大型體育場月牙形索桁架預應力拉索施工監測

黃嘯蔚 曾 煒 曹凌堅

1. 浙江省建筑科學設計研究院有限公司 杭州 310012；2. 浙江工程建設監理公司 杭州 310012

1 工程概況

樂清市體育中心體育場采用新型的空間索桁結構體系，由鋼斜柱和鋼管混凝土環梁組成錐面網格結構，屋面則采用月牙形非封閉空間索桁體系，上覆PTFE膜材，如圖1所示。該結構體系主要受力構件為上弦索、下弦索和環索構成的三角或交叉索桁架，膜面次結構在主要受力構件上方，包括膜面二鉸拱和環向構造索。屋面主結構由斜柱、上環梁、下環梁、上弦索、下弦索、吊索、環索及壓桿構成，是典型的雙層懸索結構。

圖1 體育場索桁體系結構效果圖

本文介紹了體育場索桁結構工程的施工方案，即低空無應力組裝、空中牽引提升、高空分級同步張拉3 個步驟。并通過無線傳感測試技術，對關鍵施工過程中的代表索的預應力變化進行了跟蹤監測。再通過測試數據與理論計算結果的比較，對拉索的實際施工張拉情況進行了分析，保證了工程的順利進行。

2 索桁結構施工方案[1-8]

2.1 結構布置

體育場結構南北長約229 m，東西寬約221 m，共由38 榀徑向索桁架組成，上環梁最大標高42 m，罩棚最大懸挑為52.6 m。因上、下徑向索長度很短，靠近角柱的3 榀索桁架采用鋼拉桿。整個結構的軸線布置與各類構件截面規格如圖2所示。

圖2 體育場鋼結構軸線平面布置

2.2 施工步驟

索桁架總體施工分為3 個步驟：低空無應力組裝、空中牽引提升、高空分級同步張拉。

2.2.1 低空無應力組裝

大部分環索在看臺內側地面或支架上組裝，兩端環索（從30～39軸、67～58軸）在看臺上搭設的腳手支架（高1～6 m）上組裝。環索安裝完畢后，安裝上、下環索之間的壓桿；連接外環梁和環索之間的上徑向索則由上徑向工裝索牽引至低空，然后組裝吊索、下徑向索和壓桿。

2.2.2 牽引提升

索桿系提升采用分級加載試提升。索桿系受上徑向工裝索整體牽引提升至高空，此時將上、下徑向索分別與外環梁連接，從而完成索桿系的安裝。安裝期間，為維持結構幾何的穩定，在2～10軸和87～95軸之間安裝穩定工裝索。

為確保牽引提升過程的安全，我們采用試提升的方法，同時觀測索桿系、外圍結構以及牽引提升設備系統和工裝索的情況，以確認提升施工方法是否符合模擬工況計算和設計條件。試牽引提升時，各牽引點提升器施加壓力緩慢分四級增加，分別為所需壓力的40%， 60%，80%，90%。

觀測情況穩定時，最后可加至所需壓力的100%，此時索桿系離開環索組裝胎架。但在環索即將離開組裝胎架時，應密切觀察各點脫架情況，必要時做“單點動”或微動牽引提升，以確保環索脫架平穩，各點同步。環索脫離組裝胎架約200 mm后暫停提升，停留4 h并作全面檢查，檢查內容包括各設備運行情況、加載前后工裝索和索桿系的變形情況、每一牽引點的千斤頂受載是否均勻、以及周邊結構的穩定性。

經全面檢查，情況正常后，進行正式牽引提升。首先利用液壓牽引工裝索將整個索桿系逐步牽引提升，直至上弦索與上環梁連接就位。當上弦索的索頭提升靠近上環梁時暫停，各牽引點通過調節裝置進行微調，使上環梁與上弦索的索頭連接就位。在上弦索與上環梁連接時，索桿系通過液壓牽引提升裝置的機械液壓自鎖裝置，使索桿系在空中（或提升過程中）的任意位置可靠鎖定并停留；并通過倒鏈或者攬風繩將索桿系與周邊結構或者看臺可靠連接，以限制索桿系發生位移。

在上弦索與上環梁連接就位后，將牽引提升設備卸載和拆除，使牽引工裝索不再受力。牽引下弦索與下環梁連接，吊裝34～39軸、58～63軸線（共6軸線）的上弦索和下弦索與外環梁連接，并使上弦索與下環梁連接就位。

2.2.3 索桿系的張拉

索桁架沿徑向輻射，因下徑向索的索力相對小，為減小施工張拉力，我們選擇將下徑向索作為主動張拉索。索桿系的張拉采用分級同步張拉下徑向索，即僅主動張拉下徑向索，而上徑向索、環索、吊索和壓桿等均為被動張拉。

拉索張拉控制項目及其目標為：索力控制，即控制下徑向索的張拉力；位形控制，即控制環索節點的標高。拉索張拉控制則采用雙控原則，即張拉力和位形的雙控，其中以張拉點的索力控制為主。

3 索力監測

3.1 測點布置

由于整個結構體量大，關鍵受力位置較多，只能對部分的結構關鍵構件進行抽樣布點，即對體育場索桁結構上下徑向拉索、環索、鋼環梁，鋼柱等受力較大的部位實施應力與溫度監測，如圖3所示。

圖3 測點布置示意

傳感器與構件表面的安裝是通過專門的傳感器安裝支座進行連接，傳感器安裝支座根據構件表面（圓弧或平面）進行精加工處理，通過點焊或膠粘的方式安裝固定于待測表面。傳感器通過固定螺絲安裝于支座上，擰緊后與結構協同變形。徑向索應力傳感器支座安裝于索的可調節端的索頭位置，分別位于左右耳板位置，每個測點各安裝1 個傳感器。

3.2 監測數據

從試張拉到張拉完成的一個多月時間內，本體育場基本完成了索桁架的張拉成形過程施工，并按照監測方案對結構各測點的內力和溫度進行了實時監測。一個多月的施工進度可簡要分為3 個階段：

第一階段：約10 d時間。主要完成拉索的地面安裝工作，并將其初步提升就位，此時，結構開始初步受力。

第二階段：約5 d時間。主要完成拉索預應力張拉工作，將拉索張拉至設計應力參考值。

第三階段：約15 d時間。張拉完成后，膜結構安裝之前，結構處于相對受力平穩狀態。

為了較好的反映監測結果，充分展示被測部位應力的月度變化規律與每日變化規律，現將一個月內各測點的實測值進行歸納分析。對于每一個測點，分別選取溫差變化較大的中午12時與溫差變化較小的午夜0時進行月度內力變化規律總結。

在統計時，選取4 根索的測點數據進行標定，根據油壓千斤頂讀數與監測點的采集數據，作為依據來進行實測內力變化規律總結。

以8軸為例，繪制上、下徑向索的內力溫度變化曲線，如圖4、圖5所示。可以看出，索力在張拉過程中，隨外界環境溫度變化影響不大。

根據設計參數利用ANSYS軟件模擬施工過程，將牽引提升和張拉2 個步驟隨施工進程各分成6 個工況，并得出相應的端部索力設計值。

由此提取4、93、8、89軸監測數據，繪制上、下徑向索施工過程中監測索力與設計索力對比，如圖6、圖7所示。

圖4 8軸上徑向索測點內力及溫度隨時間變化

圖5 8軸下徑向索測點內力及溫度隨時間變化

4 結語

樂清市體育中心體育場采用新型的空間索桁結構體系，結構形式與跨度均屬于行業領先。體育場施工采用低空組裝和空中牽引提升的方法將索桿系安裝至高空后進行分步張拉。結構施工監測過程包含了預應力張拉全過程以及前后各一段非張拉期。根據施工監測結果，可以得出以下結論：

圖6 4、93軸上弦索端部索力設計值與監測值對比

圖7 8、89軸下弦索端部索力設計值與監測值對比

（a）根據上下徑向索一個月內索力變化跟蹤，表明被監測的8 根代表性拉索都已基本張拉到位，除4軸上徑向索測點有損壞外，其他實測預應力值與設計值相差基本在10%左右。

（b）在非張拉期間，各拉索測點內力變化較平穩，沒有測點內力發生突增或突減現象，其變化值隨溫度變化雖有一定影響，但影響較小。

（c）從總體上來看，根據各測點的月度變化規律曲線，樂清體育中心拉索等關鍵構件的測點應力變化均屬正常，被測結構處于良性受力狀態。

本文所述的監測方法可供相關工程借鑒。