援柬埔寨國家體育場屋蓋斜拉索桁結構施工技術

高晉棟，張維廉，司 波，張 速，祖義貞，馬 健，王群清，郭亮亮，堯金金，盧立飛，張志平

(1.北京市建筑工程研究院有限責任公司，北京 100039； 2.中國中元國際工程有限公司，北京 100089； 3.中國建筑第八工程局有限公司，上海 200122)

0 引言

將橋梁工程中斜拉橋與懸索橋的概念引入建筑結構中，衍生出斜拉結構等多種形式。斜拉結構一般由塔桅、拉索及懸掛體組成，類似斜拉橋。斜拉結構的受力特點是斜拉索為懸掛體結構提供一系列彈性支承，可減小懸掛體結構的內力與變形峰值，使其分布均勻，從而增大屋蓋結構凈跨度等。因此，斜拉結構常應用于飛機庫、體育場館屋蓋、會展中心等[1]。

斜拉結構中懸掛體可采用網(wǎng)架、鋼桁架等剛性屋蓋結構，也可采用索桁架、索網(wǎng)等柔性索結構，斜拉索通過塔桅將柔性索網(wǎng)拽起形成一個張力懸吊結構[2]。1990年亞運會主體育館——北郊體育中心體育館，是我國早期的大跨度斜拉結構建筑，屋蓋結構采用斜拉雙坡形曲面網(wǎng)殼[3]。1992年浙江黃龍體育中心是我國最早應用斜拉結構的大型體育場項目，外環(huán)直徑達244m，網(wǎng)殼懸挑長度為50m[4]。廣州大學城中心體育場采用斜拉鋼網(wǎng)格結構，針對桅桿下端鉸接的特點, 研究張拉時機對設計的影響[5]。鄭州國際會展中心采用斜拉索拱結構，針對斜拉索張拉時機對整體結構的影響，探討了“先升后張”和“先張后升”兩種施工方案，確定分段安裝、局部提升施工方法[6]。

援柬埔寨國家體育場采用新型斜拉索桁結構屋蓋體系，為國內外首例。關于將全柔性魚腹式索桁架與斜拉索相結合、邊界條件采用現(xiàn)澆混凝土結構體系的研究較少，該結構傳力復雜、施工經(jīng)驗不足、施工控制難度大，從節(jié)點深化設計、施工方案制訂到現(xiàn)場實施，都具有較高的技術難度和管理挑戰(zhàn)。本文主要介紹援柬埔寨國家體育場斜拉索桁屋蓋結構技術特點及其張拉方案，并對施工過程進行監(jiān)測，以有效控制施工過程。

1 工程概況

援柬埔寨國家體育場位于柬埔寨首都金邊市東郊規(guī)劃的體育中心內，項目建設用 地面積162 200m2， 總建筑面積約82 400m2，設計觀眾席60 000 座，是目前我國對外投資額最高、規(guī)模最大的體育場項目。建筑效果如圖1所示。

圖1 體育場建筑效果

體育場主體結構采用現(xiàn)澆混凝土結構，環(huán)梁中部高、兩端低，梁頂標高為26.000～39.900m，人字形索塔向場外傾斜，頂標高為99.000m。屋蓋采用新型斜拉索桁結構體系，南北跨度為278m，東西跨度為270m，最大懸挑跨度為65m。屋蓋內側支撐于獨立的環(huán)梁、斜柱結構上，并由南、北兩端人字形索塔通過斜拉索吊起，與斜拉索相對應的索塔外側從索塔頂部向地面設后背索。

2 屋蓋結構體系

體育場屋蓋徑向構件波峰處采用36道魚腹式索桁架，波谷處采用34道谷索。谷索在靠近環(huán)索處分叉為Y形，分別與相鄰的魚腹式索桁架、環(huán)索節(jié)點連接。斜拉索、魚腹式索桁架、環(huán)索和谷索構成屋蓋結構的主受力體系。沿環(huán)向方向，索桁架間布設3道上下交叉穩(wěn)定索和水平穩(wěn)定索，增強結構整體穩(wěn)定性。單榀結構如圖2所示。

圖2 單榀結構

2.1 關鍵節(jié)點深化設計

拉索節(jié)點主要分為環(huán)索節(jié)點、徑向索節(jié)點及谷索節(jié)點。為保證節(jié)點質量安全，對各節(jié)點進行有限元分析，通過節(jié)點變形和應力，判斷節(jié)點強度是否滿足要求。

環(huán)索節(jié)點用于連接環(huán)索、徑向索和斜拉索，與常規(guī)索夾不同，因斜拉索的存在，導致環(huán)索節(jié)點處不平衡力過大，最大達3 000kN，常規(guī)索夾夾持索體的連接方法無法滿足受力要求。因此，采用分段螺桿式連接節(jié)點，承受環(huán)索節(jié)點處的不平衡力。

分段螺桿式連接節(jié)點位置需能承受拉索破斷荷載，同時滿足節(jié)點有足夠的安裝操作空間；對調節(jié)絲桿和調節(jié)套筒的加工要求非常高；拉索在該處屬于硬連接，調節(jié)絲桿連接無法像拉索索體一樣實現(xiàn)小角度偏轉，因此，在設計時應滿足結構線形，防止調節(jié)絲桿受彎。環(huán)索節(jié)點如圖3所示。

圖3 環(huán)索節(jié)點示意

采用CAD建立實體模型，通過有限元軟件對環(huán)索節(jié)點夾進行力學分析，根據(jù)拉索破斷荷載，節(jié)點荷載取其0.6倍。環(huán)索節(jié)點計算模型如圖4所示，環(huán)索節(jié)點變形及應力云圖如圖5所示。由圖5可知，節(jié)點絕大部分區(qū)域處于彈性范圍，安全可靠。

圖4 環(huán)索節(jié)點計算模型

圖5 環(huán)索節(jié)點變形及應力云圖

2.2 施工張拉方案

本工程為斜拉結構與柔性索桁結構相結合的雜交體系，結構構造復雜，包含近10種類型拉索；現(xiàn)澆混凝土的邊界條件對張拉過程中主體結構變形、應力控制十分嚴格，其中，保證99m高的人字塔變形滿足設計要求更是重中之重。因此，須制定適合結構特點、安全可靠、優(yōu)化合理的施工張拉方案。

2.2.1施工方案的選定原則

張拉方案選定應遵循以下原則：①避免高空作業(yè)，安裝、施工盡量靠近地面；②力求在主動受力索數(shù)量少、張拉力低的情況下，結構達到成型態(tài)；③成品保護 保證拉索、主體結構不受破壞；④節(jié)約高效 結合施工工藝和流程，最大限度地做到交叉作業(yè)，確保施工質量、進度和安全。

2.2.2施工方案比選

低空胎架是環(huán)索、徑向索的鋪放平臺，采用腳手架進行搭設。結合現(xiàn)場施工條件和結構特點，擬選定2種胎架搭設形式。

1)方案1(見圖6) 上徑向索在自然狀態(tài)下，鋪放在看臺板上，環(huán)索節(jié)點通過CAD放樣找出鋪放位置，架體量減少；但在環(huán)索節(jié)點脫離胎架時，徑向索為折線形式，折點處徑向索豎向分力對預制看臺板產(chǎn)生過大壓力致其破壞，索體也會有炸絲、斷絲的風險。

圖6 低空胎架搭設方案1

2)方案2(見圖7) 以上徑向索長度為半徑畫弧，與環(huán)梁和高看臺邊緣兩點的延長線相交，交點為環(huán)索節(jié)點鋪放位置。架體量增大，但可避免對預制看臺板的破壞，最大限度地保護主體結構安全；同時，能有效將索力最大的環(huán)索轉化為被動受力索。

圖7 低空胎架搭設方案2

綜上，選擇方案2進行低空胎架搭設，施工流程如圖8所示。

圖8 低空胎架搭設施工流程

3 關鍵施工技術

1)胎架組裝索網(wǎng)

本項目拉索、索夾節(jié)點及其構件構造復雜，數(shù)量種類繁多，對安裝質量要求極高。保證流水施工的同時，需確保各構件安裝位置準確；考慮拉索下料及主體結構邊界條件誤差，調整各拉索絲桿長度；嚴控徑向索索夾、谷索索夾安裝方向和螺栓扭矩值；保證拉索和索夾節(jié)點表面觀感。

2)高空裝索

斜拉索的安裝方法分為2種：①先連接柔性索網(wǎng)與斜拉索下端索頭，再高空安裝張拉工裝，張拉斜拉索上端索頭就位(張拉端為剛性邊界條件)；②先連接吊塔與斜拉索上端索頭，再低空安裝張拉工裝，張拉斜拉索下端索頭就位(張拉端為柔性邊界條件)。低空安裝張拉工裝，可避免高空作業(yè)危險性，有利于提高施工控制。后背索采用同樣的施工方法。

根據(jù)上述斜拉索施工原則，吊塔塔頂搭設鋼架平臺，主要作用是設置卷揚機鋼絲繩吊點和倒鏈反力點。設置提升動滑輪組吊裝裝置，提升斜拉索一端錨具至耳板處，通過輔助耳板和倒鏈安裝斜拉索銷軸。

3)環(huán)索節(jié)點脫離胎架

環(huán)索節(jié)點最重9.8t，加上下徑向索錨具和環(huán)索錨具，最重14.5t。脫離分東、西區(qū)先后進行，采用2臺履帶式起重機，每次抬起2個環(huán)索節(jié)點，將南、北對稱的環(huán)索節(jié)點從中間向兩邊逐步抬起。在斜拉索提升過程中環(huán)索節(jié)點依次脫離胎架，最大限度地減少了對胎架的擾動，此時，脫離后的環(huán)索節(jié)點和與之相連的上徑向索、環(huán)索、斜拉索形成穩(wěn)定的結構體系。

4)斜拉索同步提升

36根斜拉索分6級提升，提升力應緩慢分級增加，分級標準為各列撐桿下節(jié)點安裝時機。每提升一級，安裝環(huán)向每列撐桿下節(jié)點，下交叉穩(wěn)定索與谷索相連，水平穩(wěn)定索與下徑向索相連；斜拉索就位時，為平衡吊塔塔頂變形，南北同步張拉后背索，索頭孔心距支座錨固端耳板孔心0.25m。

5)下徑向索同步張拉

斜拉索就位后，對36根下徑向索進行同步等比例分級張拉；下徑向索索頭孔心距環(huán)梁耳板孔心1.11m；張拉下徑向索過程中同步張拉后背索，在吊塔變形的限值內，使后背索就位時張拉力較小。下徑向索張拉期間，吊塔變形敏感性高，施工過程中變形較大易引起混凝土開裂，因此，張拉應連續(xù)緩慢進行。

4 施工過程監(jiān)測

本項目最大特點為混凝土結構與全柔性索網(wǎng)結構相結合，索結構施工張拉對結構整體位形和內力分布影響較大，為確保結構質量安全，對拉索索力、主體結構位形和應力進行全過程監(jiān)測。

4.1 索力監(jiān)測

索力監(jiān)測主要針對主動索索力，包括36根斜拉索、36根下徑向索、34根谷索和16根后背索。提升過程中，索力監(jiān)測通過油壓表來實現(xiàn)。索網(wǎng)成型后，采用JMM-268型索力動測儀進行索力測量。

4.2 結構變形監(jiān)測

主要監(jiān)測環(huán)梁、吊塔、環(huán)索索夾和后背索基礎位移，采用全站儀進行測量。

1)環(huán)梁位移測點布設圖9所示。與通常的索結構環(huán)梁為受壓環(huán)不同，根據(jù)模擬計算，索網(wǎng)施工過程中，由于結構的抱箍效應，環(huán)梁中部向場地內(x方向)最大變形為138mm，環(huán)梁與吊塔連接部位向場地外(y方向)最大變形為49mm。

圖9 環(huán)梁測點布設

2)吊塔同時承受斜拉索和后背索的拉力，在索網(wǎng)施工過程中，尤其對塔頂位移影響顯著。本項目共2個吊塔，每個吊塔沿高度從下至上布設6個測點，吊塔測點布設如圖10所示。

圖10 吊塔測點布設

3)為控制后背索錨固基礎在后背索作用下的變形，在基礎4個角點和中點2個位置，共布設6個測點，如圖11所示。

圖11 后背索基礎變形測點布設

4)通過環(huán)索位形控制索網(wǎng)成型位形，在環(huán)索節(jié)點中心布設反光片，環(huán)索位形測點布設如圖12所示。

圖12 環(huán)索位形測點布設

4.3 結構應力監(jiān)測

本項目主要包含吊塔、環(huán)梁和環(huán)柱的應力監(jiān)測，采用BGK-4000弧焊型振弦式應變計進行結構的應力測量。

施工過程中對吊塔、環(huán)柱受力敏感部位進行應力監(jiān)測，測點布置如圖13所示。

圖13 應力測點布設

4.4 監(jiān)測結果

實際監(jiān)測結果與模擬理論值誤差總體不超過10%，表明結構施工在控制范圍內，滿足設計要求。

5 結語

援柬埔寨國家體育場采用新型斜拉索桁結構屋蓋體系，將全柔性魚腹式索桁架與斜拉索相結合，邊界條件采用現(xiàn)澆混凝土結構體系，結構傳力復雜，施工經(jīng)驗不足，整體施工控制難度大，需制定合理可行的施工方案。

1)將索網(wǎng)張拉施工分為斜拉索、后背索提升安裝和索桁架拼裝張拉；采用索桁架低空胎架拼裝、斜拉索整體提升、下徑向索分步張拉、后背索分步張拉平衡吊塔頂部水平位移的施工方法。

2)環(huán)索節(jié)點采用分段螺桿式，能夠有效承受環(huán)索節(jié)點處的不平衡力。深化設計時，應考慮結構線形，防止調節(jié)絲桿受彎。

3)環(huán)索節(jié)點脫離胎架，應減少對胎架的擾動。必要時可加固胎架，增加胎架的整體性和抗側剛度。

4)研究索網(wǎng)施工全過程監(jiān)測主體結構受力和變形，成型態(tài)時環(huán)梁受抱箍效應影響，中部向場地內變形，內表面受拉，根部向場地外變形，外表面受拉；吊塔塔頂位移較敏感，張拉過程需緩慢同步進行。