1 工程概况

　　1.1 工程简介

　　援柬埔寨体育场项目位于柬埔寨首都金边市，占地面积16.22万m²，总建筑面积8.24万m²，是一座6万座特级体育场，包括运动场地、看台、功能用房、体育智能化系统及体育场相关附属设施。体育场共5层，看台为框架结构，屋盖为斜拉柔性索桁罩棚结构。

　　1.2 斜拉柔性索桁罩棚

　　体育场罩棚采用斜拉柔性索桁结构，上覆PTFE膜材。整个屋盖结构体系由环梁、索塔、斜拉索、背索、环索、径向索桁架、谷索和稳定索组成，是一种新型索杆张力结构形式，在国内外属首次应用，体育场罩棚如图1所示。

　　

　　图1 体育场罩棚示意  

　　 

　　体育场建筑面积近似圆形，南北跨度278m，东西跨度270m，索塔高99m，罩棚最高50.5m，最大悬挑65m。通过南北索塔连接的斜拉索，吊起东西两侧的月牙形罩棚，并在索塔后方设置背索。每侧月牙罩棚由18榀索桁架、1道内环索、3道竖向交叉稳定索、1道下弦稳定索以及1道谷索组成。

　　1.3 索结构特点及关键技术

　　目前，国内外工程上的柔性索杆张力结构大多属于索穹顶结构或环形索桁结构，而本工程罩棚结构为吊索与索桁架组合体系，在较常见的索桁架结构体系中又引入了吊索的作用。结构体系充分体现了索桁架自重小、刚度大以及斜拉结构采用索塔可实现更大跨度的特点。

　　整个索网、环梁和索塔形成整体受力体系，结构内圈为受拉环索，环索的拉力由径向索桁架传递到环梁，使外环梁形成受压环。同时，东、西两侧环索通过吊索与索塔连接，在索塔后方设置背索以保证索塔受力平衡，斜拉柔性索桁结构受力如图2所示。

　　

　　图2 斜拉柔性索桁结构受力示意  

　　 

　　以上特点导致本工程罩棚结构在建造技术方面面临诸多复杂的技术难题，具体包括以下方面。

　　1)如何进行结构成型过程的形态控制索杆张力结构一般采用地面拼装再整体牵引提升的施工方法，但索杆系统为柔性结构，提升过程中结构形态变化大，易引起钢绞线损伤(局部塑性变形、散丝、跳丝等)和节点破坏，甚至还会出现索桁架整体翻转失稳现象。因此，合理选择提升构件、确定提升批次和顺序、分析确定系统的合理提升速率等都是研究重点。

　　2)如何制定构件加工安装误差标准索杆张力结构预张力偏差的影响因素众多，研究表明构件加工和安装误差是主要因素。因此，有必要研究各类构件加工安装偏差对此类新型斜拉索桁结构预应力偏差的敏感度和大小的影响，明确构件加工和安装误差的限值标准。

　　3)如何有效进行张拉控制索杆张力结构的预张力只能通过张拉数量有限的索单元来建立，而大多数构件只能被动张拉。研究表明，选择不同的张拉索以及按定长或定力张拉，对于整体结构预张力偏差的控制效果是不同的，这也是张拉方案制订的重要依据。因此，针对此类新型斜拉索桁张力结构，如何合理选择主动张拉索、如何进行分级分批张拉、评价定长控制和定力控制的优劣等都是研究的重点。

　　4)结构形态和预张力偏差都需通过合理的监测方案获得虽然当前在结构形状测量、内力(索力)传感和设备采集方面的技术发展迅速，但是在如何制定监测的目标、内容，测点布置以及结构性能评价等方面，仍需结合特殊的结构性能研究。

　　针对以上技术难题，采用理论分析和模型试验相结合的方法开展研究，以期为工程的实施提供理论基础和技术支撑。

　　2 模型试验

　　2.1 模型缩尺比例

　　综合考虑试验场地、试验精度、加载条件等因素，确定体育场斜拉柔性索桁罩棚结构试验模型的几何相似比为S_L=L_m∶L_p=1∶15(其中，m,p分别表示模型结构和实际结构)。同时，确定试验的内力及荷载相似比为S_P=T_m∶T_p=1∶500。索桁架系统各参数相似关系如表1所示。

　　  

　　表1 索桁系统各参数的相似关系 

　　 

　　 

　　

　　表1 索桁系统各参数的相似关系

　　2.2 模型试验构件选型

　　考虑到外围钢筋混凝土结构施工养护的复杂性，试验模型以钢结构进行相似替换，模型总体上可分为索桁结构、吊索与背索系统及外围钢结构(含索塔) 3部分。基础采用连续的环形工字钢梁模拟，为提高基础环梁的抗扭刚度，沿基础环梁径向间隔布置工字钢短梁，模型轴测图及模型试验现场如图3,4所示。

　　

　　图3 模型轴测图  

　　 

　　

　　图4 模型试验现场 

　　 

　　由于索塔为不规则的变截面钢筋混凝土筒体结构，模型以变截面H型钢按刚度相似原则替换，索塔模型尺寸如图5所示，具体尺寸为:截面1,H300×200×8(12);截面2,H400×300×8(12);截面3,H500×300×8(12);截面4,H600×400×8(12);截面5,H700×450×8(12);截面6,H700×450×8(12);截面7,H500×250×8 (10);截面8,H600×350×8(12)。

　　

　　图5 索塔模型尺寸示意(单位:m) 

　　 

　　2.3 试验模型的有效性分析

　　采用ANSYS软件对试验模型和实际结构模型进行有限元分析，对比两个模型在初始状态和荷载状态下内力、变形的比例关系。通过比较试验模型和实际结构模型的计算分析结果，根据相似性分析所确定的各类参数缩尺比例正确，缩尺后的试验模型能有效反映实际结构的力学性能，构件的强度及稳定性经验算均满足设计要求。

　　2.4 模型试验测量方案

　　1)测量内容(见表2)

　　  

　　表2 模型试验测量内容 

　　 

　　 

　　

　　注:还应包括张拉成型过程中节点形状跟踪测量

　　表2 模型试验测量内容

　　2)测点布置和测量仪器选择

　　根据测点宜集中、有代表性、方便测量和校核的布置原则，结合测试内容、仪器数量及结构对称性等因素，共布置静载下节点竖向位移测点16个，张拉成型中节点几何测点72个，索力测点114个;每个索塔应力测点16个;环梁应力测点10个，环柱应力测点12个。测量仪器选择如表3所示。

　　  

　　表3 测量仪器选择 

　　 

　　 

　　

　　表3 测量仪器选择

　　2.5 加载和张拉方案

　　2.5.1 加载方案

　　试验通过在下径向索节点用钢丝绳悬挂砝码进行加载。下径向索节点总数(包括环索节点)为144个，扣除位于环梁锚固端节点数36个，实际加载节点数为108个。

　　根据体育场结构设计要求，确定模型试验的静力加载工况组合为:(1)恒载;(2)恒载+满跨活载;(3)恒载+东西半跨活载;(4)恒载+南北半跨活载。

　　因此，具体的试验加载步骤为:(1)全跨施加14倍自重等效集中荷载;(2)全跨施加恒载等效集中荷载;(3)半跨施加活载等效集中荷载;(4)全跨施加活载等效集中荷载;(5)一次性卸下全部荷载。

　　2.5.2 张拉方案

　　背索的张拉采用RCH-123型液压空心千斤顶，上下径向索、吊索及环索通过人工用扳手拧索头端部螺母进行张拉，张拉过程的索力通过背索上的压力传感器确定。

　　在索桁系统提升成型后，制订张拉控制方案，合理选择主动张拉索和被动张拉索，以有效控制系统的初始预张力，满足设计要求。根据本工程索桁体系特点，主动张拉索可选择径向索、吊索和背索。模型试验中，重点对以下7种张拉控制方案进行理论分析和试验研究:(1)所有索均按原长安装;(2)主动张拉背索，原长安装吊索+环索+上径向索+下径向索;(3)主动张拉环索+背索，原长安装吊索+上径向索+下径向索;(4)主动张拉上径向索+背索，原长安装吊索+环索+下径向索;(5)主动张拉下径向索+背索，原长安装吊索+环索+上径向索;(6)主动张拉上径向索+下径向索+背索，原长安装吊索+环索;(7)主动张拉吊索+背索，原长安装环索+上径向索+下径向索。

　　3 预张力偏差控制技术

　　3.1 张拉控制目的

　　作为一种索杆张力结构，本工程斜拉柔性索桁罩棚结构须依靠施加在结构中的预张力来维持设计形态的稳定性并获得承载刚度。预张力的合理确定是该罩棚结构设计的关键工作，如何按设计要求确定结构预张力也是该工程施工面临的关键技术问题。

　　由于本工程罩棚结构的构件数量众多，考虑到施工经济性及可操作性，只能对有限数量的索进行“定力”张拉(即为“主动索”)，其余构件仍按加工长度组装并进行被动张拉(即为“被动构件”)，两者选择不同，张拉控制对结构预张力偏差的影响也有较大差异。因此，所选择的主动索是否能有效控制预张力偏差，是评价张拉方案优劣的重要标准。本工程斜拉柔性索桁罩棚结构的张拉控制技术研究主要包括以下内容。

　　1)定量分析选择不同主动索对结构整体预张力偏差的控制效果。

　　2)对于特定的张拉方案，研究各类构件预张力偏差的控制水平(统计学指标)，为结构构件加工、安装精度控制及验收提供技术支撑。

　　3.2 张拉方案对结构整体预张力控制效果分析

　　根据目前类似工程的施工经验，本工程斜拉柔性索桁罩棚结构的张拉方案基本为环索、吊索、上径向索、下径向索和背索的单独张拉或组合张拉，可能存在31种主动索的组合方式，针对不同张拉方案，分析其对预张力偏差的控制效果，可得出以下结论。

　　1)仅张拉背索对结构整体预张力偏差的控制效果最不利。

　　2)张拉索数量越多，对结构预张力偏差的控制效果越好。

　　3)单独张拉上径向索或下径向索对结构预张力偏差的控制效果小于单独张拉吊索。

　　4)同时张拉吊索和上径向索(或下径向索)可大幅度降低结构的预张力偏差水平。

　　5)吊索能最有效减小预张力偏差。而对于背索，由于其与其他索的预张力相关性较小，须独立张拉才能控制结构预张力偏差。

　　根据以上预张力偏差的数值分析结果，重点对7种张拉控制方案进行研究。模型分区及索力测点布置如图6所示。

　　

　　图6 模型分区及索力测点布置  

　　 

　　对7种张拉控制方案的数值计算结果和试验测试数据进行分析，得出以下结论。

　　1)原长安装造成的结构预张力偏差最大，须进行主动张拉控制。

　　2)背索预张力与其余索预张力的相关性很弱，应单独进行张拉控制。

　　3)在控制背索内力的前提下，主动张拉环索至设计预张力，对其余各索内力影响很小，说明仅张拉环索无法有效控制结构整体的预张力偏差。

　　4)主动张拉径向索对结构整体预张力偏差的控制效果比主动张拉背索和环索的控制效果更明显。

　　5)在控制背索内力的前提下，主动张拉吊索至设计预张力，对其余各索内力影响均较大。结构整体预张力偏差水平均得到显著降低(大部分在10%以内)。这说明结构整体预张力偏差与吊索预张力的关联性最强。因此，重点控制吊索预张力偏差是非常必要的。

　　6)施工时，并不一定要求对主动索进行同步张拉，而需保证主动索的最终内力符合设计预张力的要求。在进行可靠施工张拉模拟的前提下，可采用分级分批张拉的方法来减少千斤顶数量，降低张拉工装成本。

　　综上分析，建议本工程罩棚结构采用主动张拉背索、吊索至设计预张力的张拉控制方案。为更主动地控制上、下径向索的误差，也建议在吊索和背索张拉结束后卸除其张拉设备和工装，然后用于上、下径向索的索力偏差调整，是一种既经济又可靠的做法。

　　此外，根据“3σ原则”，对7种方案下拉索各构件预张力的最大允许相对偏差进行计算分析，为本工程罩棚结构预张力偏差验收标准的制定提供以下参考建议。

　　1)工程实施中，应按规范要求严格控制构件的加工误差、索塔和周边支承结构的安装偏差。施工张拉前应对以上偏差值进行测量复核。此外，应将主要拉索设置为长度可调索，以便通过调节其长度来修正支承结构的安装偏差。

　　2)应进一步综合考虑现场张拉设备的控制和测量精度的影响。

　　4 荷载态性能试验

　　本工程斜拉柔性索桁结构主要为膜结构屋面提供支撑，以承受柔性屋面的恒荷载和活荷载。因此，须进一步对斜拉柔性索桁系统进行静载试验，以考察其在静力荷载作用下的受力性能。

　　由罩棚结构相似性分析的有关内容可知，缩尺模型构件自重与实际结构的构件自重比值为A_mL_mρ_m/A_pL_pρ_p=E_pL_mρ_m/500E_mL_pρ_p，不能满足1∶500的荷载比。为保证缩尺模型自重和实际结构自重的比值与1∶500的荷载比相同，理论上应对缩尺模型的材料密度进行一定程度的放大(约14倍)，但实际上很难实现。因此，本试验通过在下径向索节点施加14倍自重的等效集中荷载来模拟缩尺模型应放大的材料密度效应。

　　综合考虑设计工况和模型缩尺比例，确定模型试验的加载方案为:(1)14倍自重;(2)14倍自重+满跨恒载;(3)14倍自重+满跨恒载+BD半跨活载;(4)14倍自重+满跨恒载+AB半跨活载;(5)14倍自重+满跨恒载+满跨活载。

　　静力加载试验竖向位移和应变测点布置如图7,8所示。

　　

　　图7 静力加载试验节点竖向位移测点布置  

　　 

　　

　　图8 静力加载试验环柱、环梁应变测点布置  

　　 

　　在上述5种荷载工况下，对测得的构件内力和测点节点的z向位移进行统计，并对比分析试验测试结果与理论计算结果，可得到以下结论。

　　1) 5种荷载工况下，大部分构件内力和节点位移实测值与理论值相符，说明加载试验的测试结果可有效反映实际结构的受力性能。

　　2)与荷载工况(2)对比，当荷载工况(3)中索塔一侧罩棚作用半跨活荷载(如东侧半跨活荷载)时，另一侧罩棚(西侧)的构件内力变化非常小，变化幅度在2%以内，说明作用在索塔单侧罩棚上的荷载效应基本不传递到另一侧罩棚上。

　　3)对比荷载工况(2)和(4)的测试结果，当索塔两侧罩棚上各作用北侧半跨活荷载时，对南半跨的构件内力影响在10%左右。

　　4)分析荷载工况(1),(2),(5)的测试结果可发现，随着荷载值不断增大，环索、上径向索、1～4号吊索和1～4号下径向索(见图6)的内力减小，而背索、5～9号吊索和5～9号下径向索的内力增大，符合理论分析的结果。

　　5) 5种工况下，索桁架跨中9～16测点的位移实测值与理论值较吻合，特别在加载量较大的情况下。环索上距索塔较近的部分测点位移较理论值偏小，考虑是由于靠近索塔的几榀索桁架预张力偏大造成。此外，环索中部位移测点(4～8)的实测值普遍较理论值偏大，猜测是吊索的实际弹性模量略小于理论值造成。

　　6)由于外加恒载和活载在索塔、环梁和环柱中产生的内力增量很小，故本次加载试验在这些构件上测得的应变增量也非常小。

　　7)从试验结果来看，本工程斜拉索桁罩棚结构具有良好的刚度和承载力，荷载状态下结构的非线性反应并不显著。加载试验测试结果和理论分析结果吻合良好，说明结构设计所采用的计算模型和分析方法有效和可靠。

　　5 施工成型技术

　　5.1 施工成型方案设计的基本原则

　　实现斜拉柔性索桁罩棚结构成型是本工程诸多技术难题的首要难题，一般对于类似结构，其施工成型方案应遵循以下原则。

　　1)斜拉索桁罩棚结构可采用地面拼装，整体牵引提升的施工成型方案，可节省搭设高空拼装平台的费用。

　　2)利用索塔和环梁锚固端处的千斤顶，通过张拉(收缩)辅助索分别牵引吊索、上下径向索，使整体结构提升到设计形态。

　　3)由于提升过程中索杆系统位移变化较大，因此，合理的成型方案应满足:提升过程中系统形态变化缓和，形状无突变，避免因过大的相对变形引起钢索损伤(局部不可恢复变形、散丝、跳丝等)和节点破坏;成型过程中，索桁架不出现平面外的失稳;避免较薄弱的耳板连接因构件间的大转角发生破坏。

　　5.2 建议成型方案

　　采用数值方法对本工程斜拉柔性索桁罩棚结构的多种施工成型方案进行模拟。结合以上原则，经综合分析和比较，建议采用以下方案。

　　1)在距离地面2m高的胎架上铺设环索。

　　2)组装环索、上径向索和吊索并连接至环梁和吊塔锚固节点。

　　3)预提升索。牵引上径向索和吊索，并提升环索脱离胎架至合适高度停止牵引。

　　4)上径向索牵引到位。继续牵引上径向索至环梁锚固端。

　　5)吊索牵引到位。牵引上径向索和吊索以提升整体结构，直至所有吊索牵引到位。

　　6)整体结构组装。组装索桁架撑杆及下径向索，连接稳定索和谷索。

　　7)下径向索牵引到位。张拉辅助索，牵引下径向索至环梁锚固端。

　　通过对本工程新型斜拉柔性索桁罩棚结构施工成型过程进行数值模拟和试验分析，形成以下结论和建议。

　　1)缩尺模型的提升试验结果和数值分析的结果吻合良好，且在提升试验过程中索桁架形态变化平稳，未出现平面外倾覆失稳现象，表明提升方案可行。

　　2)牵引提升初期，先不安装撑杆及下径向索，当环索节点提升至15m左右时，再进行撑杆和下径向索的安装，以保证此后整个结构的提升形态保持平稳。

　　3)建议在吊索牵引到位时，将环索、交叉稳定索、下稳定索与索塔及环梁相连。因边榀索桁架离索塔较远，距此时刻过早或过晚，都很难将定长的环索、交叉稳定索和下稳定索连接到索塔及环梁上。

　　4)在整个牵引提升过程中，环索、径向索和吊索的内力基本上均呈增长趋势。在上径向索牵引提升的最后一步以及下径向索张拉阶段，索内力增长最快。提升过程中，吊索索力最大值约为50k N，上、下径向索索力最大值约为200k N。部分索力较小的索，施工时可使用手拉葫芦进行张拉牵引。

　　5)因提升过程中罩棚结构变形较大，为避免节点破坏，环索节点应设临时连接，在上径向索张拉牵引完毕或接近成型时再进行永久连接。

　　6 结语

　　本文对援柬埔寨体育场1∶15模型试验对本工程的实践意义进行探究，从模型试验设计的合理性、试验方案的有效性论证了模型的正确性，从本工程斜拉柔性索桁罩棚结构张拉控制技术、荷载态性能试验及施工成型技术等方面进行进一步研究，基于理论模拟分析及模型试验验证，对本工程实施过程中的张拉成型方案、构件加工安装偏差验收标准等方面提出合理化建议，为本工程斜拉柔性索桁罩棚结构的顺利实施提供了理论和技术支撑。