蔣鳳昌 ，唐金來 ，王安國(guó) ，韓渭國(guó) ，劉國(guó)華 ，周桂香

（1.泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇泰州 225300；2.錦宸集團(tuán)有限公司，江蘇泰州 225300；3.江蘇永泰建造工程有限公司，江蘇泰州 225300）

0 引言

在體育場(chǎng)和足球場(chǎng)等大型體育建筑中，由于考慮功能與經(jīng)濟(jì)性的要求，中心部位常常為露天賽場(chǎng)，建筑平面中部存在大開口，周邊的體育看臺(tái)上方通常為懸挑鋼桁架或鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)屋蓋，由于其懸挑尺寸較大，通常達(dá)40m 左右，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)桿件數(shù)量較多且截面較大，使得結(jié)構(gòu)用鋼量較大且影響美觀效果。因此，業(yè)內(nèi)近年來研究出一種剛?cè)峤Y(jié)合的雜交結(jié)構(gòu)——大開口車輻式索承網(wǎng)格鋼結(jié)構(gòu)[1]，其上弦由主次鋼梁焊接而的鋼網(wǎng)格構(gòu)成剛性結(jié)構(gòu)，下弦由車輻式布置的徑向鋼索及其撐桿構(gòu)成柔性索桿體系，鋼網(wǎng)格呈橢圓形環(huán)狀布置，擔(dān)當(dāng)受壓構(gòu)件，從而形成自平衡系統(tǒng)。

索承網(wǎng)格鋼結(jié)構(gòu)因具有結(jié)構(gòu)輕盈、建筑簡(jiǎn)潔通透等特點(diǎn)而獲得青睞[2]。但是，整個(gè)屋蓋體系在施加預(yù)應(yīng)力之前，整個(gè)結(jié)構(gòu)體系為幾何瞬變體系，懸挑的鋼網(wǎng)格支撐在周邊桁架柱結(jié)構(gòu)上，不足以保持自身平衡，故需在混凝土看臺(tái)上搭設(shè)較多的支撐胎架，保證施工過程安全。由于支撐胎架數(shù)量較多，造價(jià)較高且干擾預(yù)應(yīng)力張拉的相關(guān)施工工序，因此需創(chuàng)新其施工技術(shù)。本文以泰州體育公園體育場(chǎng)項(xiàng)目為例，介紹索承網(wǎng)格鋼結(jié)構(gòu)施工的工藝原理、施工方案、工藝流程和健康監(jiān)測(cè)。

1 工程背景

泰州市體育公園體育場(chǎng)項(xiàng)目建筑面積62905m2，可容納35000 名觀眾，如圖1 所示，體育場(chǎng)屋蓋平面布置為橢圓形，長(zhǎng)軸約為263m（南北方向布置），短軸約為233m（東西方向布置），屋蓋中心洞口尺寸為201.4m×149.2m，看臺(tái)罩棚的懸挑長(zhǎng)度以西向最長(zhǎng)，可達(dá)47.8m，東向?yàn)?6.0m，南北向?yàn)?0.8m，屋蓋最高處47m，鋼結(jié)構(gòu)總用鋼量約7000t。

該項(xiàng)目屋蓋為大開口車輻式索承網(wǎng)格鋼結(jié)構(gòu)，上弦為徑向和環(huán)向的箱形梁構(gòu)成的單層網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，整個(gè)單層網(wǎng)格與外圈環(huán)梁采用鉸接連接。下弦為索桿體系，其中徑向索共38 榀，分為20 榀直徑D140mm 和18 榀直徑D122mm 兩種規(guī)格；大開口的內(nèi)側(cè)設(shè)置6D125mm的環(huán)向索，僅設(shè)置一圈；屋面水平穩(wěn)定索D30mm，共計(jì)192 根。撐桿截面主要為 P219×12mm～P500×16mm；網(wǎng)格鋼結(jié)構(gòu)的外環(huán)梁截面為P900×40mm，內(nèi)環(huán)梁截面為焊接箱形B750×550×24mm，徑向主梁截面為焊接箱形B750×500×16mm，環(huán)向梁截面為焊接箱形 B750×350×16mm～B750×450×16mm。屋蓋用鋼量約 3200t。

2 工藝原理

2.1 索承網(wǎng)格鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)造和傳力原理

大開口車輻式索承網(wǎng)格鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)造（圖2），主要包括上弦單層鋼網(wǎng)格由徑向主梁、外環(huán)梁、內(nèi)環(huán)梁和中間環(huán)梁構(gòu)成，下弦由徑向索、環(huán)向索、撐桿和斜向V 型撐桿組成的車輻式索桿體系；沿環(huán)向索設(shè)置豎向撐桿、斜向V 形撐桿，連接環(huán)向索和上弦單層網(wǎng)格，形成內(nèi)環(huán)帶桁架；整個(gè)鋼屋蓋僅在外環(huán)梁處受到V 型桁架柱的豎向支撐，從而形成空間懸挑結(jié)構(gòu)；在V 型桁架柱之間由環(huán)桁架連接以保持整體穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)安全。

其傳力原理：上弦為剛性單層網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，因中部有巨大開口，結(jié)構(gòu)的豎向剛度和承載能力受到削弱；通過張拉下弦徑向索可使得環(huán)向索繃緊形成剛性環(huán)，兩種鋼索彈性支撐與其連接的撐桿，從而對(duì)撐桿上部的鋼網(wǎng)格產(chǎn)生彈性支撐力，剛?cè)峤Y(jié)合，增加了鋼網(wǎng)格平面外的空間承載能力[3]，上弦鋼網(wǎng)格可在面內(nèi)形成寬度可達(dá)40m 左右的壓力環(huán)，承擔(dān)徑向索作用在外環(huán)梁處的水平張拉力，從而構(gòu)建了空間自平衡系統(tǒng)。由于徑向索和環(huán)向索采用了高強(qiáng)材料，導(dǎo)致構(gòu)件截面尺寸大幅度減小，為實(shí)現(xiàn)大跨度鋼屋蓋建筑簡(jiǎn)潔且結(jié)構(gòu)輕盈的目標(biāo)奠定良好的基礎(chǔ)[4]。

2.2 施工過程中設(shè)置反向斜拉裝置的作用原理

反向斜拉裝置（圖3）主要由反向斜拉索、臨時(shí)立桿和斜拉桿三部分組成。通過張拉反向斜拉索使得該裝置增強(qiáng)網(wǎng)格鋼結(jié)構(gòu)的平面外剛度。并且反向斜拉裝置與網(wǎng)格鋼結(jié)構(gòu)的徑向梁構(gòu)成“張弦梁”結(jié)構(gòu)，由其承受徑向索、環(huán)向索和索夾等構(gòu)件自重和施工荷載作用，將此類荷載傳遞到反向斜拉裝置的臨時(shí)立桿所在位置下部的支撐塔架，因此，使得網(wǎng)格鋼結(jié)構(gòu)的內(nèi)環(huán)懸挑部分不會(huì)出現(xiàn)明顯的下垂變形情況。

2.3 索承網(wǎng)格鋼結(jié)構(gòu)分級(jí)張拉施工原理

本工法將所有徑向索同步張拉，分成4 級(jí)：預(yù)緊30%（第 1 級(jí)）→50%（第 2 級(jí)）→90%（第 3 級(jí)）→100%（第4 級(jí)），主動(dòng)張拉點(diǎn)設(shè)置在徑向索和環(huán)梁的連接端，同步控制所有徑向索張拉千斤頂，實(shí)施同步張拉操作，至相應(yīng)的索力級(jí)，逐級(jí)循環(huán)張拉至100%，并超張拉5%，達(dá)到設(shè)計(jì)值的105%，預(yù)應(yīng)力張拉施工完成。

3 施工方案及工藝流程

3.1 施工方案

根據(jù)索承網(wǎng)格鋼結(jié)構(gòu)工程項(xiàng)目的特征，分析研究，進(jìn)行網(wǎng)格鋼結(jié)構(gòu)和索桿體系的安裝部署，編制大開口車輻式索承網(wǎng)格鋼結(jié)構(gòu)專項(xiàng)施工方案，并進(jìn)行體育場(chǎng)工程索承網(wǎng)格鋼結(jié)構(gòu)施工方案布置（圖4），充分利用現(xiàn)場(chǎng)的7 臺(tái)塔吊，并考慮配合使用履帶式起重機(jī)，沿體育場(chǎng)混凝土環(huán)形結(jié)構(gòu)外側(cè)和內(nèi)側(cè)布置構(gòu)件堆場(chǎng)和拼裝場(chǎng)地。明確施工順序、索夾鎖緊方案、臨時(shí)反向斜拉裝置設(shè)計(jì)、索桿體系張拉指揮組織機(jī)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力張拉控制測(cè)量與過程監(jiān)測(cè)方案、應(yīng)急預(yù)案、安全方案等。

為了保證索承網(wǎng)格鋼結(jié)構(gòu)施工的結(jié)構(gòu)安全及施工質(zhì)量，在大開口車輻式索承網(wǎng)格鋼結(jié)構(gòu)專項(xiàng)施工方案實(shí)施前，須通過相關(guān)專家的方案評(píng)審論證[5]，嚴(yán)格履行審核、審批程序，根據(jù)專家組評(píng)審意見進(jìn)一步進(jìn)行修改完善，并取得工程設(shè)計(jì)師的認(rèn)可。

在施工方案中，需應(yīng)用midas GEN、ANSYS 等有限元分析軟件進(jìn)行施工仿真驗(yàn)算，一方面驗(yàn)算施工過程中的索桿體系的索力和變形是否與設(shè)計(jì)值吻合；另一方面作為索力和變形值“雙控”的依據(jù)。從而，達(dá)到精確控制索承網(wǎng)格鋼結(jié)構(gòu)的“位形”和應(yīng)力水平。并且應(yīng)用有限元分析軟件進(jìn)行建模，計(jì)算體育場(chǎng)屋面鋼結(jié)構(gòu)在溫度作用的變形，在鋼結(jié)構(gòu)安裝和索張拉脫胎架的過程中將溫度變形值進(jìn)行消化，從而保證施工實(shí)施后的效果達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期的建筑效果。

3.2 施工工藝流程

3.2.1 總工藝流程

總工藝流程如下：施工準(zhǔn)備→專項(xiàng)施工方案編制及專家論證→鋼構(gòu)件加工制作→預(yù)應(yīng)力鋼索制作→構(gòu)件成品檢驗(yàn)→網(wǎng)格鋼結(jié)構(gòu)吊裝→上部反向斜拉結(jié)構(gòu)安裝→索桿體系安裝→安裝斜撐桿→安裝屋面穩(wěn)定索→拆除反向斜拉結(jié)構(gòu)→拆除支撐胎架。

3.2.2 關(guān)鍵工序的詳細(xì)工藝流程

（1）網(wǎng)格鋼結(jié)構(gòu)吊裝流程：測(cè)量放線→搭設(shè)支撐胎架→V 形桁架柱吊裝→環(huán)桁架吊裝，形成穩(wěn)定的外環(huán)支撐條件→網(wǎng)格鋼結(jié)構(gòu)的徑向主梁吊裝→相鄰的徑向主梁吊裝→外環(huán)梁吊裝→網(wǎng)格鋼結(jié)構(gòu)的次梁及內(nèi)環(huán)梁吊裝→形成穩(wěn)定單元，依次繼續(xù)吊裝→完成網(wǎng)格鋼結(jié)構(gòu)吊裝。

（2）索桿體系安裝流程：徑向索操作平臺(tái)搭設(shè)→安放環(huán)索索夾支撐平臺(tái)→鋪放環(huán)索下層索→安放環(huán)索索夾本體→鋪放環(huán)索上層索→安裝環(huán)索索夾上蓋板→鋪放徑向索→拆除外側(cè)部分影響徑向索安裝的胎架→提升環(huán)索、牽引徑向索→同步分級(jí)張拉徑向索至設(shè)計(jì)值（30%→50%→70%→100%）。

4 施工健康監(jiān)測(cè)

由于本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)新穎，跨度比較大，施工難度大，尤其在拉索張拉成形階段，難度更大。為了確保鋼屋蓋結(jié)構(gòu)工程施工安全性，并研究施工過程中此類剛?cè)嵯酀?jì)的大跨度鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力、變形和位移等參數(shù)的變化規(guī)律，需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)施工監(jiān)測(cè)[6]。據(jù)此，聘請(qǐng)第三方健康監(jiān)測(cè)，編制并實(shí)施《泰州體育公園監(jiān)測(cè)施工方案》，其中體育場(chǎng)共計(jì)設(shè)置352 個(gè)測(cè)點(diǎn)，施工階段監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要包含3 個(gè)方面。

（1）使用磁通量傳感器對(duì)施工階段關(guān)鍵預(yù)應(yīng)力索進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如圖5 所示，在8 根徑向索上，每根布置2個(gè)EM 傳感器，小計(jì)16 個(gè)測(cè)點(diǎn)；在環(huán)向索上，12 根軸線位置，每處布置6 個(gè)EM 傳感器，小計(jì)72 個(gè)測(cè)點(diǎn)。共計(jì)設(shè)置測(cè)點(diǎn)為88 個(gè)，并且可同時(shí)監(jiān)測(cè)溫度。

（2）使用振弦式應(yīng)變傳感器（內(nèi)置溫度傳感器）對(duì)施工階段關(guān)鍵構(gòu)件的應(yīng)力和溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，包括撐桿與徑向剛性桿、網(wǎng)格結(jié)構(gòu)環(huán)向構(gòu)件、V 形桁架柱，測(cè)點(diǎn)共計(jì)為216 個(gè)。

（3）使用全站儀對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，測(cè)點(diǎn)主要布置在徑向索連接的撐桿兩端，測(cè)點(diǎn)為48 個(gè)。

監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：索力監(jiān)測(cè)點(diǎn)正常、構(gòu)件應(yīng)力應(yīng)變測(cè)點(diǎn)正常、位移測(cè)點(diǎn)正常。其中，張拉徑向索至設(shè)計(jì)索力100%時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)健康監(jiān)測(cè)情況如表1 所示。

表1 第四級(jí)（100%）張拉完成時(shí)健康監(jiān)測(cè)情況

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)泰州市體育公園體育場(chǎng)項(xiàng)目的工程特點(diǎn)，研究開發(fā)了大開口車輻式索承網(wǎng)格鋼結(jié)構(gòu)的施工技術(shù)，并且在施工全過程進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)施工健康監(jiān)測(cè)。實(shí)踐證明，該項(xiàng)施工技術(shù)安全可靠，高質(zhì)量完成了鋼屋蓋結(jié)構(gòu)吊裝和鋼索張拉等關(guān)鍵施工工序，可供類似工程項(xiàng)目借鑒和參考。