0 引言

　　大跨度空间预应力钢结构主要有杂交结构和张力结构。杂交结构的典型形式有张弦结构、斜拉结构和弦支穹顶结构。张弦结构既具备预应力结构的受力合理、质量小等特点，又具备比张力结构更方便制作、安装的特点，在现代民用和公共建筑中受到更多青睐和推广。

　　受国际预应力技术发展的推动，近年来，我国成功研制了大直径高钒索。高钒索既具有常见预应力索的特点，更具有高防腐性、防火性、防退扭性、摩擦系数大的特点。同时，因索体表面不包覆PE膜，免除了施工过程中PE膜剥除及防护等工序，极大地提高工作效率。高钒索张拉在索端跨内实施，建筑更美观且结构构造处理更方便。

　　1 工程概况

　　乌鲁木齐奥林匹克体育中心体育馆位于乌鲁木齐市会展大道。结构投影为椭圆形，长轴153m，短轴143m。钢屋盖为轮辐式大直径高钒双索张弦结构(见图1)，最大跨度125m，最小跨度114m。双索张弦辐共28组，中心通过刚性环连接，中心刚性环的上压力环与下拉力环直径均为20m，中心环高12.7m。

　　

　　图1 体育馆屋盖三维示意  

　　 

　　张弦结构由上弦刚体、下弦索及之间索撑组成。上弦刚体由主径向梁、次径向梁、环梁、中心压力环内钢网格组成;下设拉索及索撑的主径向梁共28根;刚体环梁均于主径向梁处分段，环梁共6圈;主径向梁间且环梁间连接设计为次径向梁;中心压力环内由7根主径向梁延伸汇交并形成单层钢网格。上弦刚体结构不形成任何1榀贯通的张弦梁结构。下弦索设置于主径向梁下方，一端索头经锚具组合连接于屋盖支点环梁，另一端索头经锚具组合连接于中心环下层的拉力环;单辐预应力构造为双索，索间距为620mm，索长44.76～50.15m，索径为80mm，如图2所示。

　　

　　图2 屋盖张弦结构  

　　 

　　张弦预应力拉索采用镀层为锌-5%铝-混合稀土合金的光面钢丝束高钒索。索体材料弹性模量为1.6×10⁵MPa，抗拉强度为1 670MPa，单索最小破断力为5 510kN。拉索两端锚具均为热铸锚，其中一端为固定锚具，另一端为可调锚具，连接件为叉耳式。可调锚具由可调索头、可调锚杯及螺纹调节头组成，如图3所示。

　　

　　图3 可调锚具  

　　 

　　根据体育馆分段和吊装方案要求，在网壳中心布置1个支撑架，中心环桁架布置10个支撑架，在第2道环梁布置28个支撑架，外立面环梁下设置56个支撑架。支撑架布置平面、立面及安装如图4所示。

　　为保证支撑架平面外稳定性，在支撑架顶部1个节间设置上、下2道各2根拉杆，拉杆规格为，平面布置如图5所示。其中，R₁=11m,R₂=31m,R₃=71m。

　　2 预应力施工方案

　　2.1 结构特点

　　1)张弦结构可简化为上、下弦经中心环过渡的张弦梁，但因张弦梁间交叉，张拉施工时相互之间存在影响。同时，因中心环需形成整体才能可靠地与环外结构连接，分析时以单辐为单元。

　　

　　图5 支撑架顶部节间拉杆平面布置  

　　 

　　2)屋盖檩条与檩托以焊接连接。为提高施工效率，该工程檩条在张拉前随结构安装施工。为减小屋盖刚度，提高实际施工与仿真分析的契合度，径向主檩条张拉前施工完成，环向次檩条一端完成连接、另一端以自由的方式临时搁置。

　　3)张拉施工前，钢屋盖施工设置3圈临时支撑架，即屋盖中心铸钢件就位用临时支撑架(中心临时支撑架)、中心环下层环形临时支撑架(中心环临时支撑架)、主径向梁空中拼接用环形临时支撑架。

　　2.2 施工方案

　　该工程整体采用分阶段、分批、分级、循环张拉方案。

　　2.2.1 施工流程

　　施工流程为:拉索制作→钢屋盖吊装用临时支撑架安装→钢屋盖吊装及拉索运输进入现场→檩条安装并适时将拉索转运至安装位置实施散索并安装→钢屋盖结构验收并搭设张拉施工操作平台→张拉施工并监测→卸载→临时支撑架拆除。

　　2.2.2 张拉分批工艺

　　该工程采用一端固定、一端张拉的张拉工艺，张拉端为中心环拉索端。为避免操作位置的局促及降低施工成本，选用分批张拉工艺。将主径向梁轴线单独建立体系并重新编号，该编号即为拉索组编号，如图6所示。

　　经分析，合理地分批组合为互呈90°的4组预应力索为1批，共7批，如表1所示。

　　

　　图4 支撑架系统  

　　 

　　

　　图6 单索编号  

　　 

　　  

　　表1 拉索分批组合  

　　 

　　 

　　

　　2.2.3 分阶段张拉工艺

　　张弦结构在张拉过程中，通过索、索撑等向上对张弦结构的上弦刚体产生等效预应力荷载。后续张拉形成的局部等效预应力荷载在屋盖结构内进行传递并形成新的结构状态使前期施工形成的索力也随之产生变化。理论上，为减小该影响，应同时张拉或加密张拉阶段。参考成功案例，该工程设计2套分阶段张拉方案。

　　1)4阶段张拉工艺张拉施工分为4个阶段，第1阶段将全部拉索预紧，第2阶段将全部拉索分批分级跳跃张拉至最大索力值的50%，第3阶段将全部拉索分批分级循环张拉至最大索力值的70%，第4阶段将全部拉索分批分级再循环张拉至最大索力值。

　　2)3阶段张拉工艺张拉施工分为3个阶段，第1阶段将全部拉索预紧，第2阶段将全部拉索分批分级张拉至最大索力值的75%，第3阶段将全部拉索分批分级张拉至最大索力值。

　　为进一步优化工艺，该工程将3阶段张拉工艺深化为2套工艺:分批跳跃张拉工艺及分批顺序张拉工艺。分批跳跃张拉工艺是将张拉批次顺序跳跃实施，即按1,4,7,2,5,3,6的顺序张拉施工;分批顺序张拉工艺是将张拉批次顺序按批号顺序依次实施。

　　由仿真分析张拉工艺的过程和卸载可知:结构均处于弹性安全状态，成型后索力与设计要求均接近;对比工艺间的过程响应，有差异，但差异较小。最后选定3阶段分批顺序张拉工艺，该工艺张拉周期最短，成本最低，施工最方便，操作安全风险最小。

　　2.2.4 分级工艺确定

　　该工程采用分3阶段6级张拉工艺。(1)第1阶段预紧;(2)第2阶段分7批4级张拉，分别张拉至该阶段目标索力值的20%,50%,75%,100%;(3)第3阶段分7批2级张拉，分别张拉至该阶段目标索力值的90%,100%。

　　3 仿真分析

　　3.1 分析概况

　　1)仿真分析软件选用Midas GEN Ver.2017，计算中考虑几何大变形和应力刚化效应。

　　2)分析模型桁架构件和梁构件采用梁单元，撑杆采用释放约束的梁单元;拉索采用桁架单元;支撑架采用仅受压节点弹性支撑。

　　3)材料特性钢材弹性模量为2.06×10⁵MPa，泊松比为0.3，温度膨胀系数为1.2×10^-5;拉索弹性模量为1.60×10⁵MPa，泊松比为0.3，温度膨胀系数为1.2×10^-5。

　　4)荷载根据施工过程考虑结构自重，钢构件密度为7.85×10³kg/m³。

　　3.2 结果分析

　　1)双索施工张拉力张拉施工实现设计态的张拉力即为拉索的施工张拉力。经仿真计算，施工初态的双索施工张拉力总计为2 570～2 799kN;后续张拉施工对前期张拉拉索索力产生影响;设计初态与施工初态的拉索最大预张力不完全吻合。

　　2)结构变形及杆件内力施工初态的结构最大起拱值为74.7mm，杆件最大应力值为159.3MPa，与设计初态偏差分别为4.9%,7.6%，吻合度较好。

　　3)初态的临时支撑状态张拉施工前，钢屋盖仍有3圈临时支撑架。经仿真分析，主径向梁在零态向初态转换中已主动脱离胎架;中心临时支撑架及中心环临时支撑架未脱离结构。

　　4 拉索施工

　　4.1 拉索安装

　　1)安装准备包括拉索从材料堆场转运至设计位置下方，解除包装，标识、索头、锚杯、索体检查;散索，索夹标记修正，可调索头与可调锚杯间的螺纹调节头的螺纹调节至外伸螺纹的最大位置，安装机械、工具就位，施工平台搭设等。

　　2)挂索该工程拉索张拉端在中心环处，且拉索需穿临时支撑架。为方便施工，先采用25t汽车式起重机吊装张拉端至中心拉力环结构的连接位置并进行销轴连接，然后将该端卸钩;再用该汽车式起重机吊装另一索端至临时支撑架穿索位置，采用卷扬机接载该索端并牵引至拉索另一端与主径向梁的连接位置，调整并安装销轴即完成1根单索挂索;每组拉索为双索构造，该处另一根索采用相同工艺完成挂索，此时即完成1组拉索挂索。采用相同工艺完成该工程28组索的挂索。

　　3)索夹安装采用25t汽车式起重机并配合高空车实施索夹安装。先将索夹压板从索夹上取下，然后将拉索吊升，接着移动附索夹的撑杆将拉索安装入索夹并使索夹中心对准拉索标记，再安装索夹压板并拧紧高强螺栓，最后依据高强螺栓计算的扭矩值对其完成初拧及终拧，即完成1处索夹的索-索夹节点安装。依次完成全部索-索夹节点安装。

　　4.2 拉索张拉

　　拉索安装完成，屋盖钢结构验收合格并对张弦构造全部检查合格，临时支撑架与结构的连接解除后即可实施拉索张拉。

　　1)张拉施工平台搭设依据张拉施工特点及安全构造要求搭设张拉施工平台，该施工平台既满足了施工操作需要也保障了施工操作的安全防护。考虑中心压力环马道具备张拉施工条件，且张拉工装移动较外环梁更便利，将张拉施工平台设置于体育馆中心压力环处。

　　2)张拉工装安装依据拉索构造特点及布置特征设计专用张拉工装，张拉工装如图7所示。

　　

　　图7 张拉工装  

　　 

　　3)张拉机具根据张拉工艺设计，该工程同时张拉4组拉索，每组拉索采用1台专用张拉油泵ZB4-500加载，每根索采用2台YCW150B穿心千斤顶张拉，即每组索4台千斤顶。其他机具有手拉葫芦、专用张拉扳手等。

　　4)张拉索力值与油泵加载值的换算张拉施工前，对液压油泵油表与千斤顶实施校核标定，根据校核标定结果及千斤顶对拉索的张拉力与油泵加载液压值的线性关系将分阶段分级的张拉力控制值换算成油泵油表显示的液压控制值。

　　5)分阶段分批循环分级张拉第1阶段为拉索预紧，利用专用扳手转动螺纹调节头，使锚杯向可调索头移动以缩短拉索长度直至拉索拉直绷紧。第2阶段按前述分批先张拉第1批至该阶段目标索力;张拉至该阶段的目标索力共分4级同步张拉;分级张拉至目标值的20%→50%→75%→100%，同批张拉的每组索在达到同级张拉值目标后才启动下一级张拉加载，直至张拉至该批该阶段的目标索力值;1批张拉完成后转移张拉机具实施下一批张拉，直至完成该阶段张拉;该阶段的张拉批次顺序为1～7。第3阶段张拉在第2阶段完成并分析合理后实施，工艺类似于第2阶段，但仅分为2级张拉，张拉至目标值的90%→100%;张拉批次顺序为7～1。张拉加载通过专用扳手不间断地拧紧调节头螺纹的方式实现，在最后加载阶段通过手拉葫芦牵引专用扳手而予以保障。

　　6)张拉同步控制该工程对每批每级张拉均实施同步控制。控制方法为增减油泵加载速度及启停油泵的手动控制工艺。

　　7)索力加载保障在每级油泵加载达到控制值并拧紧拉索调节头后，卸载部分油压并重新加载至该级目标值，再次拧紧调节头，如此反复加载以实现索力加载保障，该工程采用3次重复加载工艺保障索力加载。

　　5 张拉监测

　　拉索预张力施工过程是结构从零状态向成型初始态转变的过程。受施工误差、材料实际性能、环境温度、实际施工与分析模型差异等影响，实际初态与仿真分析初态存在差异。为保障施工及使用安全并为下阶段施工提供依据，该工程对张拉施工实施了索力及位移监测。

　　5.1 索力监测

　　1)索力监测方法平面外频率法。

　　2)索力监测点第2阶段张拉的第1批及第3阶段张拉的第7批，即编号1,8,15,22索组的共8根索的近中心环索段。

　　3)索力监测结果张拉工装能有效传递张拉力至拉索，单索监测索力平均值与理论张拉值的最大偏差为6.3%，双索组间监测的单索索力平均值与理论张拉值偏差最大为0.3%。

　　5.2 位移监测

　　1)监测位置在编号1,4,8,12,15,18,22,26索组的径向梁端部及从外至内的第5道环梁节点处共设24个监测点。

　　2)监测仪器全站仪。

　　3)监测方法在结构零态测定该24个监测点位置坐标作为基准值，每阶段每批张拉结束后测定1次，张拉完成结构处于初态时再监测全部监测点坐标。

　　4)监测结果张拉过程产生的最大竖向位移在主径向梁与第5道环梁节点处;监测竖向位移为8～51mm，较仿真分析值小20～24mm。

　　5)监测结果分析形成实际张拉时竖向位移小于仿真分析值的主要因素有:仿真分析选用的材料性能为设计指标值，实际的材料性能优于设计指标值;屋面檩条在实际施工时自由端约束条件与实际有偏差;实际张拉的环境温度较分析设定温度低，这些均会增加结构刚度。

　　6 卸载

　　张拉施工完成后，经观察，主径向梁空中拼接用环形临时支撑架已与屋盖结构完全脱离而实现主动脱胎卸载;中心环临时支撑架及中心临时支撑架未与屋盖结构脱离，需被动脱胎卸载。

　　经分析，造成该2类临时支撑架未主动脱胎的原因为:尽管中心环及屋盖中心在张拉完成后产生向上的竖向位移，但结构零态对临时支撑架产生的压缩变形未完全释放，使临时支撑架仍然与屋盖结构紧贴并仍承受部分荷载。

　　卸载方法为同比例火焰切割卸载法，即先将中心临时支撑架支撑构造每次火焰切除10mm，当结构与临时支撑架不再紧贴时完全切除支撑构造;在中心临时支撑架卸载后再卸载中心环临时支撑架，卸载方法为同步同比例火焰切割卸载法，即同时组织9组人员同步采用中心临时支撑架卸载方法切除支撑构造而完成卸载。

　　经分析，中心环及中心临时支撑架卸载后，拉索组增加索力5～31kN。

　　7 结语

　　1)轮辐式张弦结构选用3阶段(预紧→75%→100%)分批(互呈90°中心对称4组索1批)分级(2阶段4级，3阶段2级)循环顺序张拉工艺可成功实现张拉施工并缩短工期。

　　2)选用受压不受拉的临时支撑架-屋盖分析模型能有效模拟并仿真分析张拉施工并确定每阶段每批次每级的张拉力及结构变形。

　　3)设计合理工装，采用张拉千斤顶收索+连续拧紧工艺能实现高钒索施工并有效传递张拉力。

　　4)采用1台张拉油泵同时对双索组加载能实现双索的均衡张拉。

　　5)轮辐式张弦结构张拉后的卸载为主动+被动的综合卸载。

　　6)该工程卸载后经3次形变监测，结构稳定，实现了设计效果。