[摘要] 国家速滑馆工程大跨度马鞍形单层正交索网，是目前世界上类似结构中跨度和规模最大的索网结构，其拉索数量多、内力大，均采用双索设计，且拉索提升张拉过程中支座水平可滑动，索网提升、张拉施工难度大。针对这一技术难题，本文提出了“定长拉索地面编网、承重索整体提升、稳定索张拉成形”的总体施工方案和定长索安装理念，通过全过程施工仿真分析进行索长设计和支座预偏值设计，开发出拉索两端可调的误差消纳措施并据实进行索长修正，最终研究总结出包括基于预应力态的定长索安装、地面编网和分阶段、分步骤、等位移整体提升张拉形成预应力态等技术的大跨度马鞍形单层正交索网结构整体提升张拉施工关键技术，并成功指导了国家速滑馆工程实践。

[关键词] 马鞍形；单层正交索网；整体提升；整体张拉

 

　　国家速滑馆项目，又称“冰丝带”，是2022冬奥会标志性场馆，可实现速度滑冰、大道速滑、花样滑冰等所有冰上运动。

 

1 工程概况

　　国家速滑馆屋盖结构为大跨度马鞍形单层双向正交索网结构，平面投影大致呈椭圆形，南北向最大跨度198m，东西向最大跨度124m，标高为15.800m~33.800m，生根于碗状看台顶部的周圈钢结构环桁架上，环桁架外侧设置幕墙拉索。承重索和稳定索都采用双索结构，承重索直径Ф64mm，数量为98根；稳定索直径Ф74mm，数量60根；幕墙索直径Ф48mm、Ф56mm两种，数量120根；索结构索体总长度约20410m，总重量约968t。如图1所示。

图1

　　本工程的马鞍形单层正交索网，是目前世界类似工程中结构跨度和规模最大的索网结构，拉索数量多、内力大，均采用双索设计，施工难度大；而且，在索网提升张拉过程中，环桁架支座可水平自由滑动，外圈幕墙索被动张拉到位，进一步增加了施工难度。

 

2 安装方法选取

2.1 安装方法比较

　　调研类似工程实践对索网安装方法进行总结归纳，比较地面组装整体提升法和索网高空组装法两种安装方案的优缺点进行安装方法选取，优缺点如下：

　　（1）索网地面组装整体提升张拉法

　　优点:基本都在地面操作，施工效率高、施工周期短，安全隐患少。

　　缺点：需要占用中心场地，要对预制看台进行保护，对索体进行保护。

　　（2）索网高空组装法

　　优点：全部高空操作、不占用中心场地，不需对预制看台进行防护，索体保护量工作小。

　　缺点：索体、索夹均在高空安装，施工效率低，安装周期长，安全风险高。

2.2 幕墙索和支座水平约束影响

　　为了研究幕墙索和支座水平约束对屋面索网的影响，分别进行了幕墙索先装、幕墙索被动张拉、支座水平约束全部固定、全部释放和部分释放等工况仿真分析。根据分析结果可知：

　　（1）幕墙索对索网和环桁架内力和位形影响较小；

　　（2）支座水平约束对斜柱内力影响较大，对短轴方向斜柱受力有利、长轴方向斜柱受力不利；水平约束对环桁架内力分布影响较大，部分杆件内力反号，但应力比均很小。

　　（3）支座部分约束工况为最不利工况，约束哪个支座、哪个支座的反力就会很大。

2.3 结论

　　结合工程实际，综合考虑技术先进性和经济合理性原则，国家速滑馆屋面索网结构最终选取地面组装整体提升法进行索网结构施工，即采取“地面编网、提升承重索整体就位、张拉稳定索形成预应力态，幕墙索被动受力、支座可水平约束全释放”的总体安装方案。

 

3 施工仿真分析

　　马鞍形单层双向正交索网结构的施工方法与常规预应力钢结构施工不同，其结构成形过程是一个由机构到结构的转变过程，内力变化复杂。因此，必须进行全过程施工仿真分析，确定每一个关键施工步对应的拉索内力、节点变形、边界节点位移等关键技术参数的理论值；校核索网张拉成形状态与设计初始预应力状态的一致性；进行张拉过程可变支承结构预变形设计；同时为施工过程监测提供目标依据；保证索网施工安全。

3.1索力复核

　　根据施工部署，施工模拟分析分提升和张拉两个阶段、共37步进行。将分析结果跟设计值进行比较，判断方案的合理性，进而确定索网张拉就位时拉索索力和位形。表1为张拉完成后的索力比较，图2为张拉完成后的竖向位形比较。

表1： 索力比较

图2： 竖向位形比较

　　从上述分析结果可知，拉索索力相对设计值最大偏差为30KN，最大相对偏差1%；索网竖向变形相对设计值最大偏差为19mm，最大相对偏差1/10421；施工模拟结果与设计初始预应力态一致。

　　因此，前面选定的的索网提升张拉施工方案是可行的。同时，模拟分析确定的索网张拉完成后的索力，既是索网张拉就位索力控制的标准，又索网张拉施工过程中监测的依据。

3.2 索长设计

　　根据仿真分析结果，结合设计文件，提取索网初始应力态下的拉索长度及索力作为拉索下料长度及对应索力，索长值及标记索力如表2所示。

表2： 拉索下料长度和标记索力

3.3 支座预偏值设计

　　由于索网张拉过程屋盖支座的水平约束对其下方斜柱和环桁架内力影响较大，因此国家速滑馆索网结构提升和张拉过程中环桁架48个球铰支座的水平约束全部释放，即在索网提升和张拉过程中支座可以水平滑动。通过全过程施工仿真分析，得出48个支座的滑动轨迹。图3为典型位置的支座滑动轨迹。

图3： 典型部位支座滑动轨迹

　　根据仿真分析确定的支座运动轨迹，反推出48个支座的预偏值。考虑到结构1/4对称，只列出ZZ1～ZZ12共12个支座预偏值，如表3。将支座的预偏值导入到工程的整体坐标系中，得出48个支座提升张拉前的坐标，作为支座施工的依据。

表3： 支座预偏值(mm)

　　另外，为了保证索网提升和张拉过程中整个屋面索网结构支座滑动受控，提出了对长轴方向4个支座进行限位的处理方案。

 

4 误差消纳措施

　　由于环桁架拉索耳板在卸载前已经焊接完成，考虑到安装误差和卸载变形影响，其连接耳板的销孔中心与拉索销轴孔中心必然存在一定的误差。同时，拉索加工过程也存在一定的误差。因此，必须采取措施消纳这些误差。

4.1 索长两端可调

　　分析发现，拉索加工和安装过程中的误差，最终表现为索长的误差。同时，考虑到索网形心与结构形心对中的原则，提出索头两端可调的误差消纳理方案，每端可调距离为100mm。另外，由于承重索和稳定索通过索夹交叉连接形成屋面索网，考虑构造空间的要求，承重索和稳定索的调节螺杆位置分两种类型，类型A调节螺杆靠近索头，类型B调节螺杆靠近第一个索夹节点，如图4所示。

图4： 典型两端可调拉索做法

4.2 限定拉索耳板偏差

　　利用有限元软件分别对单个、间隔及全部拉索耳板施工偏差导致索网预张力的影响进行仿真分析，提出拉索连接耳板的允许偏差为：环桁架上拉索连接耳板位置允许偏差应不大于10mm；同一根拉索两锚固端间距的允许偏差应不大于L/5000和±20mm中较小值；屋面索网同一轴线的两根钢拉索相邻连接耳板间距误差应为正偏差，误差应不大于5mm。

 

5 拉索长度修正

　　索网提升前，对环桁架拉索耳板的空间位置进行复测，根据测量结果和拉索理论长度，调整承重索和稳定索调节螺杆长度，抵消环桁架和拉索耳板的施工误差，完成拉长度偏差调整，如表4所示。

表4： 拉索长度偏差修正值

 

6 主要施工工艺

6.1地面编网

　　地面编网时，采用吊车和放索盘铺放承重索和稳定索，关键施工技术如下：

　　（1）在看台和场地内铺设放索通道并做好看台防护，如图5所示。

图5

　　（2）采用汽车吊和放索盘将承重索在场内铺放到位，安装下半部分索夹，夹持住承重索，如图6所示。

图6

　　（3）采用汽车吊和放索盘将稳定索在场地内铺放到位，安装上半部分索夹，夹持住稳定索，如图7所示。

图7

　　（4）安装幕墙索

　　在场内地面编网的过程中，屋面环桁架滑移就位后，安装幕墙索。

　　幕墙索上端固定于顶部的钢结构环桁架上，下端固定于主体结构首层顶板外圈悬挑梁端，采用定长索安装就位；每次同时安装8根幕墙索，从两端向中间依次对称安装；大部分幕墙索的索力较小，直接安装，端部的24根幕墙索索力较大，借助张拉工装安装就位，如图8。

图8

6.2 提升承重索整体就位

　　屋面环桁架滑移就位、地面编网完成并验收合格后，进行屋面索网的提升承重索整体就位工作，其关键施工技术如下：

　　（1）提升点设计

　　国家速滑馆屋面索网的承重索共49榀，其东西两端均设置提升点，共98个提升点。根据施工仿真分析结果配置提升点的千斤顶和提升钢绞线：中间43榀承重索两端的提升点各布置2台千斤顶，配备2根φ28的钢绞线；南北两端各3榀承重索两端的提升点各布置1台千斤顶，配备1根φ28的钢绞线；提升点设计如图9所示。各提升点相对最大提升力的提升设备能力系数2.17～4.43。

图9

　　（2）提升工艺

屋面索网提升，分预提升和正式提升两个阶段进行。

　　①预提升时，整个索网整体离开地面（即FOP平台）20cm后，悬停12h观察整个提升系统工作的可靠性，悬停结束后即进行正式提升阶段。

　　②正式提升时，分前期和后期两个阶段进行。

　　前期阶段，由于索网没有刚度、同步性要求不高，每提升1米作为一个提升阶段，检查环桁架支座变形和索网变形情况。

　　后期阶段，随着承重索两端距提升就位点距离缩短、承重索拉力的增大，对同步性要求逐步提高；南北两端的提升就位的承重索立即插上销轴。当承重索两端距提升就位点距离约300m时，每100mm作为一个提升阶段，每步提升20mm，保证对称、同步提升就位。施工过程图片如图10。 

 

图10： 索网提升

6.3 整体张拉稳定索形成预应力态

　　提升就位后，进行索网的整体张拉稳定索形成预应力态施工，其关键施工技术如下：

　　（1）张拉点设计

屋面索网稳定索共49榀，其南北两端均设置提升点，共60个张拉点。根据施工仿真计算结果，得到每个张拉点在最不利工况下的最大张拉力，进而配备张拉设备。稳定索张拉施工时，每个张拉点均配备2台250t千斤顶和2根φ65的钢拉杆，如图11。各提升点相对最大提升力的提升设备能力系数2.17～4.43。

图11： 张拉点设计

　　（2）张拉工艺

　　张拉过程分为初张拉和稳定张拉两个阶段。同步张拉最大距离约为370mm。初张拉连续一次张拉完成；稳定张拉分为8步张拉完成，每步张拉距离为30mm。

　　①初张拉阶段：初张拉按照每步等位移30mm进行；张拉距离短的索先张拉到位、并穿销轴固定，确保施工安全。

　　②稳定拉阶段：稳定索通过初张拉建立了较为稳定的初始预应力后，进行稳定张拉。稳定索的最大张拉距离为250mm，每步张拉30mm，分8步完成张拉。张拉距离短的索先张拉到位、并穿销轴固定；中间部位张拉距离最大拉索张拉到位并穿销轴固定，完成张拉施工。

　　整体张拉稳定索形成预应力态如图12所示。

图12： 整体张拉形成预应力态

   

7 施工监测

　　为了确保工程在整个施工过程中的安全性，对索网结构进行施工监测，监测内容包括稳定索索力和索网位形。

　　（1）稳定索索力：张拉过程中，稳定索索力控制直接关系到结构的成形状态，因此对稳定索的索力监测至关重要。稳定索共30榀，设60个索力监测点，通过千斤顶的压力传感器进行监测，索力监测结果如图13所示，监测索力与理论索力误差最大的绝对值为8.99%，小于《国家速滑馆索结构施工质量验收标准》要求10%。

图13：索力实测值与理论值对比图

　　（2）位形测量：包括索网的位形测量和环桁架耳板的位置测量；选取环桁架和索网变形比较大的位置作为位形测量的控制点，其中，环梁设置8个监测点，索网设置5个监测点，现场监测照片及位形测量布置点，如图14所示。位形监测结果如下表所示，实测挠度最大偏差1.8%，小于规范要求5%。

图14：位形监测点布置

8 结语

　　国家速滑馆屋面索网施工， 2018年10月31日开始展第一根索， 2019年3月22日张拉就位，图15为屋面索网安装完成的实景。国家速滑馆工程实践表明，本文的研究成果是可行的。对于单层正交索网结构，其力与形具有高度一致性，采用定长索进行安装和张拉施工，索张拉到位并固定后即形成初始预应力态。

图15： 屋面索网全景

 

 

参考文献

[1]    张志宏等.索杆张拉结构的设计和施工全过程分析[J].空间结构. 2003（2）

[2]    赵楠等.大跨度索穹顶设计与张拉控制[J]. 结构工程师. 2017（5）

[3]    许贤.张拉整体结构的形态理论与控制方法研究[D].浙江大学，2009

[4]    田广宇.车辐式张拉结构设计理论与施工控制关键技术研究[D].清华大学，2012

[5]    索结构技术规程. JGJ257-2012

 

(责任编辑：休鱼）