武汉体育馆索承网壳钢屋盖顶升安装及预应力拉索施工_郭正兴.pdf

武汉体育馆索承网壳钢屋盖顶升安装及预应力拉索施工郭正兴1,石开荣1,罗 斌1,田启良2,吴聚龙2,毕水勇2(11 东南大学,江苏 南京 210096;21 南京中建钢构有限公司,江苏 南京 210096)摘要武汉体育馆钢屋盖为一大跨索承网壳(弦支穹顶)结构体系,结合该结构特点,详细介绍了钢屋盖的顶升安装、预应力拉索安装及张拉的施工工艺。关键词钢结构;网壳;弦支穹顶;拉索;施工;预应力中图分类号 TU758115文献标识码 A文章编号 100228498(2006)1220051203Lifting Installation and Prestressed Cable Construction ofCable-suspended Reticulated Shell of Steel Roof in Wuhan GymnasiumGUO Zheng-xing1,SHI Kai-rong1,LUO Bin1,TIAN Qi-liang2,WU Ju-long2,BI Shui-yong2(11Southeast University,Nanjing,Jiangsu210096,China;2.Nanjing Zhongjian Steel Structure Co.,Ltd.,Nanjing,Jiangsu210096,China)Abstract:The steel roof of Wuhan Gymnasium is a kind of structure system of large2span cable2suspendedsuspended2domereticulated shell.With the structure characteristics of the shell,authors introduce liftinginstallation construction,prestressed cable installation and tension construction.Key words:steel structure;reticulated shell;suspended dome;cable;construction;prestress收稿日期 2006209228作者简介郭正兴(1956),男,江苏启东人,东南大学土木工程学院教授,博士生导师,南京市四牌楼2号 210096,电话:[phone]图1 武汉体育中心二期工程 体育馆 武汉体育中心二期工程 体育馆为2007年第六届全国城市运动会主要赛场之一。其下部主体为钢筋混凝土结构,上部屋盖采用钢结构。建成后将容纳112113万名观众观看比赛,为湖北地区规模最大的现代体育馆。上部钢屋盖为一新型索承网壳(亦称弦支穹顶)结构(见图1),是传统空间网壳与索穹顶的混合体,即:屋盖上部采用双层网壳结构,其外形为椭圆抛物面,水平投影为一椭圆,长轴方向总长165m,短轴方向总长145m,投影面积约18 800m2。网壳上弦曲面由下弦曲面向上平移3m形成,网格由三向交叉桁架单元组成,采用焊接球节点连接。屋盖下部采用整体张拉索杆体系,共设三环拉索,每环均设双根环向索,环向索、径向索和网壳之间通过撑杆(299mm715mm)相连。三者之间为一有机整体,对拉索施加预应力后,将大大减小屋盖结构对支座的水平推力,网壳的竖向变形及杆件内力也得到降低,从而改善了结构的整体受力性能。1 钢屋盖顶升安装该结构为焊接球节点的双层网壳,网壳的安装与3道环索和径向索的安装有矛盾,经反复讨论,避免在密排的网架安装胎架中给安装大规格索带来不利,结合该结构的特点及施工现场实际条件,体育馆场内采用顶升法安装,边顶升边扩大椭圆形安装单元,并配合安装内环索、中环索及相应的径向索;场外周边采用满堂架支撑直接拼装。钢屋盖的总体安装顺序如下:钢网壳分区块安装(中部区域采用顶升和悬拼安装),拉索和撑杆的安装穿插其中 网壳合拢 拆除屋盖外围钢管支架 拉索张拉 拆除屋盖中心区域顶升支架。其中,中部区域顶升经优化后采取8点顶升(见图2)。2 预应力拉索施工211 拉索施工特点拉索施工主要包括拉索的安装和张拉两大部分。本工程拉索体量大、分布面广、单根长度较长(最长达2006年12月第35卷 第12期施 工 技 术CONSTRUCTION TECHNOLOGY51图2 钢屋盖总体安装流程166m),且由径向索、环向索及撑杆组成整体张拉索杆结构体系(见图3)。首先,拉索施工需穿插于普通网壳结构的施工中,与普通钢结构的施工顺序、方法和工艺密切相关。其次,弦支穹顶屋盖预应力的建立方法不同于普通预应力钢结构。由于整体张拉索杆结构体系,径向索、环向索及撑杆为一有机整体,索力与撑杆内力相互影响、互为依托。不同的张拉方法、张拉顺序对结构内力分布及变形有较大的影响。为在结构中建立有效的预应力,并尽量缩短工期,应确定合理的张拉力、张拉方法和张拉顺序。图3 已安装并张拉的内环索、中环索和径向索212 预应力拉索材料及规格本工程采用1670级 513镀锌钢丝双护层扭绞型拉索,内层PE为黑色耐老化高密度聚乙烯(HDPE),外层为白色PE。具体规格如表1所示。表1 拉索规格编号规格钢丝束面积mm2钢丝束线重(kgm)标称破断载荷kN内环索2 PES C51321092 40518194 01519中环索2 PES C51321633 59628126 00515外环索2 PES C51321513 33126125 56313内径索PES C51321092 40518194 01519中径索PES C51321092 40518194 01519外径索PES C51321393 06724115 12112 其中,径向索索头为热铸锚,环向索索头为冷铸锚,环向索采用双索体系,由连接棒相连。213 拉索及撑杆安装21311 安装基本原则1)根据网壳安装过程,拉索和撑杆依次从内环向外环安装。2)同一环内,先安装撑杆,再安装环向索,最后安装径向索。21312 安装顺序工厂里拉索及撑杆编号,拉索初始长度确定,环向索索夹定位 拉索索盘运输就位 开盘放索 安装撑杆(预先缩短)和索夹 挂环向索和径向索 调节环向索和径向索的初始长度,并预紧。21313 安装控制要点1)撑杆下料时严格控制精度,安装前按实际位置对每根撑杆编号,撑杆上端耳板下料时同样严格控制精度并编号,焊接时严格控制方向定位及焊接质量。这样既方便安装,也便于保证精度。2)在工厂里对拉索进行严格精确编号和标记,根据这些标记,在现场进行拉索及索夹的安装和索长的调节。这样既便于实际安装,更重要的是保证撑杆下节点索夹的精确定位和拉索初始态索长的确定。3)拉索安装前,需对径向索调节螺杆、环向索连接棒、撑杆螺杆螺母等涂适量黄油润滑,以便于拧动。4)应严格根据两耳板之间的实际距离,控制现场拉索安装,拉索的初始长度严格按计算要求和现场实测节点板销孔间距确定。214 拉索张拉21411 拉索张拉总体原则1)模拟张拉过程,进行施工全过程力学分析,预控在先。2)等网壳主体钢结构和拉索全部安装完成后进行张拉。3)张拉顺序由外到内、每环同步、分区控制、分级加载。即:张拉由外环到内环进行,各环同步分级张拉。4)拉索张拉控制采用双控原则:控制力和结构变形,其中以控制力为主。21412 拉索预应力建立方法选取对于弦支穹顶结构拉索预应力的建立通常有3种基本方法,即:1)环向索张拉法 对环向索施加作用力使其环向伸长。因环向索索力(近3 000kN)相对径向索索力和撑杆轴力大许多,因此,张拉装置的吨位会很大,操作高度较高,临时操作架承受荷载较大,张拉过程中索力难以控制和调整。2)径向索张拉法 指调整好环向索初始索长和撑杆长度后,直接对径向索张拉建立预应力。因本工程径向索索力适中,拉索伸长量也较小,因此对张拉装置要求不高。但是,径向索数量众多,若每环同步张拉,需多套张拉设备,若受张拉设备数量限制,采取拉索对称循环张拉与调整,则工作量很大,工期难以确保,且最终索力不易控制。3)撑杆调节法 通过调节撑杆长度来建立预应力的一种间接施加预应力的方法。结合本工程的特点,52施工技术第35卷撑杆轴力远小于环向索、径向索索力,因此张拉装置吨位要求较低,且每环撑杆数量有限(不多于20根),同一环中相邻撑杆间的轴力差别也不大,易于分区控制,方便各环整体施加预应力,利于结构受力成型,且缩短工期。但该方法要求拉索预先精确定出初始索长,即通过计算机进行虚拟张拉分析,并根据现场钢结构安装误差,确定拉索初始无应力长度,做到预控在先,技术难度较高。图5 撑杆顶撑工装示意图4 撑杆顶撑示意(虚线为初始安装位置)综上对比,本工程弦支穹顶拉索预应力建立采取撑杆调节法,即事先调整好径向索和环向索的初始索长,然后采用调节撑杆(299mm715mm)长度来建立预应力。撑杆顶撑如图4、5所示。21413 拉索张拉顺序及程序基本张拉顺序为:由外到内(外环 中环 内环)。同一环撑杆同步顶撑,且一次到位(预紧 100%顶撑力)。为保证撑杆顶撑的同步性和拉索索力的均匀性,各环同步顶撑时进行分级控制,即:预紧 30%70%90%100%顶撑力。基本张拉顺序如图6所示。图6 基本张拉顺序示意(虚线表示未张拉的拉索)21414 拉索张拉控制分区及张拉设备拉索实际张拉施工采取分区控制顶撑撑杆的方法,这样更利于整体协调,方便施工控制,提高工作效率。分区的原则如下:在分区范围内,撑杆顶撑力的大小基本接近;撑杆点的位置 同一区的各撑杆点位置宜尽量相邻接近,以方便油泵油管的布置。根据以上原则,对各环拉索进行分区同步控制张拉,每台油泵同时控制23台千斤顶。具体分区如图7所示。图7 拉索张拉分区控制张拉设备主要采用100t和60t千斤顶共20台,并装配成张拉工装。千斤顶23台并联,在正式使用前必须在有资质试验单位的试验机上进行配套标定。油泵的油压表选用精密压力表,千斤顶与油压表配套校验。标定数据的有效期在6个月以内。此外,所采用的张拉设备还具有以下特点,能够方便、准确地对撑杆轴力进行实时调整:千斤顶同批制造,千斤顶内本身相对误差不大;在油泵同时对几台千斤顶供油时,采用了具有单台调控压力的分油控制器,可实现对单台千斤顶的调控。21415 拉索张拉施工要点及注意事项1)为避免预应力施工对下部混凝土结构的影响,屋盖结构在拉索张拉前,外围边界支座保持为可滑移状态,待预应力施加完毕后再将外围边界弹性支座固定。2)张拉过程由外到内,同一环撑杆同步分级顶撑,千斤顶顶推撑杆过程中,油压应缓慢、平稳,并且边顶撑边拧紧撑杆调节螺母。3)千斤顶与油压表需配套校验,并作主被动标定。标定数据的有效期在6个月以内。严格按照标定记录,推算与撑杆施工顶撑力一致的油压表读数,并依此读数控制千斤顶实际顶推力大小。油压表采用014级精密压力表。4)撑杆顶撑过程中,按照各环油泵控制分区,撑杆每台千斤顶及油泵均由专人负责,并由一名技术人员统一指挥、协调管理。5)按分区整体顶撑过程中,严格通过油压表读数对撑杆顶撑力进行控制,并结合现场监测结果,对个别轴力误差较大的撑杆实施分油器直接调控单台千斤顶的顶撑力,以确保施工精度。整个施工过程中进行双控,即控制力和变形,其中以控制力为主。6)拉索张拉过程中应停止对张拉结构进行其它项目的施工。7)拉索张拉过程中若发现异常,应立即暂停,查明原因,实时调整。21416 拉索张拉施工控制与检测拉索正式张拉施工前进行了详细的理论计算分析,由分析可知:因屋盖钢网壳采取了中心区域整体顶升渐扩技术,并与周边采取高空散拼拼装区域合拢,最终安装完毕后,屋盖结构实际几何位形与理论设计状态并不一致,而且难以调整至设计状态。因此,拉索张拉前的屋盖初始态应依据考虑实际施工过程的分析结果,对拉索张拉进行施工控制。1)撑杆顶撑力控制 撑杆顶撑力的控制,主要根据各环各分区精密油压表的读数进行主动控制,严格(下转第58页)2006 No.12郭正兴等:武汉体育馆索承网壳钢屋盖顶升安装及预应力拉索施工53重,按设计不能再分节,只能对节点进行分离吊装而形成。由于没有先例可借鉴,焊接的不可预见性太多,极易产生巨大的焊接应力,造成柱体变形和焊缝冷裂纹及母材层状撕裂等质量问题。因此,在模拟现场条件的情况下进行焊接工艺试验,并据此创造性地使用具有抗风挺度的药芯焊丝进行CO2气体保护焊与电加热技术相结合的焊接技术,焊接按照分段退焊、多人同时对称施焊、昼夜连续施焊的方法进行。焊接完48h后用超声波对焊缝进行夹渣、气孔、裂纹等内部缺陷探伤检测,15d后用超声波进行延迟裂纹检测,以确保焊接质量。417 超大悬臂钢结构超高空安装技术图9 悬臂示意悬臂结构体系主要由焊接箱形和H形截面构件组成,通过分别从2座塔楼延伸出的外框结构和3739层间与悬臂外框柱相连的15榀重达200多t的巨型转换桁架共同构成在空中相互作用、相互依存的受力体系,如图9所示。针对CCTV主楼钢结构的超大型悬臂的结构特征,结合悬臂桥梁施工工艺,通过对结构进行合理分区、分段,最大限度利用M1280D塔吊空中移位后的起重性能,对构件进行散件或组合吊装,先以尽可能少的构件和自重逐步阶梯延伸合拢,形成空中“平台”,为悬臂内部结构和上部结构安装创造安全的施工环境。悬臂安装的合拢是本工程最大的技术难题之一,其构件应力和位移控制是实现结构准确、安全合拢和完工质量目标的关键。构件受自重和塔楼变形影响,合拢前和合拢后的受力状况不相同、传力方向发生改变,安装的预调值较大,结构位形、应力与变形的不确定性因素非常多,而且整个悬臂结构在合拢前没有达到正常的受力状态,结构稳定性较差,这些都需要运用结构虚拟仿真计算分析技术,充分考虑风荷载、温度和地震效应等自然环境因素对结构安装的不利影响,对悬臂合拢前后各阶段的施工顺序与构件安装步骤,以及采取的施工措施进行详细的工况分析,制定对结构应力和位移控制有利的施工顺序和临时加固措施。在施工中,运用测量机器人控制技术和GPS定位技术进行测量,同时对塔楼和悬臂进行多点位实时变形观测,确保在短时间内进行对接合拢,达到正常的受力状态。5 结语随着大楼的成功合拢和最终落成,在施工中产生的一系列钢结构施工工艺、技术和预调值反变形控制措施,将是对我国复杂高层重型钢结构施工技术的有力补充,能够为特大型钢结构工程大量运用高强超厚板提供技术支持,进一步推动国产低合金高强度超厚度结构钢在国内建筑钢结构领域内广泛应用;对国内建筑钢结构行业的持续发展,具有积极的创新意义。(上接第53页)按计算所得撑杆实际施工顶撑力大小进行控制。2)拉索索力控制 拉索索力随撑杆顶撑伸长而建立,在撑杆顶撑过程中对拉索索力进行了测试。业主指定的第三方监测单位采用了电阻应变片对拉索索力进行测试,而我方为确保施工质量,对拉索张拉进行自检,采用了较精密的智能弦式数码应变计(带温度修正)进行了索力跟踪测试。3)网壳构件应力控制 在拉索张拉施工过程中,严格控制网壳钢构件的应力比,不出现超应力构件。第三方监测单位采用电阻应变片对典型钢构件进行了应力测试。4)屋盖变形及支座位移控制 屋盖结构的变形随着拉索张拉而产生变化。拉索的张拉,不仅可以优化结构杆件内力,而且可以调整结构变形,因此对结构变形的监控必不可少。我方选用了全站仪及配套的反光板,对结构关键点位移进行了监控。3 其它1)由于屋盖钢结构施工采用了非常规的安装方法,施工成型过程对结构在正常使用状态下的性能势必产生影响。为保证结构在正常使用状态的可靠性,对其进行了考虑施工全过程的分析与验算。2)对铸钢索夹进行了深化设计,设计时为了将径向索、环向索及撑杆受力汇交于一点,各环索均采用了双索形式(索环处于同一标高),因此同一环的两根索长度有一定差异,实际索力也会略微不等。经验算,差别甚小。3)对撑杆安装偏差缺陷等对结构受力及变形的影响进行了分析验算。4 结语本工程因拉索施工正式实施前编制了详细的施工方案,整个实施过程较为顺利,并于2006206227拉索全部张拉完成,拉索索力及结构变形测试结果与理论分析较为吻合。撑杆调节法首次在大跨度索承网壳结构体系中得到了创新应用,并取得成功,为类似新型空间结构的研究与应用提供了有益的参考。58施工技术第35卷