华北理工大学新校区体育馆屋盖：折板形弦支网架

华北理工大学新校区体育馆（图1）位于河北省唐山市曹妃甸新城，建筑面积18827m2。该体育馆主馆共地上3层，1-3层层高分别为4.5m、6m、4.5m，建筑檐口高度约22.35m，屋顶标高28m。体育馆钢屋盖的平面投影为近似六边形，平面投影的纵向长度为105.9m，横向长度为66.9m。纵向两端分别向外悬挑15.14m和10.94m，屋盖中间的轴网尺寸为88.2m×67.2m，主要柱距为8.4m，部分4.2m，屋面为双坡屋面，坡度10%。屋盖结构采用弦支网架结构，弦支网架的上部网架结构采用正交正放桁架体系，网架下方共布置6道拉索。

图1 华北理工大学新校区体育馆

1）索结构体系组成

上部网架采用正交正放桁架网格体系，网格主要尺寸为2.8m×2.8m，部分2.1m×2.1m，网架中部厚度为2.2m，西侧悬挑边缘厚度由2.2m过渡到0.6m，东侧悬挑边缘厚度由2.2m过渡到1.24m。网架下部6道索撑体系的矢高为4.8m。结构设计时选用的杆件截面包括φ89×4.5、φ108×4.5、φ121×6、φ140×8、φ168×6、φ180×10、φ219×10、φ245×16。索撑体系的预应力设计值在计算时设定的初拉力为1100kN、1300kN、1500kN三种。弦支网架结构的平立面布置如图2所示。

a) 结构平面布置图

b) 结构立面布置图

图2 弦支网架结构布置图

2）索结构体系受力特点

①弦支网架结构静力性能分析

通过对该结构进行静力性能分析，发现结构整体作用良好，结构刚度大，内力分布较均匀，静力性能良好，该折板形弦支网架结构能够发挥部分拱形结构的优点，通过拉索的引入，降低了支座反力，克服了拱水平推力大的缺点。

②弦支网架结构动力特性分析

对该结构进行模态分析，得到了结构前50阶振型的频率（图3），该折板形弦支网架结构一阶自振频率较高，接近1Hz，结构刚度较好。结构自振频率变化较为缓慢，增长趋势比较密集，且变化较均匀，结构质量分布及刚度分布较均匀，结构布置合理。

图3 结构前50 阶振型频率分布

3）设计难点与解决方案

①屋盖选型分析

该工程上部屋盖钢结构为中大跨度，根据屋盖的建筑造型及支承条件分别考虑网架结构和弦支网架结构两种方案，通过对比两种方案的各项力学性能，综合各方面结构性能指标，选取了优于网架结构的弦支网架结构。该方案优化了结构内部的力流分布，增加了结构的整体刚度，提高了结构的效能。

②关键节点构造设计

网架上弦节点：实际结构需要根据杆件内力选择杆件截面尺寸，在杆件尺寸保证构造要求的前提下选择球节点的大小，辅以计算，保证球节点的安全与稳定。

撑杆与网架连接节点：网架各位置的撑杆上节点尺寸不尽相同，节点形式如图4所示。撑杆与网架连接节点采用销轴连接，可以很好的实现铰接。

图4 撑杆与网架连接节点

拉索与网架连接节点如图5所示。由于拉索与网架连接节点构造较为复杂，所连杆件较多，焊缝也较多，容易存在应力集中现象，因此采用有限元分析软件对节点的性能进行分析。得出节点域确实存在应力集中现象，但节点域应力与变形较小，可以满足安全性要求（图6、7）。

图5 拉索与网架连接节点

拉索的安装和张拉施工穿插在钢结构网架的安装过程中，该工程钢结构网架采用整体提升法进行施工：在楼面拼装好钢网架，安装预应力拉索、索夹、撑杆等构件，根据整体提升方案的要求安装好提升支架和提升设备；在钢网架整体提升到位后，通过对拉索施加预应力使结构达到成形状态。

拉索的张拉施工总体思路为：钢结构网架提升就位后，搭设拉索张拉操作平台，然后分级分批进行张拉，张拉分2级，每次同步对称张拉两榀拉索。

1）拉索安装

该弦支网架结构为单向张弦体系，最大跨度67m，索体每米重量约24kg，索头重量约0.5T。拉索在网架下方放开以后，利用卷扬机和倒链进行安装，具体思路如下：安装时借助卷扬机和导链等工具整体同步提升拉索，当拉索提升到一定高度（索头距耳板1.5m左右），先安装拉索两端索头，再安装索夹节点，即先借助倒链牵引索头，通过销轴将索头固定到对应耳板上，拉索两端索头安装完毕后，根据拉索上的标记点，将拉索和索夹相连，在所有拉索和节点连接完毕以后，盖上节点盖板拧紧螺栓，如图8所示。

2）拉索张拉

采用调节端单端张拉的方式进行张拉。根据钢结构施工图纸，自重作用下，拉索的最大张拉力为980kN，每次同时张拉两根拉索，因此选用2套张拉设备进行张拉，即4个60T千斤顶、2台油泵及配套张拉工装等。张拉过程中1台油泵带2个60T千斤顶同时工作，张拉工装如图9所示。

图8 连接拉索和撑杆下节点安装

图9 张拉工装示意图