空间预应力钢结构工程技术创新

空间预应力钢结构工程技术创新预应力拉索的作用——调控变形、调控杆件应力和增加结构刚度上海世博会主体馆126m跨张弦梁双索同步张拉、转折点滑动索夹张弦梁：南京河西会展中心单向张弦梁、江苏苏源研发大楼中庭的三向张弦梁张弦结构：成都电子科技大学体育馆轮辐张弦梁、济南奥体中心体育馆弦支穹顶张力结构：江苏泰州师范体育馆索网结构、广州中洲中心的轮辐索桁结构、山西煤炭交易会展中心中庭的索穹顶结构斜拉网格结构：南京江宁体育场桅杆斜拉网格结构、广州大学城中心体育场桅杆斜拉网格结构、鄂尔多斯东胜体育场巨拱斜拉网格结构大跨空间钢结构+预应力结构特点施工难点大空间跨越能力强，结构轻盈，用钢量小拉索高空穿行、安装和张拉困难张拉变形大，力与形之间影响敏感施工过程控制要求高拉索材料和锚具形式多样张拉装备与拉索锚具和索端节点匹配困难钢结构预应力施工分析：确定结构拼装尺寸确定施工张拉力确定从拼装状态到张拉状态的内力和位移的变化规律张弦梁工程案例——山东烟台世贸中心张弦梁施工（1）架上拼装张弦梁管桁架，铺放拉索（2）拉索牵引就位（3）点球形索夹卡入撑杆底部（4）索同步张拉（5）张拉后起拱脱架（6）顶推滑移累积安装经典成功案例：哈尔滨国际会展体育中心，128m跨，国大最大跨单向张弦桁架，2002年张拉完成；中国2010年上海世博会主题馆，126m跨，三折线张弦桁架，2008年施工完成。斜拉网格工程案例——南京江宁体育场，75m高桅杆斜拉网格结构，2006年施工完成(1)在扣件钢管支架上安装屋面焊接球网架(2)利用250t汽车吊分节段直立安装75m高桅杆(3)利用吊机在桅杆顶部挂索(4)与卷扬机协调共同完成高桅杆从直立状态到倾斜11度的“倒桅杆”过程(5)同步牵引张拉外侧4根拉索，张拉吨位为3400kN(6)施工完成经典成功案例：广州外语外贸学院体育场桅杆斜拉网格屋盖，2007年6月施工；山东寿光体育场桅杆斜拉网格屋盖，2009年7月施工；鄂尔多斯东胜体育场巨拱斜拉网格屋盖，2010年11月施工。浙江大学紫金港校区体育馆斜拉索网吊挂网壳钢屋盖桅杆斜拉索网系统由四组斜拉桅杆、中部稳定索网和吊索三部分组成。每组斜拉桅杆包括一根40m标高的倾斜梭形桅杆和2根后端拉索（张拉索）以及6根前端斜拉索。中部稳定索网将所有前端斜拉索联系成整体，通过对稳定索张拉使之与四组斜拉桅杆共同形成一个稳定的预应力系统，最终再通过吊索为刚性屋盖结构提供中部支承点。弦支穹顶工程案例——山东济南奥体中心体育馆世界最大直径单层壳【弦支穹顶】（讲义77页）本工程共有三种拉索：环索、径向索和构造索预应力拉索安装总体原则：（1）上层网壳的安装过程，拉索和撑杆依次从内环向外环安装：内环→中环→外环。（2）同一环内，先安装撑杆、然后根据量测误差调整、安装环向索，最后调整、安装径向索。预应力拉索长度调整原则：（1）在撑杆垂直状态下，量测撑杆下端索夹销孔至隔环相邻撑杆上耳板销孔的距离，作为调整径向索长的依据。（1）在撑杆垂直状态下，量测同一环内两相邻撑杆下端的中心距离，作为调整环向索长度的依据。（2）根据现场量取的径向索和各段环索安装长度，确定安装偏差，调整环索和径向索的安装长度。对于本工程来说，预应力拉索安装步骤安装内环→安装中环→安装外环弦支穹顶下部索杆体系各部件安装步骤：撑杆上节点安装撑杆下节点安装（先装撑杆、在安装环索、安装径向钢拉杆）为便于环索的安装，将外环环索分为8根，中环和内环的环索分成4根，即外环设置8个连接点，内环和中环设置4个连接点。拉索施工总体方案：采用径向钢拉杆张拉法进行拉索张拉。（1）待网壳拼装完毕，支座固定，拉索全部预紧后，逐环张拉拉索。（2）径向张拉杆分两次循环张拉。第一次：预紧-90％，由外环向内环进行；第二次：90％-100％，由内环向外环进行。（3）拉索未张拉时，结构为一单层网壳，为保证施工阶段结构安全性，第一次张拉时不落支架，保留支架仍然支撑着网壳。（4）第二次张拉结束后，结构为完整的弦支穹顶，为避免支架对结构预应力的影响，在第二次张拉前，所有支架主动脱离结构。（5）张拉过程中，同环内的径向拉索同步分级张拉。（6）径向索均张拉完毕后，再安装并预紧构造索，安装风帽。张拉时每台油泵控制3台千斤顶、外环和中环需9台油泵，内环需6台油泵考虑实际施工状态下存在预应力损失，需进行超张拉，超张拉系数取1.05，则实际施工张拉力为理论施工张拉力乘以超张拉系数。铸钢索夹分析结论——应力较大区域主要是：中环铸钢索夹—耳板销孔和环索孔道顶面；外环铸钢索夹—耳板销孔和耳板根部，以及环索孔道顶。中环铸钢索夹的极限承载力约为设计极限荷载的1.85倍，而外环为1.6倍。随加载过程，中、外环铸钢索夹首先失效部位均在与径向钢拉杆相连的耳板销孔处。成功案例：武汉体育中心体育馆（135×115m跨，国际首个大跨弦支穹顶）2006年6月首次采用撑杆张拉施工，20个撑杆同步张拉；常州体育中心体育馆，120×80m，大跨弦支穹顶，2007年施工完成，环索8点同步张拉。（讲义80页）索穹顶结构体系特点：第一，索穹顶是一种全张力结构体系。整个索穹顶结构除少数几根压杆外都处于张力状态，连续的拉索构成张力的海洋。这充分发挥了钢索的强度，如果不发生结构松弛，索穹顶便不会发生弹性失稳。第二，索穹顶需要由预应力提供刚度使自身强化为结构。索穹顶结构在未施加预应力前几乎不存在自然刚度，其刚度由受拉和受压单元之间的平衡预应力提供。同时，索穹顶初始形状的稳定性也要通过预应力提供的几何刚度来保证。初始预应力的大小对结构的外形和刚度起着决定性作用。第三，索穹顶的工作机理和能力依赖于自身的形状。如果不能找出使之成形的外形，索穹顶就不能工作。如果找不到合理的结构几何形态，结构就没有良好的工作性能。预应力分布状态与结构几何外形息息相关，互为因果。第四，索穹顶结构是一种自支承、自平衡体系。相连接的张力索元与受压杆元处于互锁状态，互为支撑。它们与压力环和拉力环一起形成一个存在应力回路的自平衡结构系统，使得预应力在应力回路中得以“留存”且处于自平衡，从而有效地刚化结构。所以，在正常工作状态，结构中的索元不允许出现松弛。如采用全封闭结构体系，则推荐此方案。弦支穹顶工程案例——全封闭索穹顶结构体系中国（太原）煤炭交易中心展览中心索穹顶结构平面为圆形，支撑环梁直径45m，索穹顶结构直径36m，矢高1.636m，结构中心点标高25.848m。索穹顶结构由钢结构环梁支撑体系和索杆结构体系组成。索穹顶钢结构支撑环梁施工：吊装单元：分为8段相同的吊装单元按照对称的原则进行吊装。吊装单元总重约21t，采用2台25t吊机组装，160t吊机吊装。施工流程：地面拼装、吊装单元地面焊接、单元吊装、高空焊接（严格控制拼装平面位置、标高平面弯曲、单元拼接长度以及管桁架上弦耳板的三维坐标，对需加固的地方进行加固，防止管桁架变形）索穹顶索结构体系施工：（1）施工方案专家论证（2）索穹顶组装（内拉环定位、主索安装、次索安装、撑杆安装、安装节点）（3）索穹顶牵引提升提升设备：千斤顶选用23t前卡千斤顶或60t穿心式千斤顶，提升索采用1860级ø15.24钢绞线。分级作业：千斤顶给油速度同步，同一级提升或牵引完成时，复核牵引距离，满足同步要求后，再进行下一级牵引。提升牵引顺序：（内环提升索A、外环主脊索牵引索B、外环斜索牵引索C）a、提升牵引A和B，缓慢提升整个索杆结构，直到提升索A到位。b、保持A索长不变，分级牵引B至B索长为0；拆除B安装主脊索头。c、拆除提升索A的提升工装，安装屋面径向索外环索头；d、牵引外斜索牵引索C，到位后安装外斜索头，拆除牵引索。（4）索结构张拉——张拉总体原则（1）采用同步张拉外环斜索，即仅主动张拉外环径向斜索，而脊索、环索和撑杆以及次索网均为被动张拉。（2）拉索张拉控制采用双控原则：控制结构内力和变形，其中以控制张拉点的索力为主。（3）同步张拉细分为5级：初紧状态-20%-40%-60%-80%-110%。其中前4级以张拉行程控制，最后一级以索力控制。（5）索结构监测（1）施工过程监测a、监测内容：各主动张拉点的索力、各撑杆底端的位置坐标b、监测方法和设备：索力监测—采用标定的千斤顶关键节点变形监测—采用全站仪（撑杆、中心拉力环以及管桁架大小耳板的位置坐标）（2）健康检测包含：应力监测、位移监测和索力监测三部分a、应力监测应力监测设备采用——振弦式应变仪。b、位移检测主索网节点次索网节点外环梁节点监测c、索力监测运用弓式测力仪对次索进行检测，以验证对拉索监测的正确性。无锡新区科技交流中心（国内唯一刚性屋面索穹顶，2009年完成）发明了“塔架提升索杆累计安装方法”——突破了国外技术壁垒，成功建造了国内首个索穹顶工程。低空累积安装空中牵引提升高空张拉最外环斜索成型