弦支穹顶
设计单位：中国航空方案设计研究总院有限公司
总包单位：中国建筑第八工程局有限公司
钢构造安装单位：浙江精工钢构造集团有限公司
索构造施工单位：上海固隆建筑工程有限公司
索具类型：贵绳股份·高钒密封索，坚宜佳·钢拉杆
竣工韶光：2022年
01/概 况
该工程位于贵阳市不雅观山湖区云潭路与兴筑路交叉处贵阳奥林匹克体育中央地块内，位于方案总用地的最北端，西至云潭南路，北至黔灵山路，东至奥兴路，南至上麦路。项目总用地面积约9.5万平方米，建筑面积1.3万平方米，不雅观众座位约1.1万个，按照甲级特大型馆标准设计。
屋面的形状呈球型，由弦支穹顶构造屋盖构造，外墙面单层网壳构造和环桁架三部分组成。弦支穹顶构造屋盖构造紧张由单层网壳、拉索体系、环桁架及外围幕墙网格构成；屋面平面呈圆形，屋盖构造圆形直径为117m，整体钢构造轮廓外围圆形直径为140m；屋盖最高处标高为42.1m，环桁架上部标高为33.1m，幕墙网格下部支座标高为6m。
图1 贵阳奥体中央二期体育馆
02/索构造体系
该项目采取弦支穹顶构造，屋盖构造圆形跨度为117m，矢高9m，矢跨比为9/117=0.077，如图2所示整体钢构造轮廓外围圆形直径为140m。上部钢网壳属于大跨径、小矢跨比，偏于扁平的单层网壳构造，未施加预应力前网壳竖向刚度较小。
下部索杆体系采取Levy型索杆体系如图3，5圈环索均为16边型，每个索夹处设置2根钢拉杆。张拉过程中掌握同一索夹位置2根钢拉杆同步张拉，改进弦支穹顶张拉过程中的索内力和变形。
图2 单层网壳
图3 LEVY型索杆体系
1）细部节点布局
单层网壳径向主杆与外环钢梁为销接如图4a，环向主杆与径向主杆为刚接如图4b。索夹是连接索体和相连构件的一种不可滑动的节点，由主体、压板和高强螺栓构成，高强螺栓供应的预紧力知足战胜索夹两端最大不平衡力的哀求。根据每圈环索数量的不同分为单索索夹、双索索夹、四索索夹，如图5所示。
a) 环桁架、径向杆和斜向拉杆连接节点
b) 径向杆和斜向拉杆连接节点
图4 单层网壳节点布局
a) 单索索夹节点
b) 双索索夹节点
c) 四索索夹节点
图5 索夹节点布局
2）索规格
贵阳奥体中央体育馆有2种类型拉索：环向索和径向钢拉杆。个中环向索材质为1670MPa级的密闭索，径向钢拉杆的材质为E650，如表1所示。
03/索构造施工
1）索施工难点
大跨度弦支穹顶施工难点在于预应力未导入索系时，单层网壳刚度过小，须要在拼装过程中支配大量支撑胎架，导致施工作业脸庞杂。撑杆下端与索夹的连接办法为焊接，不能采取常规的地面安装索夹再整体提升的办法，须要结合现场施工作业面提出得当的挂索方案。
该工程钢构造跨度较大，设计打算采取构造落成状况为打算模型。由于在构造安装过程中构造在各阶段的受力状况均与落成状态有较大差别，存在平面外稳定问题，项目对安装过程中各阶段进行了施工过程剖析，对各施工关键阶段的构造稳定、构造变形进行了理论打算，从而确保全体安装过程的构造稳定性和安全性。
该项目采取BIM技能对关键施工步骤的碰撞问题进行检讨，如展索、挂索和张拉过程，做到提前规避，从而对汽车吊站位、伸臂和摆臂的位置掌握进行了预判。
为了掌握构造成型后变形，在网壳安装时设置了多个关键位移掌握点，通过在安装过程中不断丈量更新实际坐标点来赞助安装网壳，担保安装下部索系时屋面网壳的安装偏差掌握在精度哀求范围内。
图6 胎架支配平面图
图7 BIM技能辅导机器站位
2）选择得当的张拉方案
弦支穹顶常日有3种预应力拉索施工方法，即顶升撑杆、张拉径向索、张拉环向索。贵阳奥体中央体育馆由于布局的分外性，第5圈环索与撑杆不汇交于一点，直接打消顶升撑杆的张拉方法。项目对张拉径向索和张拉环向索的方案进行了施工剖析比较。
方案一：从环向索的形状为圆形剖析该工程适宜张拉环向索，张拉事理如图3.21.8a。第5圈环索有4道单索，最大初始态索力较大，需配置大吨位的张拉设备，并且环索设置16个索夹，张拉环索不利于环索在索夹内传力，不能有效掌握撑杆垂直度，导致环索内力分不均，达不到设计初始态内力。
方案二：径向钢拉杆数量为偶数，可以采取张拉径向钢拉杆的办法进行预应力施工，张拉事理如图3.21.8b。通过掌握钢拉杆分批和张拉分级，便于掌握钢拉杆预应力的导入，又能很好的调度撑杆垂直度和环索线型。
根据施工组织设计，挂索顺序由场内至场外，每圈挂索流程为：撑杆→环索→钢拉杆，由于第3~5圈环索有2和4根，2根环索安装顺序为：外圈环索→内圈环索；4根环索安装顺序为：外圈上环索→内圈上环索→外圈下环索→内圈下环索。在挂索施工前，所有屋面网壳位移关键掌握点均应符合哀求，焊缝均经由探伤合格，并按照复核后的空间长度适当调度索的无应力安装长度。
a) 方案一：张拉环索
b) 方案二：张拉径向索
图8 两种张拉办法示意
该项目张拉施工按照下述步骤张拉：整体思路为由外至内分批张拉第1级→由外至内分批张拉第2级→由内至外分批张拉第3级。
总体张拉顺序为：
第1步：在胎架上安装主体钢构造；
第2步：安装撑杆、环索和钢拉杆，张拉前将胎架与上弦杆处理，调度为只打仗；
第3步：张拉前索系预紧至施工预应力的10%；
第4步：分5批，分步张拉至40%初始态索力；
第5步：分5批，分步张拉至90%初始态索力；
第6步：分5批，分步张拉至100%初始态索力，超张拉5%；
第7步：分批张拉过程过程中，所有支撑胎架均在过程中脱胎，移交事情面。
个中第1次和第2次分批循环张拉的原则以掌握内力为主、变形为辅，第3次分批循环张拉的原则以掌握变形为主、内力为辅。
3）数值剖析和施工监测
正式张拉前，结合设计意图、园地工况、景象条件等制订了张拉原则和顺序，体例张拉专项方案，采取虚拟张拉技能对全体张拉施工过程进行施工全过程剖析。
首先依据设计解释和资料确定构造初始状态，只管找形和找力是弦支穹顶的找形关键目标，该项目结合项目掌握重点，找形紧张目标设定于掌握下部索杆体系中撑杆垂直度，在拉索预应力和构造自重的浸染下构造达到平衡状态，即要在预应力施工完成后达到设计初始态。初始态找形除考虑构件自重以外，还考虑其深化模型的差异定义自重系数，有较大集中荷载的铸件和索夹位置定义集中荷载。
其次根据初始态找形结果，结合索施工张拉方案定义施工步骤。施工过程打算的步骤严格按照张拉方案的分级分批，对付钢构安装和胎架位置做到精确仿照。
末了，由于屋盖钢构造施加预应力时构造尚未进入事情状态，屋盖张拉前支承于临时支撑，约束条件较好；同时，下部构造相对半刚性屋盖构造刚度大，变形小；因此，在张拉过程过程中，掌握上部屋盖构造的位形变革，仅取体育馆的上部屋盖钢构造进行建模剖析，底部约束条件按照固定铰接处理。图9和图10给出环向索和径向索张拉索力变革趋势。
图9 施工过程理论环索内力变革趋势
图10 施工过程理论径索内力变革趋势
对张拉施工流程进行施工仿照数值剖析，剖析结果表明，该构造在张拉过程中安全可靠，屋面网壳处于弹性阶段，弦支穹顶竖向最大变形在网壳中央处，构造变形在-21mm~37mm范围之内。构造初始态屋面网壳涌现部分下挠，须要在张拉关键阶段使胎架分步主动脱胎，掌握网壳变形。根据理论剖析和现场实测分别得到各阶段屋面网壳变形监测值见图11，钢拉杆内力监测值见图12。第三方监测单位对预应力施工进行全过程跟踪监测，干系监测结果与张拉过程比较符合，均知足干系规范哀求。
图11 张拉过程中关键变形位置监测数据
图12 张拉过程中径向钢拉杆内力数值
4）四索索夹剖析
第5圈环索由4根单索组成，由于设计、深化等成分，撑杆与环索中央线延长线不汇交于一点，如图13a环索中央线整体往场内偏幸350mm，又考虑到索夹两端在各工况下会产生不平衡力，故须要对索夹建立实体模型并进行风雅化剖析。
风雅化剖析可知包络工况下索夹应力较小，如图13b大部分区域在100MPa及以下，耳板拉断截面处应力达近200MPa，盖板应力在与索夹打仗的端面上较大，可达200MPa，别的区域应力较小，打算模型参数设置符合设计哀求，索夹构造强度和刚度均能知足本项目哀求。
a) 索夹布局
b) 索夹应力云图
图13 四索索夹剖析
5）张拉装置剖析
张拉过程中，预应力导入紧张由张拉工装顶紧径向钢拉杆的防松螺母，使得原来受力的调节套筒把内力转移至张拉工装，通过旋紧调节套筒使钢棒缓慢受力，循环上述步骤直至钢拉杆内力达到设计哀求。
如图14a张拉装置由2组张拉工装、钢棒和千斤顶组成。如图14b由风雅化剖析可知张拉工装最大应力为259MPa，发生在立劲板位置上，绝大部分应力在100MPa以下，最大变形为0.4mm，打算模型参数设置符合设计哀求，张拉工装构造强度和刚度均能知足本项目哀求。
a) 张拉装置布局
b) 工装风雅化剖析
图14 张拉装置剖析
贵阳奥体中央体育馆弦支穹顶构造采取了主动张拉径向钢拉杆的拉索施工方案，在正式张拉前利用有限元软件进行全过程施工仿照，做到了切实完善的理论剖析，辅导了施工现场。通过全站仪、精密油压表和数显式靠尺分别对屋面网壳变形、钢拉杆预应力和撑杆垂直度进行施工过程监测。终极结果为：第3圈钢拉杆施工预应力与理论内力比值为102.8%（841kN），最大屋面网壳变形为+37mm，撑杆偏摆量掌握标准为1/120（54mm），实际环向最大8mm，径向最大23mm。预应力拉索施工完成后，屋面变形、钢拉杆内力和撑杆垂直度监测结果均知足哀求。
04/工程照片
图15 钢拉杆及其安装
图16 环索安装
图17 张拉成形
