行张拉（一个张拉点的两台千斤顶的张拉力能达到400T）及张拉工装等设备进行张拉，当压力达到钢索设计拉力时，超张拉5％左右，然后停止加压，完成预应力钢索张拉（图5）。张拉过程中采用拉力传感器及全站仪记录钢结构变形及索内力，对结构进行张拉全过程监测。张拉完成后，根据实测索力确定是否需要进行调整，若需要，则根据实测索力建立结构计算模型，通过仿真计算确定索力调整顺序和调整值，以消除相邻各榀拱架拉索索力的相互影响。

a) 张拉反力架	b) 张拉现场

图6 张拉工装      

大跨空间结构在未完全成形阶段有可能是结构的最不利时刻，因此在设计阶段需要考虑对结构的施工全过程进行模拟，以保证结构在合理施工工序下的安全性。钢结构分步张拉步骤如下：      

1）钢结构桁架安装，中间用两个胎架做为支承；      

2）进行初张拉50%，并使得屋面桁架脱离胎架，观测和记录结构位移及监测索力；      

3）张拉至70%，观测和记录结构位移及监测索力；      

4）张拉至100%，观测和记录结构位移及监测索力。      

模拟过程中通过施加温度荷载的形式考虑预应力张拉过程，以零应力索长为控制目标计算需要施加的总预应力，通过分级施加总预应力来模拟张拉过程。全部张拉过程结构体系的内力和位移响应结果如表2所示。      

     

   

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工程照片

     

     

图7 张拉施工现场             图8 钢结构安装过程      

     

图9 屋盖结构完成内景      

     

图10 速滑馆外景      

     

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参考文献

     

[1] 刘海峰，毛小东，李清朋，曹正罡，武岳.第 十三届冬运会速滑馆屋盖结构选型与设计, 建筑结构.      

     

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