马鞍形边界超大跨杂交型索穹顶深化设计及施工关键技术的研究和应用

马鞍形边界超大跨杂交型索穹顶深化设计及施工关键技术的研究和应用

文/司波

截至该项目建成时，国内索穹顶结构跨度超过30米的仅5个项目，其特点如下表：

天津理工大学新建体育馆工程位于西青区宾水西道391号天津理工大学校区内，是第十三届全运会比赛场馆之一。由主场馆、训练馆、观众休息厅及管理用房组成。该体育馆共设置座位5038座，其中固定座位3898座、活动座位1140座。

▲  天津理工大学新建体育馆效果图

本工程主体高度为27.5m，主体单层，局部三层，总建筑面积约17100m ² 。主体结构采用全现浇钢筋混凝土框架结构体系,楼盖采用全现浇梁板结构承重，主馆屋盖采用索穹顶结构。

▲ 主体结构三维轴测图

屋盖索穹顶结构平面投影为椭圆形，长轴约102m，短轴约82m。中心受拉环直径为4m，拉环呈三层布置。外圈压力环边界约束构件为马鞍形混凝土框架体系，框架顶层环梁截面高度为1000mm，宽度约为800mm,该顶层环梁与径向框架梁、楼板以及框架斜柱共同构成了索穹顶边界压力环。脊索和斜索共四圈，中间三圈脊索和斜索按Geiger型式布置，每一圈设16榀，最外圈脊索及斜索按levy型式布置，共设32榀，与柱顶混凝土环梁相连。

采用midas和ansys两种有限元软件，通过迭代分析找到结构在1.0自重+1.0预应力组合工况下的形态作为索穹顶的成形态。两种有限元软件的找形结果基本一致，位形最大相差8mm，偏差率为6.7%,最大偏差发生在中心内拉环处。

▲  找形结果（ANSYS)/m

▲  找形结果（MIDAS Gen)/mm

本工程索力较大，受力不均，增加了节点的设计难度和复杂性。其中预埋件和关键索夹节点如下：

▲  预埋件尺寸图

▲  五种预埋件形式

▲  主要节点三维图

本项目在长轴方向布置有土建结构，三层楼面结构的标高为16.4m，外圈环索标高约为18.0m，并且三层楼面上两侧各个有一道横向的屏风墙，空间角度否定了传统的地面组成，整体提升工艺。

结合本工程特点，经过方案的对比，最终确定了施工总体思路：索系采用分片组成牵引就位和部分构件高空散装相结合的方法进行安装。首先利用中央塔架拼装内拉环，再分片安装16榀上脊索，接着由外到内的顺序依次安装环索、撑杆和斜索组成的单元体，然后安装最内圈直索，整个索系组成完成后开始预应力的正式施加，预应力的施加最后张拉外圈斜索使结构成型。径向构件采用两组对称安装的方法。

▲  拉索安装顺序图示

2008年北京奥运会以来，索结构在国内快速发展近二十年，各种结构形式层出不穷。国内索结构的设计和施工能力均达到了国际水平，国际上有影响力的2022年卡塔尔世界杯主体育场卢赛尔体育场、柬埔寨国家体育场和印尼雅加达国际体育场等均是国内团队完成的。未来索结构的发展方向，将会在以下几个方面有所突破：

（1）拉索材料方面：拉索材料将会向着2000MPa等级以上更高强度等级发展；智能化拉索技术的更新迭代；碳纤维拉索材料锚固技术的不断成熟等。

（2）索结构设计和施工方面：索结构的设计与施工一体精细化；施工设备和同步控制系统更加智能化等。

（3）建筑索结构的安全评估和拉索更换技术：索结构长服役后结构安全性能的评估方法以及拉索的更换技术的研究等。

（4）突破壁垒，融入国际市场：国内预应力产品、设计和施工企业与国际接轨工作等。