索结构典型工程：佛山德胜体育中心体育馆金属屋面索穹顶屋盖

 

 

 

 

 

设计单位 ：广东省建筑设计研究院

总包单位 ：中建五局建设集团有限公司

钢结构安装单位 ：中冶钢构集团有限公司

索结构施工单位 ：南京东大现代预应力工程有限责任公司

索具类型 ：坚宜佳·高钒镀层密封索

竣工时间 ：2021年

 

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概 况      

   

 

 

 

佛山顺德德胜体育中心项目位于广东省佛山市顺德区，主要包括“一场两馆”，即一座综合体育场、一座综合体育馆（含体育馆主馆和训练馆）和一座游泳馆。体育馆主馆屋盖为含重型刚性屋面的大跨度封闭式混合型索穹顶结构，由脊索、斜索、环索、撑杆、内拉环、外压环梁及外围支承结构等组成的空间预应力索杆体系，结构平面投影为椭圆形，其中支座间长轴方向的结构净跨124.5m，短轴方向的结构净跨105.5m，结构矢高8.1m，长向矢跨比1/15，短轴矢跨比1/13，屋面最高点高度约为38.4m，采用不锈钢金属屋面。地上混凝土结构包括看台和平台部分，体育馆混凝土结构不分缝。       

     

图1 佛山顺德德胜体育中心            

   

 

 

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索结构体系      

   

 

1）结构整体概况
     

体育馆的结构主要由四部分组成，分别为：      

① 索穹顶屋盖 ：采用椭圆形抛物面混合型封闭索穹顶结构，总共包含四圈脊索、四圈斜索、三圈环索和撑杆，由内向外第1~2圈采用16榀Geiger型，第3圈分叉开始采用Levy型，至第4圈为32榀Geiger型，这样既避免了因脊索和斜索太密造成建筑不美观，又避免了外圈檩条的跨度过大，同时从受力形式上提高了索穹顶的侧向刚度。      

② 内拉环、外压环梁 ：内拉环为双层椭圆形钢构件，外压环采用两道环梁形式，起到两道防线的作用；      

③ 结构外立面 ：采用管型钢柱，其中抗侧力构件分为外圈V 柱和内圈八个大V 柱，形成两道抗侧力体系。      

④ 刚性屋面 ：由主次檩条、镀锌穿孔压型钢底板、吸音棉、保温棉、防水卷材、不锈钢焊接屋面板等组成，屋面（不含檩条）的重量达52.45kg/ m ² 。      

     

图2 体育馆剖面      

     

图3 体育馆结构三维示意图      

     

图4 索穹顶剖面示意图      

     

值得一提的是，第三方单位为了进行索结构施工监测，该工程拉索中引入了带有耦合光纤光栅钢丝[1]的智慧拉索，尝试进行了施工全过程实时索力检测。
     

2）结构重难点      

① 索穹顶采用连续焊接不锈钢金属屋面的变形控制      

综合体育馆屋盖形态为类椭圆形，长轴与短轴受力不均匀导致环索索力不均匀，同时屋面脊索长短向竖向变形不一致带来的金属屋面檩条的相对变形控制及环向主檩条的局部应力集中，通过调整索力和将内拉环形态调整为与外压环一致性来解决索力不均匀问题。调整索力控制相邻撑杆的相对变形外，同时径向主檩条采用铰接方式、环向主檩条在长短轴交接部位采用“可呼吸”滑动方式解决不均匀变形造成的影响；施工措施上采用对称、均匀分布的施工顺序避免集中堆载；从而达到控制金属屋面的变形和避免环向主檩条的局部应力集中。      

② 含刚性内拉环的封闭式索穹顶结构的成形      

索穹顶结构作为全张力体系，其结构成形是一个动态的施工过程，结构内部会出现超大位移，过程中结构位形、刚度、荷载、内力、边界都不断变化。索穹顶结构总体施工方案包含钢构拼装、内拉环及拉索、撑杆安装等步骤。以前，索穹顶结构的施工多采用高空散装法，即搭设胎架、高空拼装并张拉，该方法费时费力；随着非线性动力有限元分析和张拉同步控制技术的发展，实现了地面拼装、高空张拉，这成为索穹顶等大跨空间索结构施工的有效方法。对于含刚性内拉环的封闭式索穹顶结构，由于内拉环与外压环的距离远且内拉环重量大，在施工过程中仅考虑外围牵引提升时，牵引提升力将会很大，且容易对完成态结构的形态与内力产生影响，因此该工程采用“内环竖向提升+索杆系斜向牵引提升交替”的施工方法，有效解决了外环工装索牵引提升力很大的问题。      

   

 

 

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索结构施工      

   

1）结构总体施工顺序      

① 拼装结构外围的钢构件，支座状态与设计使用状态相符；      

② 在地面上拼装内拉环，安装内环提升塔架，组装索杆系，进行拉索的组装与施工；      

③ 内拉环提升塔架卸载，拆除提升塔架；      

④ 安装檩条、屋面及其他构件。      

2）拉索施工总体方案      

根据该工程索穹顶结构的特点，综合采用“一种索穹顶塔架提升索杆累积安装施工方法”和 “一种牵引下层索网整体提升和张拉双层索网结构的施工方法”，即地面组装索杆、利用周边支承结构和中央塔架来交替提升索杆系和内拉环、高空张拉最外环斜索使结构成形。结构施工包含三个阶段，分别为索杆系安装与整体提升阶段、脊索锚接阶段、外斜索张拉成型阶段。      

为详细说明施工全过程，将工装索分四类：主牵引工装索a、主牵引工装索b、次牵引工装索c、内环提升工装索d，四类工装索的位置见图5。      

     

a）斜向牵引提升      

     

b）脊索锚接      

     

c）内环竖向提升      

图5 工装索示意图      

拉索总体施工过程示意见图6。

     

a) 在看台和地面上拼装胎架，拼装内拉环，铺设环索、安装环索索夹，       铺设脊索、斜索和撑杆，连接脊索网和第一圈斜索，搭设提升塔架（牵引提升起始）      

     

b) 交替进行内拉环的提升和脊索网的牵引，到一定高度，安装连接第一圈撑杆、环索和第二圈斜索      

     

c) 交替进行内拉环的提升和脊索网的牵引，到一定高度，安装连接第二圈撑杆、环索和第三圈斜索      

     

d) 交替进行内拉环的提升和脊索网的牵引， 到一定高度，安装连接第三圈撑杆、环索和第四圈斜索      

     

e) 交替进行内拉环的提升和脊索网的牵引，至一定标高，将外脊索与外压环锚接      

     

f) 提升内拉环和张拉外斜索交替进行，直至张拉成形      

     

g) 卸除提升塔架、提升索和部分构造索，结构成型      

图6 拉索总体施工过程示意图      

   

 

 

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工程照片

     

     

图7       索夹节点      

     

图8 内脊索索端节点      

     

图9 外压环索端节点      

     

图10 拉索开盘      

     

图11 拉索牵引提升      

     

图12 拉索张拉成形现场      

     

图13 体育馆屋盖仰视      

     

   

      

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