随着经济发展, 大跨度、超复杂的各类建筑如雨后春笋般不断出现。社会对大跨度空间的现实需求, 促使学者和工程师们不断研究既能满足建筑平面、空间、造型和大跨度的要求, 又具有较好的技术经济指标的新型空间结构^[1,2]。

索桁架是一种双层悬索体系, 其由下凹的承重索、上凸的稳定索和竖腹杆组成, 上、下索之间通过竖腹杆连接, 通过张拉使索系绷紧, 从而在索桁架中形成并保持足够张力, 使其具有稳定的形状和较高的承载力。部分索桁架结构体系除设置稳定索和承重索外, 还增设索力较小的连系索, 可提高结构的稳定性^[3]。索桁结构具有体系简单、传力明确、施工方便、建筑造型与结构布置能完美结合等优势, 在很多工程中都已成功应用^[4,5]。

对于大跨度斜拉索桁结构, 索系施工是一个重难点。需要根据工程特点选择合理的张拉方案, 保证其安全性与经济性;另外, 对于柔性结构体系, 在施工过程的每个阶段, 其刚度和平衡状态均会改变, 结构发生内力重分布, 位形也随之改变。该类工程的施工过程通常会进行结构健康监测, 对结构变形和拉索索力进行监测, 以确保结构施工的可靠性, 保证结构的成型状态与原设计相符^[6,7]。

本文针对援柬埔寨国家体育场斜拉索桁结构的施工方案, 采用有限元软件ANSYS对该结构进行施工全过程分析, 确定合理的张拉施工方案, 为工程施工提供可靠依据。

援柬埔寨国家体育场项目为中国政府迄今为止对外援助中规模最大、等级最高的体育场。该项目位于柬埔寨首都金边, 占地面积约16.22hm², 总建筑面积8.24万m², 是一座设计可容纳6万观众的特大型体育场。体育场的设计方案由柬埔寨首相洪森亲自选定, 整体造型恰似一艘帆船, 气势恢宏、姿态优美, 象征着中柬友谊的航船扬帆远行。该体育场建成后将成为柬埔寨最大的综合体育场, 并将作为柬埔寨承办2023年东南亚运动会的主会场。

体育场罩棚体系由人字形吊塔、索桁架、环索、稳定索、斜拉索及环梁、环柱组成的空间斜拉索桁结构, 南北跨度约278m, 东西跨度约270m, 最大悬挑跨度约65m;周圈环柱的柱距约10m, 环梁中部高两端低, 最高点标高39.900m, 最低点标高约26.000m, 均采用现浇钢筋混凝土结构, 如图1所示。

索桁架竖腹杆采用圆钢管截面, 材质为Q345B。所有拉索均采用1 670MPa锌-5%-铝混合稀土合金高钒索, 且设置调节端。拉索、索头材料和规格如表1所示。

斜拉索桁结构总体施工方案为:低空无应力组装上径向索和环索、斜拉索整体牵引提升 (期间组装竖腹杆、下径向索、稳定索及谷索) 、下径向索张拉、谷索张拉就位, 整个过程中应严格监控吊塔变形及应力, 同时调整张拉背索, 当谷索张拉完成, 背索应同步张拉到位, 结构即成型 (见图2) 。

1) 上径向索和环索低空组装 在看台和预设胎架上组装环索、铺设上径向索, 上径向索的两端分别与环索和外环梁连接锚固。斜拉索与环索连接后, 利用起重机械将斜拉索牵引索连接至吊塔相应节点, 并开始提升斜拉索。结构东、西两侧各有18榀索桁架, 每榀索桁架均对应1根斜拉索。为保持索网的空间位形稳定, 36根斜拉索在施工过程中应做到同步分级牵引提升 (见图3) 。

2) 牵引斜拉索, 提升索网 低空组装索网结构在提升上径向索和环索组成的索网的同时, 逐渐将竖腹杆、下径向索、稳定索、谷索在量测误差、调整索长后低空组装就位。初始牵引提升时, 各牵引点提升力应缓慢分级增加, 保证索网结构稳定, 直至斜拉索提升到位 (见图4) 。

3) 牵引斜拉索就位, 继续牵引下径向索, 提升索网 在环梁处安装牵引设备, 同步牵引下径向索的工装索, 整个索网随之继续提升;牵引就位后将下径向索与环梁连接就位, 并拆除工装索 (见图5) 。

4) 下径向索牵引就位后, 同步分级张拉下径向索 在环梁处利用张拉设备分级同步张拉各榀索桁架的下径向索, 与此同时张拉背索使吊塔的受力较平衡, 直至下径向索张拉完成、锚固就位。

5) 同步分级张拉谷索并锚固, 主体结构成型 牵引提升谷索就位, 然后同步分级张拉谷索至设计索力并锚固, 主体结构成型 (见图6) 。

结构施工全过程分析采用有限元软件ANSYS, 考虑到结构具有双重非线性 (几何非线性和材料非线性) 的特点, 分析中考虑几何大变形和应力刚化效应。

拉索采用link8杆单元, 不受压、不受弯、仅受拉;竖腹杆采用link10杆单元。

施工过程主要考虑结构自重。

结构建模基于ANSYS通用分析软件, 结构整体模型如图7所示。

计算采用确定索网静力平衡状态的非线性动力有限元法^[8], 对结构施工过程进行有限元分析, 可得到各关键工况下, 尤其是提升斜拉索到位 (GK1) 、牵引张拉下径向索到位 (GK2) 和牵引张拉谷索到位 (GK3) 这3种关键工况下的索力分布情况。

3种关键工况下各索索力最大值如表3所示。其中, 黑色带下划线的数值为各工况下牵引/张拉设备的荷载。

1) 采用低空组装和空中牵引提升的施工方案, 避免了满堂支架的搭设, 极大地节省了施工费用, 且低空组装提高了组装质量, 减少了高空作业量, 加大了施工安全性;该方法施工速度快, 缩短了工

期, 是安全合理、先进科学的施工方法。

2) 采用确定索网静力平衡状态的非线性动力有限元法, 通过引入虚拟的惯性力和黏滞阻尼力以及系列分析技术, 建立整体结构的非线性动力有限元方程, 将难求解的静力问题转为易求解的动力问题, 很好地解决了存在超大位移和机构位移的索结构施工全过程跟踪分析技术难题。

3) 根据计算结果统计, 斜拉索牵引时最大索力为1 590kN, 最小索力为163.7 kN;下径向索牵引张拉最大索力为1 620kN, 最小索力为484.6 kN;谷索牵引张拉最大索力为265.2kN, 最小索力为92.1kN;背索张拉最大索力为4 212kN。施工过程中据此可选择相应规格的张拉千斤顶。

4) 通过与设计索力对比发现, 在考虑超张拉5%的情况下, 施工完成后的分析索力与设计索力误差在8%以内, 符合要求。