大跨度钢结构预应力施工技术奥运场馆建设中的应用_大跨度钢结构施工技术

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大跨度钢结构预应力施工技术奥运场馆建

设中的应用

摘要：国家体育馆屋盖采用大跨度钢结构。大跨度钢结构通过施加预应力可有效节约钢材。且自身刚度 大，预应力结构受力合理，可抵消大部分自重和屋面其他安装悬挂物的附加应力，应变较小，中心挠度小。后期应

力应变健康监测便利，可随时调整预应力，保证结构安全稳定。

关键词：预应力钢索；预应力张拉；应力监测；应变监测奥运工程;预应力钢结构;施工技术

前言

综观奥运近50余年的发展历史，大跨度空间结构技术一直居于核心地位。如奥运历史上著名的罗马体育馆(1960年意大利罗马奥运会)均采用了装配现浇式钢筋混凝土薄壳结构，莫斯科中央红军之家综合体育馆(1980年莫斯科奥运会)采用了空间桁架网架结构，东京代代木国立体育中心1964年东京奥运会)采用了张拉结构，巴塞罗那圣乔地体育馆(1992年巴塞罗那奥运会)采用了网壳结构，⋯⋯等等。对于这些丰富多彩的百年奥运建筑来说，没有一种技术能像大跨度空间结构技术对它们产生更大的促进作用了。而奥运建筑也为大跨度空间结构技术提供了精美的展示舞台和实践机会，因为最先进的大跨度空间结构技术往往首先运用于奥运会。当现代奥运会走进具有悠久历史灿烂文化的中国时，国家体育馆奉献了目前国内空间跨度最大的双向张弦钢屋架结构体系——跨度最大的双向张弦钢桁架结构。

1工程概况

国家体育馆位于北京奥林匹克公园中心区的南部，是奥林匹克中心区的标志性建筑之一，总建筑面积为80890平方米。国家体育馆由体育馆主体建筑和一个与之紧密相邻的热身馆以及相应的室外环境组成，可容纳观众约1．8万人，室外绿化及道路面积约4．4万平方米。奥运会期间，体操比赛、蹦床、手球决赛和轮椅篮球比赛将在这里进行。

国家体育馆是奥运中心区三大主场馆之一。由比赛区(主馆)、热身区(副馆)、外围附属用房、地下车库，4个功能区组合而成，总建筑面积约81 000m2，地下1层、地上4层。比赛区和热身区的屋顶钢结构连成为一个整体。钢屋盖结构形式为单曲面、双向张弦桁架钢结构，上弦为正交正放的平面桁架；下弦预应力张拉索穿过钢撑杆下端的双向索夹节点。形成双向空间张拉索网。比赛馆屋面呈南高北低波形曲线，结构最高点标高为42.454m。屋盖钢结构上层采用正交正放桁架结构，桁架双向间距8.5m，结构截面高1.518-3.973m。上弦面内所有杆件及腹管为圆管，圆管截面为159×6mm~480×24mm，采用无缝钢管，下弦面内所有杆件为焊接矩形管，截面范围为350×200×8×8~450×275×25×20mm。上弦采用带肋焊接球节点，截面范围D500×18mm~D700×35mm。下弦采用铸钢节点。屋盖钢结构在比赛区区域的尺寸为114m×144.5m。纵向有 B~Q轴共14榀平面桁架，两侧边6榀桁架不布索，E~M轴共8榀，为预应力索张弦纵向桁架。横向有7~24轴共18榀平面桁架，两侧边各2榀不布索，9~22轴为预应力索张弦横向桁架（图1)。预应力索分上下两层，纵索在上采用单索，横索在下为双索。

桁架预应力钢索采用挤包双护层大节距扭绞型缆索，定位撑杆（撑杆为圆管，截面为219×12mm，最长为9.248m）。上端与桁架结构的下弦采用万向球绞节点连接，下端与索采用夹板节点连接，纵横向索穿过钢撑杆下端的双向节点，形成双向张拉空间索网，索端与钢结构相连处设计为铸钢节点。(图2.3.4)

2钢结构预应力施工

3.1预应力索的安装

索的安装穿插在钢构件的安装过程中，索盘放置在结构外地坪上，纵横向拉索使用捯链辅助牵引，随钢结构一起滑移，但索不张拉，仅预紧。索规格主要有4种:5×109,5×187,5×253,5×367.横向钢索预张力中间索最大2000KN，端部索最小1100KN；纵向钢索预张力中间索最大1600KN，端部索最小1300KN，张拉过程中，考虑纵横向索相互影响和张拉先后顺序对索力影响，需超张拉，横向双索最大张拉力达到2730KN,纵向单索最大张拉力达到1850KN。3.2预应力索张拉

按施工方案，张拉施工分3级由两端向中间双方向对称施工。第一张拉至80%设计索力；第二次张拉100%设计索力，并超张拉5%；第三级进行索力微调，调整到设计值。分级张拉施工顺序如下图所示（第一级为1-7号图，第二级为8-14号图，第三级根据监测情况对个别索调整。）

第一次张拉9,22，E,M轴线张拉到80%设计力，分别为980.1060.1360.1360KN。第二次张拉21.F.L轴线张拉到80%设计力，分别为1110.1750.1640.1640KN。

第三次张拉⑩、①、⑥、⑥轴线张拉到80％设计力，分别为1670、2160、1850、1850(KN)。第四次张拉⑩、⑩、⑩、⑦轴线张拉力到80％设计力，分别为2190、2220、1720、1640(KN)。第五次张拉⑩、⑩轴线张拉力到80％设计力，分别为2380、2730(KN)。第六次张拉⑩、⑩轴线张拉力到80％设计力，分别为2400、2430(KN)。

第七次张拉15.16轴线张拉到80%设计力，分别为1860.1910KN.第八次张拉15.16.H.J轴线张拉到105%设计力，分别为2520.2580.1900.1900KN.第九次张拉14.17.G.K轴线张拉到105%设计力，分别为2270.2290.1810.1810KN 第十次张拉13.18.F.L轴线张拉到105%设计力，分别为2110.2180.1490.1490KN 第十一次张拉12.19.E.M轴线张拉到105%设计力，分别为1940.1960.1400.1400KN 第十二次张拉11.20轴线张拉到105%设计力，分别为1540.1930KN 第十三次张拉10.21轴线张拉到105%设计力，分别为1160.1690KN 第十四次张拉9.22轴线张拉到105%设计力，分别为1160.1160KN

张拉过程中，应严格按方案施工，张拉力允许偏差为5％。各级张拉施工张拉力实测值均在允许偏差范围内(表1)。

表1预应力施工张拉力 KN 3.3预应力张拉施工应力应变监测情况

张拉中钢屋架逐榀向上拱起，张拉结束屋盖整体与中滑道支撑塔架成功脱离，完成卸载，与前期实验模型相吻合。屋盖中心起拱采用吊线坠与全站仪两种监测方式，屋盖中心起拱设计理论计算值为177mm，实测为159mm，偏差18mm。按事先设计计算，若起拱值达到理论计算值的50%(即89mm)，在屋面全负荷状态下仍可满足承载力和正常使用要求，因此，起拱159mm与设计理论值177mm吻合较好，完全满足设计要求。

张拉施工中采用振弦式应变计对钢屋架进行应力应变监控，张拉完成后，最大应力点监测情况如表2.经设计单位复核认为，上述屋盖中心起拱值，杆件应力监测值的实测值和偏差值状况良好，满足设计要求，相比前期1:10模型试验更为理想。3.4预应力张拉施工验收

按照国家体育馆钢结构专项验收标准，预应力张拉工程验收和控制点是张拉后预应力索是否达到设计张拉力。标准未将起拱值列为验收项目之一，也没有给定允许偏差值。屋盖中心起拱值仅作为预应力施工参考，是预应力施加和受预应力结构刚度匹配的综合反映。屋架高空拼装误差、刚度的不均匀分布都会造成张拉后起拱实测值与理论计算值的偏差。国家体育馆屋盖中心起拱值与国家体育场和水立方卸载后结构竖向挠度值的性质有本质区别：一是起拱值通过改变索张拉力可进行调整，而卸载后结构竖向挠度值不可调。二是起拱值反映的是施工过程中的结构状态。而卸载后结构竖向挠度值反映的是结构进入设计预定支撑状态后的变形，直接说明结构质量状况。

预应力施工质量的最终评定，一是看预应力是否达到设计值，是否在验收标准允许偏差范围内：二是应力变形监测情况经设计单位复核确认是否符合设计要求。国家体育馆钢结构全部预应力达到设计张拉力。并在验收标准允许偏差范围内。张拉施工中设计单位也多次到现场对张拉和应力变形监测情况进行了验收和确认，国家法定检测单位在张拉施工前后都对屋盖钢结构进行了检测，检测结果均符合验收标准要求。

4预应力钢结构施工技术控制要点

预应力钢结构施工技术控制要点按施工过程可以分为原材料进场检验、预应力张拉实施和预应力施工验收三个阶段。主要包括：(1)钢索和张拉设备的进场检验；(2)张拉设备技术参数标定和检定；(3)油路有无渗漏；(4)索端外露长度的初始标定；(5)张拉的同步性控制；(6)结构应力变形监测；(7)预应力张拉作业指导书的制定；(8)供电中断和结构或构件变形位移超出允许范围后应急处理预案的制定；(9)吊篮和通道脚手架的验收；(10)张拉前和张拉后抽取钢桁架纵向、横向长度、相邻支座高差、支座中心偏移等技术指标的检测等。技术控制的关键是预应力达到设计值。结构杆件最大应力、最大应变值控制在允许偏差范围内。

5结语

(1)由于水下混凝土固定了钢护筒，其顶面呈水平状，为钻机提供了良好的定位条件。在钻入基岩表层时，由于有封底混凝土的定位。整个钻进过程中未发生冲锤向河心侧偏锤、歪锤等事故。

(2)采用钢筋混凝土套箱进行水下承台施工，具有止水难度小、整体刚度大、自重大、有利克服水浮力、潜水工作少、施工相对安全、节约钢材、多个墩台可平行施工、工期短等优点。