大跨度预应力钢结构在体育馆工程中的应用

大跨度预应力钢结构在体育馆工程中的应用报告人：指导老师：预应力钢结构自诞生以来，已经走过了50年历程，尤其近20年来新材料、新工艺、新结构发展迅速，预应力钢结构的应用范围几乎已覆盖了全部钢结构领域。对于需要大跨度及大体量无阻挡空间（体育馆、歌舞剧院等）；重级荷载及超重负荷条件（桥梁、多层停车场等）；高耸结构物（电视塔、气象观测塔、高压输电塔等）；需要创建新结构体系、以柔索取代受弯构件、以张力膜面取代刚性屋面层、以吊点取代支点，如吊挂体系、索穹顶及索膜结构等体系采用预应力钢结构，将会带来令人满意的效果和可观的经济效益。1.预应力钢结构一般而言,在结构中采用单次预应力技术,与非预应力同类结构相比可获得10%~20%的经济效益,而采用多次预应力技术则可节约材料20%~40%左右。对于这些丰富多彩的百年奥运建筑来说，大跨度空间结构技术对他们产生更大的促进作用。而奥运建筑也为大跨度空间结构技术提供了精美的展现舞台和实践机会。最先进的大跨度空间结构技术往往首先用于奥运会。以下是国内外一些采用预应力钢结构的实例：韩国汉城奥运会主赛馆、广东清远市体育馆、北京西客站韩国汉城奥运会主赛馆,采用整体张拉索穹顶屋盖,上覆纤维加强膜面,自重仅14.6kg/m2。广东清远市体育馆六边形扭网壳屋盖,屋盖用钢量44.3kg/m2,省钢率35.7%。北京西客站采用长度为45m的主桁架,进行两次张拉施加预应力,节约钢材15%。总之,采用预应力钢结构带来的经济效益是可观的。(1)可以改变结构的受力状态，满足设计人员所要求的结构刚度、内力分布和位移控制。(2)通过预应力技术可以构成新的结构体系和结构形态(形式)，如索穹顶结构等。(3)预应力技术可以作为预制构件(单元杆件或组合构件)装配的手段，从而形成一种新型的结构，如弓式预应力钢结构。(4)采用预应力技术后，或可组成一种杂交的空间结构，或可构成一种全新的空间结构，其结构的用钢指标比原结构或一般结构可大幅度降低，具有明显的技术经济效益。2.预应力技术于大跨度空间钢结构特色和优势3.现代预应力钢结构的主要类型1.斜拉结构2.张弦梁结构3.弦支穹顶结构4.索穹顶结构5.预应力索桁架结构6.大型索网结构4.大跨度预应力钢结构在国家体育馆工程中的应用国家体育馆钢屋架南北长144米，东两宽114米，整个体育馆钢屋架工程由14榀桁架组成，总用钢量达2800吨，钢屋架形状呈扇形波浪曲线，是目前国内空间跨度最大的双向张弦钢屋架结构体系。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。国家体育馆是奥运中心区三大主场馆之一，由比赛区，热身区，外围附属用房，地下车库，四个功能区组合而成，总建筑面积约81000平方米。地下一层，地上四层，比赛区和热身区屋顶钢结构连成一整体，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，形成双向张拉索网。4.1工程概况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)4.2钢结构预应力施工4.2.1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。4.2.2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，严格按方案施工，张拉力允许偏差5%，各级张拉施工张拉力实测值均在允许偏差范围内。（表1）表一预应力施工张拉力KN4.2.3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。4.2.4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，高度的不均匀分布都会造成张拉后起拱实测值和理论计算值的偏差。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复核设计要求。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。技术控制的关键是预应力达到设计值，结构构件最大应力，最大应变值控制在允许偏差范围内。4.3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厂检验，预应力张拉实施和预应力验收三个阶段。主要包括:（1）钢索和张拉设备的进厂检验。（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）结构应力应变监测。（7）预应力张拉作业指导书的确定。（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。4.4结语中国预应力钢结构发展已经走过五十年，尤其近年来现代预应力建筑钢结构在我国得到了长足的发展，在理论研究，设计理论，工程实践，施工工艺等方面都取得了很大的进步，基本达到了国际先进水平。但也应该看到，目前预应力钢结构还有很大的发展空间。今后应在基础理论研究，综合设计施工组织能力，配套新材料新产品的研发及后期监测等方面进一步提高，这样才能做出既满足结构安全要求有经济合理且美观的预应力建筑钢结构精品。