1 工程概况

　　清丰县文体中心体育馆位于清丰县城西南部，主体结构呈碗状(见图1)，总建筑面积约21 154.7m²，其中地上11 083.2m²，地下10 071.5m²;建筑高度32.5m，钢屋盖最高点29.150m，地上局部3层，地下1层;钢屋盖为弦支穹顶结构，下部支承为格构支撑柱结构，共设置16组，格构支撑柱柱脚节点为成品固定球铰支座。

　　屋面单层网壳跨度98m，矢高10m，杆件截面规格包括500×20，400×16，351×14，273×86等，节点均采用铸钢节点，自重1～1.5t。屋盖钢结构下层由环向索和径向拉杆组成，拉索和拉杆均为高强材料，可有效减小结构自重，并达到轻巧、通透的建筑效果。上层钢结构和下层拉索间由撑杆连接，构成稳定的空间结构受力体系，可有效提高整体结构稳定承载力。其中拉杆截面规格包括110，90，55，45，索截面规格包括120，100，70，30。

　　图1 体育馆效果  

　　弦支穹顶结构体系(见图2)与下部格构支撑柱间采用刚接节点连接，一般的内部支撑体系配合张拉预应力索的方式很难使结构达到结构设计时的形态;上部单层网壳节点均为铸钢节点，节点处焊接量较大，上部单层网壳结构在索结构完成安装前平面外刚度较小，进行焊接时易造成结构焊接变形。

　　图2 弦支穹顶结构体系布置  

　　2 钢结构施工技术

　　2.1 钢结构安装方案

　　钢结构施工流程为:地下室基础锚栓预埋→十字劲性柱安装→成品固定球铰支座安装→格构支撑柱安装→柱间支撑安装→环梁安装→单层网壳安装→弦支撑体系安装→马道安装→檩条安装。

　　1)十字劲性柱和成品固定球铰支座主要采用3台塔式起重机进行吊装安装。

　　2)格构支撑柱由散件运送至现场，在胎架上分成2段拼装，上、下2段质量和尺寸基本一致。拼装完成后，由1台150t履带式起重机先将下半段格构支撑柱全部吊装就位，并连接成整体，利用全站仪复测坐标合格后，继续吊装上半段支撑柱、柱间支撑和顶部环梁，直至将16组支撑柱安装就位并复测坐标至合格。格构支撑柱对接后在两侧面外各拉设2根缆风绳，保障其不发生面外失稳。

　　3)屋面网壳结构构件截面规格多样，节点数量多，现场焊接工作量大，为提高工作效率和焊接质量，屋盖下搭设满堂脚手架，屋面单层网壳拟采用地面拼装小单元，然后利用塔式起重机和高空操作平台进行小单元拼装的施工方法。小单元组成主要为1个铸钢节点带2根、3根或4根构件。安装顺序为由第1个外环开始，逐环向内安装，下一环起始位置与上一环起始位置应错开至少1/4环间距，确保闭合处的误差不集中于某一条径向线上。安装过程中为保证安装精度，需分别在节点放置前后对节点支托坐标利用全站仪进行测量。

　　4)上部单层网壳安装完毕后，继续安装预应力索撑杆。预应力索进场后，利用塔式起重机将索盘放置于预先设计的承台上，利用倒链等设备进行布索、挂索，就位后开始进行分组分级张拉索，直至索内力达设计内力100%，主体结构施工完成，继续进行墙面和屋面围护结构的安装。

　　2.2 临时支撑体系设计

　　1)外围格构支撑柱支撑体系

　　在安装外围格构支撑柱时，结构尚未形成整体，且格构支撑柱下部设计为1个钢铰支座，为保证结构安全和安装精度，吊车松钩前，在支撑柱外设置1根斜向支撑，截面为299×8圆管，斜向支撑上端与格构支撑柱采用销轴连接;在格构支撑柱两侧各设置2根缆风绳，缆风绳与地面上埋件有效连接，保证其面外稳定性。

　　格构支撑柱柱脚底板与钢铰支座暂时不焊接，在钢铰支座顶板上焊接8个限位器，如图3所示，限位器与钢铰支座采用角焊缝连接。经采用SAP2000软件整体分析，施加预应力过程中格构支撑柱柱脚位移≤10mm，故限位器与柱脚底板间隙设置为10mm。此做法目的是保证弦支穹顶结构体系张拉时，下部格构支撑柱可整体向内产生一定收缩，使屋盖结构可顺利成型。

　　图3 钢铰支座限位器  

　　2)屋面网壳拼装用满堂脚手架支撑体系

　　屋面网壳部分为单层网壳结构，未施加预应力时，单层网壳面外刚度很小，极易发生变形，导致安装精度难以控制。采用原位安装时，高空焊接作业量大，焊接变形不易控制，且高空作业危险系数大。为避免以上因素造成的单层网壳节点变形大等初始缺陷，在单层网壳下方设计满堂脚手架，采用碗扣式钢管脚手架，杆件布置为1.0m×1.0m，步距1.0m，对于需要放置预应力索索盘的位置，杆件布置为0.5m×0.5m，步距不变。同时脚手架可作为后期屋面围护结构部分施工平台。

　　3)弦支穹顶体系张拉阶段格构柱支撑体系

　　上部单层网壳安装完成后，为便于马道、预应力索布置等，拆除满堂脚手架顶部约1m高杆件。此时单层网壳由16根格构柱支撑，格构柱由2m×2m规格塔式起重机标准节组成，顶部利用I20a设置成田字形结构，对网壳节点有效支撑，工字钢与网壳节点不焊接，以便后期施加预应力后网壳可顺利脱离支撑。格构柱支撑共设置2圈，每圈8根，等间距布置，如图4所示。

　　2.3 支撑拆除方案

　　因施工工艺原因，先拆除满堂脚手架支撑体系，然后拆除外围格构支撑柱，以防其对屋盖结构施加预应力产生不利影响。预应力施加完毕时，格构柱支撑体系自动卸载完成，将下部支座焊接固定，此时主体钢结构全部成型。

　　图4 格构柱支撑布置点位  

　　3 弦支穹顶屋盖张拉施工技术

　　本屋盖弦支穹顶结构采用4圈环向索，由外向内，第1圈采用120拉索，第2圈采用100拉索，第3圈采用70拉索，第4圈采用30拉索。最外圈环向索分为4段，第2圈环向索分为3段，第3圈环向索分为2段，最里圈环向索不分段，环向索采用调节套筒连接，可根据单层网壳安装精度，调节环向索长度，保证结构能顺利精确安装;径向索采用4圈径向拉杆，由外向内，第1圈采用110拉杆，第2圈采用90拉杆，第3圈采用55拉杆，第4圈采用45拉杆。拉索采用15.2高强度低松弛预应力热镀锌钢绞线组成的成品索，抗拉强度标准值1 860MPa，弹性模量≥1.9×10⁵MPa;采用强度等级为460UU型成品钢拉杆。

　　3.1 预应力施加方案

　　根据实际工程经验和项目现场施工环境，经过全过程仿真分析、不断优化方案后，采用张拉径向拉杆方式施加预应力，环向索和撑杆作为被动构件受力，不仅可保证索力施加的均匀性，而且索力调整、钢棒长度调节和锁止较容易实现。张拉外圈径向拉杆对结构影响较大，但相对整体结构来说，结构整体变形较小，不会明显改变结构形态。由外向内的施工张拉顺序符合先张拉影响较大的径向拉杆、后张拉影响较小的径向拉杆的原则。根据模拟分析结果，施加预应力共分为3级，张拉内力分别为设计内力的10%,70%,100%。流程为:(1)临时支撑胎架上拼装网壳构件;(2)安装撑杆、环向索和径向拉杆，并对径向拉杆进行预紧(第1级张拉);(3)对第1圈径向拉杆进行第2级张拉;(4)对第2圈径向拉杆进行第2级张拉;(5)对第3圈径向拉杆进行第2级张拉;(6)对第4圈径向拉杆进行第2级张拉;(7)拆除临时支撑架;(8)对第4圈径向拉杆进行第3级张拉;(9)对第3圈径向拉杆进行第3级张拉;(10)对第2圈径向拉杆进行第3级张拉;(11)对第1圈径向拉杆进行第3级张拉。

　　第1,2,3圈径向拉杆张拉时，单级再分别分4小级，每次张拉对称布置的8根径向拉杆(每圈共32根径向拉杆);第4圈单级张拉分2小级张拉，同样每次张拉对称布置的8根径向拉杆(第4圈共16根径向拉杆)，在每小级中尽量使千斤顶给油速度同步，在张拉完成每小级后，所有千斤顶停止给油，通过每个小级停顿调整的方法来达到整体同步的效果。

　　3.2 施工仿真模拟验算

　　采用SAP2000有限元分析软件仿真模拟分析，仅考虑结构自重、索预应力，外围格构支撑柱支座竖向固定，x,y方向考虑12kN/mm弹簧约束(根据柱底板摩擦力计算得出)，分析共设计29个施工步，第1步为所有拉杆均为拉杆设计内力10%，后续按拉杆设计内力70%,100%进行施加，第16步完成所有拉杆第2级张拉，第29步完成所有预应力张拉施工。

　　由于结构为圆形结构，共32个轴线，对应32组径向拉杆，由于对称关系，各轴线径向拉杆内力和撑杆上节点位移均基本一致，故只列取轴线径向拉杆内力和竖向撑杆上节点位移值，监测点及监测杆件位置如图5所示，监测结果如图6所示。

　　图5 监测点及监测杆件位置  

　　由监测结果可知:

　　1)安装张拉过程中，网壳结构竖向变形较小，向下最大变形为35.5mm;张拉完成后，网壳结构中间部分向上最大变形为27.2mm，网壳结构四周局部向下最大变形为9mm，满足设计要求。

　　2)安装张拉过程中，第2级第2圈张拉完成后，外圈支撑胎架反力为0，可开始逐步拆除临时支撑，第2级第4圈张拉完成后，支撑胎架反力全部为0，可拆除所有临时支撑。

　　3)安装张拉过程中，钢结构最大应力为132MPa，张拉完成后钢结构最大应力为59MPa，结构内力变化符合预期。

　　图6 监测结果分析  

　　4)张拉过程中，环向索拉索最大索力为2 841kN，径向拉杆最大拉力为607kN，径向拉杆内力远小于环向索内力，选择张拉径向拉杆可降低对张拉设备的要求。

　　3.3 施工过程关键部位应力监测

　　在预应力张拉过程中，主要对撑杆应力进行监测，并与撑杆结构分析的应力值进行对比，判断张拉过程中结构整体刚度变化情况。本工程中撑杆应力监测仪器采用振弦式应力应变传感器，传感器与待测钢结构温度膨胀系数相同，确保监测精准度和灵敏度。

　　应力测点位置选取14根屋面杆件及16根支撑杆件，传感器共30个，如图7所示。在结构开始张拉前进行第1次监测，后续每张拉完成1次，进行1次监测，直至张拉完成。监测数据较多，仅列举图7中轴线第1～4圈撑杆监测轴力变化，并与有限元软件分析结果进行对比，如图8所示，辅助判断结构成型情况。由图8可知:(1)实测数据较有限元软件分析数据偏小5%～12%;(2)对于弦支穹顶等半刚性结构，施加预应力时，初期仅加载点上部杆件内力变化明显，后期随结构刚度增强，加载点远处杆件(间隔1圈距离)内力变化较明显，故此结构施加预应力时，必须按对称施加和分级施加方式，确保结构成型过程均匀缓慢。

　　4 结语

　　1)弦支穹顶屋盖和下部结构采用刚接，为预应力张拉增加了难度，合理的支撑体系布置和适时的支撑体系拆除，为结构成型提供保障。

　　图7 应力监测仪器布置点  

　　图8 第1～4圈撑杆轴力变化  

　　2)采用SAP2000有限元分析软件，模拟分析支撑体系设置、拆除，预应力张拉过程，得出结构拉杆内力、节点位移，控制预应力施加顺序和数值，保证屋盖顺利达到结构设计形态。

　　3)根据有限元分析和实际监测结果对比，建议对结构预应力索进行超张拉5%～10%设计内力，减小因构件加工、安装等误差及材料徐变等原因造成的预应力损失，确保屋盖顺利脱离支撑架，使其达到设计形态。