大型体育场月牙形索桁架预应力拉索施工监测

黄啸蔚 曾 炜 曹凌坚

1. 浙江省建筑科学设计研究院有限公司 杭州 310012；2. 浙江工程建设监理公司 杭州 310012

1 工程概况

乐清市体育中心体育场采用新型的空间索桁结构体系，由钢斜柱和钢管混凝土环梁组成锥面网格结构，屋面则采用月牙形非封闭空间索桁体系，上覆PTFE膜材，如图1所示。该结构体系主要受力构件为上弦索、下弦索和环索构成的三角或交叉索桁架，膜面次结构在主要受力构件上方，包括膜面二铰拱和环向构造索。屋面主结构由斜柱、上环梁、下环梁、上弦索、下弦索、吊索、环索及压杆构成，是典型的双层悬索结构。

图1 体育场索桁体系结构效果图

本文介绍了体育场索桁结构工程的施工方案，即低空无应力组装、空中牵引提升、高空分级同步张拉3 个步骤。并通过无线传感测试技术，对关键施工过程中的代表索的预应力变化进行了跟踪监测。再通过测试数据与理论计算结果的比较，对拉索的实际施工张拉情况进行了分析，保证了工程的顺利进行。

2 索桁结构施工方案[1-8]

2.1 结构布置

体育场结构南北长约229 m，东西宽约221 m，共由38 榀径向索桁架组成，上环梁最大标高42 m，罩棚最大悬挑为52.6 m。因上、下径向索长度很短，靠近角柱的3 榀索桁架采用钢拉杆。整个结构的轴线布置与各类构件截面规格如图2所示。

图2 体育场钢结构轴线平面布置

2.2 施工步骤

索桁架总体施工分为3 个步骤：低空无应力组装、空中牵引提升、高空分级同步张拉。

2.2.1 低空无应力组装

大部分环索在看台内侧地面或支架上组装，两端环索（从30～39轴、67～58轴）在看台上搭设的脚手支架（高1～6 m）上组装。环索安装完毕后，安装上、下环索之间的压杆；连接外环梁和环索之间的上径向索则由上径向工装索牵引至低空，然后组装吊索、下径向索和压杆。

2.2.2 牵引提升

索杆系提升采用分级加载试提升。索杆系受上径向工装索整体牵引提升至高空，此时将上、下径向索分别与外环梁连接，从而完成索杆系的安装。安装期间，为维持结构几何的稳定，在2～10轴和87～95轴之间安装稳定工装索。

为确保牵引提升过程的安全，我们采用试提升的方法，同时观测索杆系、外围结构以及牵引提升设备系统和工装索的情况，以确认提升施工方法是否符合模拟工况计算和设计条件。试牵引提升时，各牵引点提升器施加压力缓慢分四级增加，分别为所需压力的40%， 60%，80%，90%。

观测情况稳定时，最后可加至所需压力的100%，此时索杆系离开环索组装胎架。但在环索即将离开组装胎架时，应密切观察各点脱架情况，必要时做“单点动”或微动牵引提升，以确保环索脱架平稳，各点同步。环索脱离组装胎架约200 mm后暂停提升，停留4 h并作全面检查，检查内容包括各设备运行情况、加载前后工装索和索杆系的变形情况、每一牵引点的千斤顶受载是否均匀、以及周边结构的稳定性。

经全面检查，情况正常后，进行正式牵引提升。首先利用液压牵引工装索将整个索杆系逐步牵引提升，直至上弦索与上环梁连接就位。当上弦索的索头提升靠近上环梁时暂停，各牵引点通过调节装置进行微调，使上环梁与上弦索的索头连接就位。在上弦索与上环梁连接时，索杆系通过液压牵引提升装置的机械液压自锁装置，使索杆系在空中（或提升过程中）的任意位置可靠锁定并停留；并通过倒链或者揽风绳将索杆系与周边结构或者看台可靠连接，以限制索杆系发生位移。

在上弦索与上环梁连接就位后，将牵引提升设备卸载和拆除，使牵引工装索不再受力。牵引下弦索与下环梁连接，吊装34～39轴、58～63轴线（共6轴线）的上弦索和下弦索与外环梁连接，并使上弦索与下环梁连接就位。

2.2.3 索杆系的张拉

索桁架沿径向辐射，因下径向索的索力相对小，为减小施工张拉力，我们选择将下径向索作为主动张拉索。索杆系的张拉采用分级同步张拉下径向索，即仅主动张拉下径向索，而上径向索、环索、吊索和压杆等均为被动张拉。

拉索张拉控制项目及其目标为：索力控制，即控制下径向索的张拉力；位形控制，即控制环索节点的标高。拉索张拉控制则采用双控原则，即张拉力和位形的双控，其中以张拉点的索力控制为主。

3 索力监测

3.1 测点布置

由于整个结构体量大，关键受力位置较多，只能对部分的结构关键构件进行抽样布点，即对体育场索桁结构上下径向拉索、环索、钢环梁，钢柱等受力较大的部位实施应力与温度监测，如图3所示。

图3 测点布置示意

传感器与构件表面的安装是通过专门的传感器安装支座进行连接，传感器安装支座根据构件表面（圆弧或平面）进行精加工处理，通过点焊或胶粘的方式安装固定于待测表面。传感器通过固定螺丝安装于支座上，拧紧后与结构协同变形。径向索应力传感器支座安装于索的可调节端的索头位置，分别位于左右耳板位置，每个测点各安装1 个传感器。

3.2 监测数据

从试张拉到张拉完成的一个多月时间内，本体育场基本完成了索桁架的张拉成形过程施工，并按照监测方案对结构各测点的内力和温度进行了实时监测。一个多月的施工进度可简要分为3 个阶段：

第一阶段：约10 d时间。主要完成拉索的地面安装工作，并将其初步提升就位，此时，结构开始初步受力。

第二阶段：约5 d时间。主要完成拉索预应力张拉工作，将拉索张拉至设计应力参考值。

第三阶段：约15 d时间。张拉完成后，膜结构安装之前，结构处于相对受力平稳状态。

为了较好的反映监测结果，充分展示被测部位应力的月度变化规律与每日变化规律，现将一个月内各测点的实测值进行归纳分析。对于每一个测点，分别选取温差变化较大的中午12时与温差变化较小的午夜0时进行月度内力变化规律总结。

在统计时，选取4 根索的测点数据进行标定，根据油压千斤顶读数与监测点的采集数据，作为依据来进行实测内力变化规律总结。

以8轴为例，绘制上、下径向索的内力温度变化曲线，如图4、图5所示。可以看出，索力在张拉过程中，随外界环境温度变化影响不大。

根据设计参数利用ANSYS软件模拟施工过程，将牵引提升和张拉2 个步骤随施工进程各分成6 个工况，并得出相应的端部索力设计值。

由此提取4、93、8、89轴监测数据，绘制上、下径向索施工过程中监测索力与设计索力对比，如图6、图7所示。

图4 8轴上径向索测点内力及温度随时间变化

图5 8轴下径向索测点内力及温度随时间变化

4 结语

乐清市体育中心体育场采用新型的空间索桁结构体系，结构形式与跨度均属于行业领先。体育场施工采用低空组装和空中牵引提升的方法将索杆系安装至高空后进行分步张拉。结构施工监测过程包含了预应力张拉全过程以及前后各一段非张拉期。根据施工监测结果，可以得出以下结论：

图6 4、93轴上弦索端部索力设计值与监测值对比

图7 8、89轴下弦索端部索力设计值与监测值对比

（a）根据上下径向索一个月内索力变化跟踪，表明被监测的8 根代表性拉索都已基本张拉到位，除4轴上径向索测点有损坏外，其他实测预应力值与设计值相差基本在10%左右。

（b）在非张拉期间，各拉索测点内力变化较平稳，没有测点内力发生突增或突减现象，其变化值随温度变化虽有一定影响，但影响较小。

（c）从总体上来看，根据各测点的月度变化规律曲线，乐清体育中心拉索等关键构件的测点应力变化均属正常，被测结构处于良性受力状态。

本文所述的监测方法可供相关工程借鉴。