索结构典型工程：河北北方学院体育馆类椭圆形弦支穹顶屋盖

河北北方学院体育馆是2022年北京冬奥会基础场馆，也是河北省首个穹顶结构体育馆，是华北地区除京津以外规格最高的综合性场馆。体育馆地下一层，地上主体一层，局部四层；有6179座（固定座椅3945，活动座椅2234），钢筋混凝土框架结构，屋顶采用弦支穹顶结构，具有承担全国性综合运动会及国际级单项赛事的能力。该馆内部功能布局合理，能够满足对速度(大道)滑冰以外的所有冰上运动项目需要，实现了冬夏转换，场馆内地板都是可拆卸的，将地板撒走后，地下的制冰机可以立即开始制冰。体育馆方案选择颇具传统特色的“灯彩”建筑造型，采用“蓝白”作为建筑主色调，力求与校园及城市的人文特色相结合，并能够彰显出冬奥会项目的特质。从著名的张家口市蔚县剪纸艺术中汲取营养，外围很像剪纸，内部是彩色的，远看酷似灯笼，就像一个被旋转了180°的纸片，能够增加律动感。

图1 河北北方学院体育馆

1）结构整体概况

弦支穹顶是传统索穹顶与空间网壳结构的混合体。作为一种新型的杂交结构体系，该种结构具有时代气息，具有用钢量小、结构轻盈、钢结构杆件类型较少、节点构造简洁、施工方便等优点。河北北方学院体育馆钢结构屋盖的弦支穹顶结构由上部单层网壳和下部索杆体系构成，平面投影尺寸约为89. 9m×82.7m。结构上部单层网壳为类椭圆形，由凯威特型（Kiewitt）和联方型结合布置，网壳高度为25.36m；下部索杆体系为Levy体系，设置5圈环索，6道径向钢拉杆，最内圈径向钢拉杆与中心撑杆连接。该工程钢结构屋盖部分通过最外圈环形钢梁与下部柱相连，弦支穹顶的边界节点与环形钢梁通过焊接球节点连接，环形钢梁的部分节点与柱的连接采用铸钢球铰支座形式，共设32个支座，球铰支座安装在钢筋混凝土框架柱顶上。

图2 屋盖结构平面图 图3 屋盖结构立面图

a) 索杆体系	b) 单层网壳

图4 北方学院体育馆弦支穹顶结构组成

2）结构重难点

① 拉索张拉方法

该工程拉索体量大、分布面广，且由径向钢拉杆、环向索及撑杆组成了整体张拉索杆体系。首先，拉索施工应穿插于单层网壳结构的安装施工中，与普通钢结构的施工顺序、方法和工艺密切相关。其次，弦支穹顶屋盖预应力的建立方法不同于普通预应力钢结构。由于张拉整体索杆体系中的径向钢拉杆、环向索及撑杆为一有机整体，索力与撑杆内力是密切相关的，相互影响、互为依托。对其中任何一根索进行张拉，也可在其它索中建立相应的预应力，也就是说能达到同样的预应力效果。因此该工程可以应用的拉索张拉方法有：撑杆调节法、环向索张拉法和径向索张拉法。但对于具体施工来说，不同的张拉方法将要采用的节点构造、张拉机具、施工工艺等都不同。因此，须进行详尽的考虑和分析，根据工程的特点，确定合理的张拉方法，在满足在结构中建立设计所要求的预应力的基础上，施工方便、节点构造简单、美观、容易控制误差和环索线形等。

此外，对于该工程而言，不论采取何种拉索张拉方法，一般均不可能对所有拉索同时同步施加预应力，通常的做法是采取分批分级的办法来实现。当结构较柔时，拉索分批分级张拉会因张拉先后顺序和张拉力级别的不同，导致群索之间的索力相互影响较大。因此，需对该工程进行张拉施工全过程的分析，来确定合理的张拉方案。

② 节点设计

该工程撑杆下端索夹节点空间性强、受力复杂、空间定位要求准，且径向钢拉杆为Levy型索系，对索夹上耳板方向和角度的定位要求较高。因此，进行索夹节点构造设计时，除需考虑准确定位和受力安全外，还应满足拉索实际施工的要求（包括拉索安装和张拉）。同样，对于撑杆上端节点，设计初步给定了焊接球节点形式，因此在选择拉索张拉方法时应考虑这一特点。

③ 支座形式对结构施工的影响

该工程支座形式采用的是铸钢球铰支座。一般来说，为提高预应力效率，在施工阶段，特别是在预应力张拉阶段，预应力空间钢屋盖结构允许支座滑动，从而使预应力完全建立在屋盖结构中，形成预应力自平衡体系，避免下部结构对预应力的损耗。但允许支座滑动与结构整体设计计算的结果会有所不同，因此须进行结构对比分析，以确定拉索张拉阶段支座是否滑动，若保持滑动，还需确定支座与下部结构安装连接的时机。

④ 支架对结构预应力态的影响

该工程屋盖上部网壳安装时搭设了满堂脚手架，在拉索张拉时有两种选择，一是保留支架，待拉索张拉完毕后再脱架。二是脱架后再进行拉索张拉。前者可确保施工阶段结构的安全性，防止发生意外事故，但若张拉过程中屋盖始终不脱架，那么支架将会对施工过程中索力和结构变形产生一定的影响。而对于后者，因该屋盖网壳矢跨比较小（1/14），在形成整体结构（弦支穹顶）之前将网壳与支架脱开，屋盖将产生较大的结构变形和支座反力，对自身结构和下部支承体系都不利。因此，需比较两种情况下结构的受力性能，以选择相对合适的张拉方案。

根据该工程特点，经详细的结构分析和方案比对，确定采用环向索张拉法在结构中建立所需的预应力。其中，外5环采用环索张拉法，最内环采用径向索张拉法；同一环的环索或径向索同步分级张拉。

外5环在张拉环索时，为减小索夹摩擦力引起的环索索力损失，从外向内五环环索的张拉点的数量分别为8、8、6、4、4，见图5。

图5 弦支穹顶环索张拉点示意图

总体施工步骤如下：

① 搭设满堂脚手架至单层网壳节点安装位置；

② 拼装网壳，并将支座初步固定；

③ 随网壳拼装作业过程，逐环安装撑杆和相应的拉索；

④ 从外环向内环进行第一次循环张拉，达到90%设计索力；然后卸载脱架；从内环向外环进行第二次循环张拉，达到100%设计索力；最后拧紧索夹。

⑤ 索张拉完毕后，安装马道和屋面材料等。

环索张拉施工顺序如图6所示。

a) 在满堂脚手架上完成网壳拼装

b) 在满堂脚手架上开始第一阶段环索张拉

c) 在结构脱架后开始第二阶段环索张拉

图6 弦支穹顶环索张拉施工顺序示意图