东西湖体育中心位于湖北省武汉市东西湖区吴家山, 金山大道以北、临空港大道以西。该项目由30 000座的体育场、8 000座的体育馆和1 000座的游泳馆组成, 以满足2019年第七届世界军运会和2021年武汉市第十一届运动会以及其他省级、国家级的体育赛事, 并满足赛后综合利用的要求, 满足体育赛事、文艺演出、集会、展示、全民健身的要求, 是集休闲公共空间和运动功能的综合型建筑, 建筑效果如图1所示。

　　 体育场建筑面积22 292m², 地上四层, 整体结构呈“椭圆”形, 椭圆屋盖长轴长237.66m, 短轴长205.9m, 结构标高46.5m, 整体模型如图2所示。体育场上部结构由两大部分组成:1) 下部主体结构采用混凝土框架结构, 看台采用预制, 其余采用现浇;2) 钢结构屋盖采用大开口车辐式索承网格结构。钢结构屋盖设计具体内容可参考文献[1], 根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》 (建质[2015]67号) ^[2]附件1中表5, 体育场属于屋盖超限的高层建筑, 因此该结构需要进行超限可行性论证, 对钢结构屋盖进行施工模拟分析是有必要的, 钢结构屋盖除了需满足使用过程中的安全性, 还需要保证施工过程中的安全性, 同时为施工监测数据提供指导性。

　　 钢结构屋盖为车辐式索承网格结构, 上弦结构由72榀径向梁组成, 径向梁末端为桁架结构;环向主要由1圈外环向梁和1圈内环桁架组成;钢结构屋盖下弦结构由撑杆和拉索组成, 撑杆和上弦结构交接处设置环向次梁。钢结构屋盖结构平面布置图和标准段三维透视示意图以及主要构件截面信息见文献[1]。

　　 根据索承网格结构的受力特性可以将其受力状态分为三个阶段, 即零应力状态、初始预应力状态和各荷载工况组合下的应力状态。在进行各工况受力分析前, 需对其进行初始预应力状态的分析, 该阶段主要包括构件安装和索张拉过程的施工模拟分析, 这也是索承网格结构形式的设计和施工的重难点所在。目前该种结构形式建成并投入使用的仅有徐州市奥体中心体育场屋盖^[3], 其通过施工模拟分析确定了合理的施工方案, 保证项目的顺利实施, 这说明施工模拟分析对于索承网格结构形式是非常重要的。

　　 体育场钢结构屋盖按其结构及受力形式分为索结构、钢网格结构及中间撑杆三个部分, 先安装钢网格结构及中间撑杆, 再安装索结构。钢网格结构在索张拉前无法形成稳定受力体系, 采用“胎架支撑+分段吊装”的总体施工思路, 由于径向构件包含单片桁架, 为了减少高空拼装、焊接作业量, 对桁架单元采用先地面预拼装再整体吊装的方法, 因此径向构件分为径向梁与径向预拼桁架两种类型。

　　 钢屋盖吊装施工流程为:1) 吊装南侧外环梁;2) 搭设径向梁胎架支撑, 吊装径向梁;3) 吊装三跨径向梁后, 跨间安装环向次梁作为侧向支撑;4) 从南侧分别向北侧安装外环梁、径向梁及环向次梁;5) 钢结构吊装完成后, 张拉索;6) 安装马道, 卸载胎架支撑。

　　 外环梁根据吊装设备性能及内隔板位置总共分为72段, 每段长为一个柱间距, 分段点为径向轴线顺时针方向1.5m的位置, 环梁分段示意如图3所示。

　　 径向构件由径向梁和单片桁架组成, 采用在地面预拼装、然后整体吊装, 跨度较大的径向梁中间设置胎架分两批吊装, 跨度较小的径向梁整体吊装, 两种吊装方案示意如图4所示。径向梁吊装最不利工况为中间不设置胎架, 整体吊装, 吊装长度约29m, 设置4个吊点, 经验算, 径向梁最大变形为27mm<L/400=72.5mm (L为径向梁跨度) , 最大应力为96MPa, 均满足《钢结构设计标准》 (GB 50017—2017) ^[4] (简称钢结构设计标准) 要求。

　　 根据钢结构屋盖的结构体系, 结合总体安装思路, 采用MIDAS Gen软件建立施工过程分析模型, 分析主要安装阶段对应的应力与变形, 吊装主要过程模型如图5所示。由各吊装施工阶段分析可知, 结构应力和位移均在结构完全卸载后为最不利工况, 结构杆件产生的最大拉应力为59MPa, 最大压应力为96MPa, 满足钢结构设计标准关于强度的要求;最大竖向位移为30mm, 满足钢结构设计标准关于挠度的要求。结构在各施工阶段及安装完成后, 应力水平均较小, 有较大的安全储备。钢结构屋盖施工模拟在构件自重作用下的位移和应力云图如图6, 7所示。

　　 本工程的结构体系决定了其施工方案的特殊性。合理选取初始张拉力, 制订合理的张拉工艺, 控制支撑构件及屋面的侧向变形及竖向挠度, 尽量减小重复张拉次数, 确保施工顺序顺利进行。初始张拉力控制原则为:索初始张拉应力控制在 (0.1～0.25) f_yk之间, 最不利荷载组合下最小拉应力>0.05f_yk, 最不利荷载组合下最大拉应力<0.5f_yk, 其中f_yk为索的屈服强度标准值。

　　 施工全过程模拟分析采用MIDAS Gen软件, 采用施工步模拟进行一步一步展开计算分析, 钢结构临时支撑 (胎架) 采用只受压单元, 屋面构件采用梁单元, 索采用只受拉单元, 部分铰接节点采用梁端释放约束来实现。主要荷载包括结构自重 (软件自动计算) 、索自重 (软件自动计算) 和索夹重量 (g=20kN) , 通过设置初始张拉力来模拟索张拉, 通过施加温度荷载使工装索变短实现索提升。

　　 索系安装采用径向索整体提升的方案, 共72根径向索, 分成两批提升, 第一批共有38根径向索, 第二批共有34根径向索。张拉径向索, 采用多点同步、分级张拉的整体张拉方案, 径向索分级、同时同步、循环张拉, 环向索被动张拉提升, 索张拉示意如图8所示。

　　 索安装施工流程为:1) 索系地面铺放与拼装;2) 第一批径向索整体提升;3) 第一批径向索索头就位;4) 径向索施加30%初拉力, 使第一批径向索与相应的撑杆连接;5) 按以上步骤安装第二批径向索;6) 边张拉、边就位环向索索夹, 直到环向索索夹全部与撑杆相连;7) 张拉完成后, 安装环向索索夹处斜腹杆;8) 拆除钢结构临时支撑架。

　　 根据索张拉流程, 采有MIDAS Gen软件建立施工过程分析模型, 施工过程分析划分为六个工况, 具体如下:1) 工况1:第一批径向索索头就位, 撑杆未连接;2) 工况2:第一批径向索施加30%初拉力, 使之与撑杆连接;3) 工况3:72根径向索与撑杆连接, 第二批径向索施加30%初拉力;4) 工况4:72根径向索施加70%初拉力;5) 工况5:72根径向索全部施加至其100%初拉力;6) 工况6:钢结构临时支撑架拆除。

　　 工况1～6下整体结构的位移和构件的内力如表1所示。通过表1可知:1) 工况1和工况2下屋盖整体结构的竖向 (Z向) 位移较大, 主要是环向索索夹未就位, 工况3和工况4下环向拉索边张拉边就位, 张拉完毕后, 屋盖整体结构的竖向位移趋于正常, 结构位移局部下挠51mm, 拆除支撑架后, 径向索和环向索的内力重分布, 导致屋盖整体结构的竖向位移局部位置继续向下加大, 局部位置向上变为反拱;2) 以上施工过程钢构件的最大应力为154MPa, 满足钢结构设计标准规定的应力限值。

　　 为了做对比分析, 将上述工况2～5的分级张拉改为一次张拉, 施工模拟工况为:1) 工况一:径向索索头就位, 撑杆未连接;2) 工况二:第一批径向索张拉至100%初拉力, 与撑杆连接;3) 工况三:第二批径向索张拉至100%初拉力, 与撑杆连接;4) 工况四:钢结构临时支撑架拆除。

　　 第二种张拉方案的屋盖整体结构的位移和构件内力如表2所示。

　　 由表2可知, 钢构件和索内力最大值出现在第一批径向索张拉完成后, 待两批径向索张拉完成后, 屋盖整体结构内力较第一批索张拉完成有所降低;与表1中数据相比, 两种张拉方案的最终状态屋盖整体结构的位移和构件内力相差较小。

　　 张拉完成后, 部分钢构件脱离胎架支撑, 部分钢构件会继续往下发生变形 (拆除胎架支撑后) , 这主要是由于屋盖构件内力发生内力重分布引起的, 屋盖张拉完成后在钢结构自重作用下的平衡状态在建筑外形允许变化的范围内, 同时也满足钢结构设计标准关于位移控制的要求, 索内力满足设计控制的初拉力要求。

　　 (1) 钢结构屋盖吊装完成而索未张拉前, 对于跨度较大的径向梁, 需要增加中间胎架支撑, 这样能降低吊装过程中构件的应力和安装完后构件的变形。

　　 (2) 按照预定的钢屋盖吊装方案, 经计算模拟分析, 吊装过程中构件内力和变形均满足钢结构设计标准的要求。

　　 (3) 索张拉采取张拉径向索、环向索被动提升的方案, 张拉过程中索内力未出现突变情况。

　　 (4) 通过两种索张拉方案的比较分析, 径向索的分批分级张拉方案, 钢构件和索的内力最大值均出现在张拉完成后, 而分批一次性张拉方案, 钢构件和索的内力最大值出现在第一批张拉过程中。

　　 (5) 体育场屋盖构件和索的设计截面除了能满足使用过程中的要求外, 还能保证施工过程中的安全性, 从分析结果可以知道, 合理的施工方案对施工过程构件受力有影响。