[摘要] 國家速滑館工程大跨度馬鞍形單層正交索網，是目前世界上類似結構中跨度和規模最大的索網結構，其拉索數量多、內力大，均采用雙索設計，且拉索提升張拉過程中支座水平可滑動，索網提升、張拉施工難度大。針對這一技術難題，本文提出了“定長拉索地面編網、承重索整體提升、穩定索張拉成形”的總體施工方案和定長索安裝理念，通過全過程施工仿真分析進行索長設計和支座預偏值設計，開發出拉索兩端可調的誤差消納措施并據實進行索長修正，最終研究總結出包括基于預應力態的定長索安裝、地面編網和分階段、分步驟、等位移整體提升張拉形成預應力態等技術的大跨度馬鞍形單層正交索網結構整體提升張拉施工關鍵技術，并成功指導了國家速滑館工程實踐。

[關鍵詞] 馬鞍形；單層正交索網；整體提升；整體張拉

 

　　國家速滑館項目，又稱“冰絲帶”，是2022冬奧會標志性場館，可實現速度滑冰、大道速滑、花樣滑冰等所有冰上運動。

 

1 工程概況

　　國家速滑館屋蓋結構為大跨度馬鞍形單層雙向正交索網結構，平面投影大致呈橢圓形，南北向最大跨度198m，東西向最大跨度124m，標高為15.800m~33.800m，生根于碗狀看臺頂部的周圈鋼結構環桁架上，環桁架外側設置幕墻拉索。承重索和穩定索都采用雙索結構，承重索直徑Ф64mm，數量為98根；穩定索直徑Ф74mm，數量60根；幕墻索直徑Ф48mm、Ф56mm兩種，數量120根；索結構索體總長度約20410m，總重量約968t。如圖1所示。

圖1

　　本工程的馬鞍形單層正交索網，是目前世界類似工程中結構跨度和規模最大的索網結構，拉索數量多、內力大，均采用雙索設計，施工難度大；而且，在索網提升張拉過程中，環桁架支座可水平自由滑動，外圈幕墻索被動張拉到位，進一步增加了施工難度。

 

2 安裝方法選取

2.1 安裝方法比較

　　調研類似工程實踐對索網安裝方法進行總結歸納，比較地面組裝整體提升法和索網高空組裝法兩種安裝方案的優缺點進行安裝方法選取，優缺點如下：

　　（1）索網地面組裝整體提升張拉法

　　優點:基本都在地面操作，施工效率高、施工周期短，安全隱患少。

　　缺點：需要占用中心場地，要對預制看臺進行保護，對索體進行保護。

　　（2）索網高空組裝法

　　優點：全部高空操作、不占用中心場地，不需對預制看臺進行防護，索體保護量工作小。

　　缺點：索體、索夾均在高空安裝，施工效率低，安裝周期長，安全風險高。

2.2 幕墻索和支座水平約束影響

　　為了研究幕墻索和支座水平約束對屋面索網的影響，分別進行了幕墻索先裝、幕墻索被動張拉、支座水平約束全部固定、全部釋放和部分釋放等工況仿真分析。根據分析結果可知：

　　（1）幕墻索對索網和環桁架內力和位形影響較小；

　　（2）支座水平約束對斜柱內力影響較大，對短軸方向斜柱受力有利、長軸方向斜柱受力不利；水平約束對環桁架內力分布影響較大，部分桿件內力反號，但應力比均很小。

　　（3）支座部分約束工況為最不利工況，約束哪個支座、哪個支座的反力就會很大。

2.3 結論

　　結合工程實際，綜合考慮技術先進性和經濟合理性原則，國家速滑館屋面索網結構最終選取地面組裝整體提升法進行索網結構施工，即采取“地面編網、提升承重索整體就位、張拉穩定索形成預應力態，幕墻索被動受力、支座可水平約束全釋放”的總體安裝方案。

 

3 施工仿真分析

　　馬鞍形單層雙向正交索網結構的施工方法與常規預應力鋼結構施工不同，其結構成形過程是一個由機構到結構的轉變過程，內力變化復雜。因此，必須進行全過程施工仿真分析，確定每一個關鍵施工步對應的拉索內力、節點變形、邊界節點位移等關鍵技術參數的理論值；校核索網張拉成形狀態與設計初始預應力狀態的一致性；進行張拉過程可變支承結構預變形設計；同時為施工過程監測提供目標依據；保證索網施工安全。

3.1索力復核

　　根據施工部署，施工模擬分析分提升和張拉兩個階段、共37步進行。將分析結果跟設計值進行比較，判斷方案的合理性，進而確定索網張拉就位時拉索索力和位形。表1為張拉完成后的索力比較，圖2為張拉完成后的豎向位形比較。

表1： 索力比較

圖2： 豎向位形比較

　　從上述分析結果可知，拉索索力相對設計值最大偏差為30KN，最大相對偏差1%；索網豎向變形相對設計值最大偏差為19mm，最大相對偏差1/10421；施工模擬結果與設計初始預應力態一致。

　　因此，前面選定的的索網提升張拉施工方案是可行的。同時，模擬分析確定的索網張拉完成后的索力，既是索網張拉就位索力控制的標準，又索網張拉施工過程中監測的依據。

3.2 索長設計

　　根據仿真分析結果，結合設計文件，提取索網初始應力態下的拉索長度及索力作為拉索下料長度及對應索力，索長值及標記索力如表2所示。

表2： 拉索下料長度和標記索力

3.3 支座預偏值設計

　　由于索網張拉過程屋蓋支座的水平約束對其下方斜柱和環桁架內力影響較大，因此國家速滑館索網結構提升和張拉過程中環桁架48個球鉸支座的水平約束全部釋放，即在索網提升和張拉過程中支座可以水平滑動。通過全過程施工仿真分析，得出48個支座的滑動軌跡。圖3為典型位置的支座滑動軌跡。

圖3： 典型部位支座滑動軌跡

　　根據仿真分析確定的支座運動軌跡，反推出48個支座的預偏值。考慮到結構1/4對稱，只列出ZZ1～ZZ12共12個支座預偏值，如表3。將支座的預偏值導入到工程的整體坐標系中，得出48個支座提升張拉前的坐標，作為支座施工的依據。

表3： 支座預偏值(mm)

　　另外，為了保證索網提升和張拉過程中整個屋面索網結構支座滑動受控，提出了對長軸方向4個支座進行限位的處理方案。

 

4 誤差消納措施

　　由于環桁架拉索耳板在卸載前已經焊接完成，考慮到安裝誤差和卸載變形影響，其連接耳板的銷孔中心與拉索銷軸孔中心必然存在一定的誤差。同時，拉索加工過程也存在一定的誤差。因此，必須采取措施消納這些誤差。

4.1 索長兩端可調

　　分析發現，拉索加工和安裝過程中的誤差，最終表現為索長的誤差。同時，考慮到索網形心與結構形心對中的原則，提出索頭兩端可調的誤差消納理方案，每端可調距離為100mm。另外，由于承重索和穩定索通過索夾交叉連接形成屋面索網，考慮構造空間的要求，承重索和穩定索的調節螺桿位置分兩種類型，類型A調節螺桿靠近索頭，類型B調節螺桿靠近第一個索夾節點，如圖4所示。

圖4： 典型兩端可調拉索做法

4.2 限定拉索耳板偏差

　　利用有限元軟件分別對單個、間隔及全部拉索耳板施工偏差導致索網預張力的影響進行仿真分析，提出拉索連接耳板的允許偏差為：環桁架上拉索連接耳板位置允許偏差應不大于10mm；同一根拉索兩錨固端間距的允許偏差應不大于L/5000和±20mm中較小值；屋面索網同一軸線的兩根鋼拉索相鄰連接耳板間距誤差應為正偏差，誤差應不大于5mm。

 

5 拉索長度修正

　　索網提升前，對環桁架拉索耳板的空間位置進行復測，根據測量結果和拉索理論長度，調整承重索和穩定索調節螺桿長度，抵消環桁架和拉索耳板的施工誤差，完成拉長度偏差調整，如表4所示。

表4： 拉索長度偏差修正值

 

6 主要施工工藝

6.1地面編網

　　地面編網時，采用吊車和放索盤鋪放承重索和穩定索，關鍵施工技術如下：

　　（1）在看臺和場地內鋪設放索通道并做好看臺防護，如圖5所示。

圖5

　　（2）采用汽車吊和放索盤將承重索在場內鋪放到位，安裝下半部分索夾，夾持住承重索，如圖6所示。

圖6

　　（3）采用汽車吊和放索盤將穩定索在場地內鋪放到位，安裝上半部分索夾，夾持住穩定索，如圖7所示。

圖7

　　（4）安裝幕墻索

　　在場內地面編網的過程中，屋面環桁架滑移就位后，安裝幕墻索。

　　幕墻索上端固定于頂部的鋼結構環桁架上，下端固定于主體結構首層頂板外圈懸挑梁端，采用定長索安裝就位；每次同時安裝8根幕墻索，從兩端向中間依次對稱安裝；大部分幕墻索的索力較小，直接安裝，端部的24根幕墻索索力較大，借助張拉工裝安裝就位，如圖8。

圖8

6.2 提升承重索整體就位

　　屋面環桁架滑移就位、地面編網完成并驗收合格后，進行屋面索網的提升承重索整體就位工作，其關鍵施工技術如下：

　　（1）提升點設計

　　國家速滑館屋面索網的承重索共49榀，其東西兩端均設置提升點，共98個提升點。根據施工仿真分析結果配置提升點的千斤頂和提升鋼絞線：中間43榀承重索兩端的提升點各布置2臺千斤頂，配備2根φ28的鋼絞線；南北兩端各3榀承重索兩端的提升點各布置1臺千斤頂，配備1根φ28的鋼絞線；提升點設計如圖9所示。各提升點相對最大提升力的提升設備能力系數2.17～4.43。

圖9

　　（2）提升工藝

屋面索網提升，分預提升和正式提升兩個階段進行。

　　①預提升時，整個索網整體離開地面（即FOP平臺）20cm后，懸停12h觀察整個提升系統工作的可靠性，懸停結束后即進行正式提升階段。

　　②正式提升時，分前期和后期兩個階段進行。

　　前期階段，由于索網沒有剛度、同步性要求不高，每提升1米作為一個提升階段，檢查環桁架支座變形和索網變形情況。

　　后期階段，隨著承重索兩端距提升就位點距離縮短、承重索拉力的增大，對同步性要求逐步提高；南北兩端的提升就位的承重索立即插上銷軸。當承重索兩端距提升就位點距離約300m時，每100mm作為一個提升階段，每步提升20mm，保證對稱、同步提升就位。施工過程圖片如圖10。 

 

圖10： 索網提升

6.3 整體張拉穩定索形成預應力態

　　提升就位后，進行索網的整體張拉穩定索形成預應力態施工，其關鍵施工技術如下：

　　（1）張拉點設計

屋面索網穩定索共49榀，其南北兩端均設置提升點，共60個張拉點。根據施工仿真計算結果，得到每個張拉點在最不利工況下的最大張拉力，進而配備張拉設備。穩定索張拉施工時，每個張拉點均配備2臺250t千斤頂和2根φ65的鋼拉桿，如圖11。各提升點相對最大提升力的提升設備能力系數2.17～4.43。

圖11： 張拉點設計

　　（2）張拉工藝

　　張拉過程分為初張拉和穩定張拉兩個階段。同步張拉最大距離約為370mm。初張拉連續一次張拉完成；穩定張拉分為8步張拉完成，每步張拉距離為30mm。

　　①初張拉階段：初張拉按照每步等位移30mm進行；張拉距離短的索先張拉到位、并穿銷軸固定，確保施工安全。

　　②穩定拉階段：穩定索通過初張拉建立了較為穩定的初始預應力后，進行穩定張拉。穩定索的最大張拉距離為250mm，每步張拉30mm，分8步完成張拉。張拉距離短的索先張拉到位、并穿銷軸固定；中間部位張拉距離最大拉索張拉到位并穿銷軸固定，完成張拉施工。

　　整體張拉穩定索形成預應力態如圖12所示。

圖12： 整體張拉形成預應力態

   

7 施工監測

　　為了確保工程在整個施工過程中的安全性，對索網結構進行施工監測，監測內容包括穩定索索力和索網位形。

　　（1）穩定索索力：張拉過程中，穩定索索力控制直接關系到結構的成形狀態，因此對穩定索的索力監測至關重要。穩定索共30榀，設60個索力監測點，通過千斤頂的壓力傳感器進行監測，索力監測結果如圖13所示，監測索力與理論索力誤差最大的絕對值為8.99%，小于《國家速滑館索結構施工質量驗收標準》要求10%。

圖13：索力實測值與理論值對比圖

　　（2）位形測量：包括索網的位形測量和環桁架耳板的位置測量；選取環桁架和索網變形比較大的位置作為位形測量的控制點，其中，環梁設置8個監測點，索網設置5個監測點，現場監測照片及位形測量布置點，如圖14所示。位形監測結果如下表所示，實測撓度最大偏差1.8%，小于規范要求5%。

圖14：位形監測點布置

8 結語

　　國家速滑館屋面索網施工， 2018年10月31日開始展第一根索， 2019年3月22日張拉就位，圖15為屋面索網安裝完成的實景。國家速滑館工程實踐表明，本文的研究成果是可行的。對于單層正交索網結構，其力與形具有高度一致性，采用定長索進行安裝和張拉施工，索張拉到位并固定后即形成初始預應力態。

圖15： 屋面索網全景

 

 

參考文獻

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[4]    田廣宇.車輻式張拉結構設計理論與施工控制關鍵技術研究[D].清華大學，2012

[5]    索結構技術規程. JGJ257-2012

 

(責任編輯：休魚）