援柬埔寨国家体育场屋盖斜拉索桁结构施工技术

高晋栋，张维廉，司 波，张 速，祖义贞，马 健，王群清，郭亮亮，尧金金，卢立飞，张志平

(1.北京市建筑工程研究院有限责任公司，北京 100039； 2.中国中元国际工程有限公司，北京 100089； 3.中国建筑第八工程局有限公司，上海 200122)

0 引言

将桥梁工程中斜拉桥与悬索桥的概念引入建筑结构中，衍生出斜拉结构等多种形式。斜拉结构一般由塔桅、拉索及悬挂体组成，类似斜拉桥。斜拉结构的受力特点是斜拉索为悬挂体结构提供一系列弹性支承，可减小悬挂体结构的内力与变形峰值，使其分布均匀，从而增大屋盖结构净跨度等。因此，斜拉结构常应用于飞机库、体育场馆屋盖、会展中心等[1]。

斜拉结构中悬挂体可采用网架、钢桁架等刚性屋盖结构，也可采用索桁架、索网等柔性索结构，斜拉索通过塔桅将柔性索网拽起形成一个张力悬吊结构[2]。1990年亚运会主体育馆——北郊体育中心体育馆，是我国早期的大跨度斜拉结构建筑，屋盖结构采用斜拉双坡形曲面网壳[3]。1992年浙江黄龙体育中心是我国最早应用斜拉结构的大型体育场项目，外环直径达244m，网壳悬挑长度为50m[4]。广州大学城中心体育场采用斜拉钢网格结构，针对桅杆下端铰接的特点, 研究张拉时机对设计的影响[5]。郑州国际会展中心采用斜拉索拱结构，针对斜拉索张拉时机对整体结构的影响，探讨了“先升后张”和“先张后升”两种施工方案，确定分段安装、局部提升施工方法[6]。

援柬埔寨国家体育场采用新型斜拉索桁结构屋盖体系，为国内外首例。关于将全柔性鱼腹式索桁架与斜拉索相结合、边界条件采用现浇混凝土结构体系的研究较少，该结构传力复杂、施工经验不足、施工控制难度大，从节点深化设计、施工方案制订到现场实施，都具有较高的技术难度和管理挑战。本文主要介绍援柬埔寨国家体育场斜拉索桁屋盖结构技术特点及其张拉方案，并对施工过程进行监测，以有效控制施工过程。

1 工程概况

援柬埔寨国家体育场位于柬埔寨首都金边市东郊规划的体育中心内，项目建设用 地面积162 200m2， 总建筑面积约82 400m2，设计观众席60 000 座，是目前我国对外投资额最高、规模最大的体育场项目。建筑效果如图1所示。

图1 体育场建筑效果

体育场主体结构采用现浇混凝土结构，环梁中部高、两端低，梁顶标高为26.000～39.900m，人字形索塔向场外倾斜，顶标高为99.000m。屋盖采用新型斜拉索桁结构体系，南北跨度为278m，东西跨度为270m，最大悬挑跨度为65m。屋盖内侧支撑于独立的环梁、斜柱结构上，并由南、北两端人字形索塔通过斜拉索吊起，与斜拉索相对应的索塔外侧从索塔顶部向地面设后背索。

2 屋盖结构体系

体育场屋盖径向构件波峰处采用36道鱼腹式索桁架，波谷处采用34道谷索。谷索在靠近环索处分叉为Y形，分别与相邻的鱼腹式索桁架、环索节点连接。斜拉索、鱼腹式索桁架、环索和谷索构成屋盖结构的主受力体系。沿环向方向，索桁架间布设3道上下交叉稳定索和水平稳定索，增强结构整体稳定性。单榀结构如图2所示。

图2 单榀结构

2.1 关键节点深化设计

拉索节点主要分为环索节点、径向索节点及谷索节点。为保证节点质量安全，对各节点进行有限元分析，通过节点变形和应力，判断节点强度是否满足要求。

环索节点用于连接环索、径向索和斜拉索，与常规索夹不同，因斜拉索的存在，导致环索节点处不平衡力过大，最大达3 000kN，常规索夹夹持索体的连接方法无法满足受力要求。因此，采用分段螺杆式连接节点，承受环索节点处的不平衡力。

分段螺杆式连接节点位置需能承受拉索破断荷载，同时满足节点有足够的安装操作空间；对调节丝杆和调节套筒的加工要求非常高；拉索在该处属于硬连接，调节丝杆连接无法像拉索索体一样实现小角度偏转，因此，在设计时应满足结构线形，防止调节丝杆受弯。环索节点如图3所示。

图3 环索节点示意

采用CAD建立实体模型，通过有限元软件对环索节点夹进行力学分析，根据拉索破断荷载，节点荷载取其0.6倍。环索节点计算模型如图4所示，环索节点变形及应力云图如图5所示。由图5可知，节点绝大部分区域处于弹性范围，安全可靠。

图4 环索节点计算模型

图5 环索节点变形及应力云图

2.2 施工张拉方案

本工程为斜拉结构与柔性索桁结构相结合的杂交体系，结构构造复杂，包含近10种类型拉索；现浇混凝土的边界条件对张拉过程中主体结构变形、应力控制十分严格，其中，保证99m高的人字塔变形满足设计要求更是重中之重。因此，须制定适合结构特点、安全可靠、优化合理的施工张拉方案。

2.2.1施工方案的选定原则

张拉方案选定应遵循以下原则：①避免高空作业，安装、施工尽量靠近地面；②力求在主动受力索数量少、张拉力低的情况下，结构达到成型态；③成品保护 保证拉索、主体结构不受破坏；④节约高效 结合施工工艺和流程，最大限度地做到交叉作业，确保施工质量、进度和安全。

2.2.2施工方案比选

低空胎架是环索、径向索的铺放平台，采用脚手架进行搭设。结合现场施工条件和结构特点，拟选定2种胎架搭设形式。

1)方案1(见图6) 上径向索在自然状态下，铺放在看台板上，环索节点通过CAD放样找出铺放位置，架体量减少；但在环索节点脱离胎架时，径向索为折线形式，折点处径向索竖向分力对预制看台板产生过大压力致其破坏，索体也会有炸丝、断丝的风险。

图6 低空胎架搭设方案1

2)方案2(见图7) 以上径向索长度为半径画弧，与环梁和高看台边缘两点的延长线相交，交点为环索节点铺放位置。架体量增大，但可避免对预制看台板的破坏，最大限度地保护主体结构安全；同时，能有效将索力最大的环索转化为被动受力索。

图7 低空胎架搭设方案2

综上，选择方案2进行低空胎架搭设，施工流程如图8所示。

图8 低空胎架搭设施工流程

3 关键施工技术

1)胎架组装索网

本项目拉索、索夹节点及其构件构造复杂，数量种类繁多，对安装质量要求极高。保证流水施工的同时，需确保各构件安装位置准确；考虑拉索下料及主体结构边界条件误差，调整各拉索丝杆长度；严控径向索索夹、谷索索夹安装方向和螺栓扭矩值；保证拉索和索夹节点表面观感。

2)高空装索

斜拉索的安装方法分为2种：①先连接柔性索网与斜拉索下端索头，再高空安装张拉工装，张拉斜拉索上端索头就位(张拉端为刚性边界条件)；②先连接吊塔与斜拉索上端索头，再低空安装张拉工装，张拉斜拉索下端索头就位(张拉端为柔性边界条件)。低空安装张拉工装，可避免高空作业危险性，有利于提高施工控制。后背索采用同样的施工方法。

根据上述斜拉索施工原则，吊塔塔顶搭设钢架平台，主要作用是设置卷扬机钢丝绳吊点和倒链反力点。设置提升动滑轮组吊装装置，提升斜拉索一端锚具至耳板处，通过辅助耳板和倒链安装斜拉索销轴。

3)环索节点脱离胎架

环索节点最重9.8t，加上下径向索锚具和环索锚具，最重14.5t。脱离分东、西区先后进行，采用2台履带式起重机，每次抬起2个环索节点，将南、北对称的环索节点从中间向两边逐步抬起。在斜拉索提升过程中环索节点依次脱离胎架，最大限度地减少了对胎架的扰动，此时，脱离后的环索节点和与之相连的上径向索、环索、斜拉索形成稳定的结构体系。

4)斜拉索同步提升

36根斜拉索分6级提升，提升力应缓慢分级增加，分级标准为各列撑杆下节点安装时机。每提升一级，安装环向每列撑杆下节点，下交叉稳定索与谷索相连，水平稳定索与下径向索相连；斜拉索就位时，为平衡吊塔塔顶变形，南北同步张拉后背索，索头孔心距支座锚固端耳板孔心0.25m。

5)下径向索同步张拉

斜拉索就位后，对36根下径向索进行同步等比例分级张拉；下径向索索头孔心距环梁耳板孔心1.11m；张拉下径向索过程中同步张拉后背索，在吊塔变形的限值内，使后背索就位时张拉力较小。下径向索张拉期间，吊塔变形敏感性高，施工过程中变形较大易引起混凝土开裂，因此，张拉应连续缓慢进行。

4 施工过程监测

本项目最大特点为混凝土结构与全柔性索网结构相结合，索结构施工张拉对结构整体位形和内力分布影响较大，为确保结构质量安全，对拉索索力、主体结构位形和应力进行全过程监测。

4.1 索力监测

索力监测主要针对主动索索力，包括36根斜拉索、36根下径向索、34根谷索和16根后背索。提升过程中，索力监测通过油压表来实现。索网成型后，采用JMM-268型索力动测仪进行索力测量。

4.2 结构变形监测

主要监测环梁、吊塔、环索索夹和后背索基础位移，采用全站仪进行测量。

1)环梁位移测点布设图9所示。与通常的索结构环梁为受压环不同，根据模拟计算，索网施工过程中，由于结构的抱箍效应，环梁中部向场地内(x方向)最大变形为138mm，环梁与吊塔连接部位向场地外(y方向)最大变形为49mm。

图9 环梁测点布设

2)吊塔同时承受斜拉索和后背索的拉力，在索网施工过程中，尤其对塔顶位移影响显著。本项目共2个吊塔，每个吊塔沿高度从下至上布设6个测点，吊塔测点布设如图10所示。

图10 吊塔测点布设

3)为控制后背索锚固基础在后背索作用下的变形，在基础4个角点和中点2个位置，共布设6个测点，如图11所示。

图11 后背索基础变形测点布设

4)通过环索位形控制索网成型位形，在环索节点中心布设反光片，环索位形测点布设如图12所示。

图12 环索位形测点布设

4.3 结构应力监测

本项目主要包含吊塔、环梁和环柱的应力监测，采用BGK-4000弧焊型振弦式应变计进行结构的应力测量。

施工过程中对吊塔、环柱受力敏感部位进行应力监测，测点布置如图13所示。

图13 应力测点布设

4.4 监测结果

实际监测结果与模拟理论值误差总体不超过10%，表明结构施工在控制范围内，满足设计要求。

5 结语

援柬埔寨国家体育场采用新型斜拉索桁结构屋盖体系，将全柔性鱼腹式索桁架与斜拉索相结合，边界条件采用现浇混凝土结构体系，结构传力复杂，施工经验不足，整体施工控制难度大，需制定合理可行的施工方案。

1)将索网张拉施工分为斜拉索、后背索提升安装和索桁架拼装张拉；采用索桁架低空胎架拼装、斜拉索整体提升、下径向索分步张拉、后背索分步张拉平衡吊塔顶部水平位移的施工方法。

2)环索节点采用分段螺杆式，能够有效承受环索节点处的不平衡力。深化设计时，应考虑结构线形，防止调节丝杆受弯。

3)环索节点脱离胎架，应减少对胎架的扰动。必要时可加固胎架，增加胎架的整体性和抗侧刚度。

4)研究索网施工全过程监测主体结构受力和变形，成型态时环梁受抱箍效应影响，中部向场地内变形，内表面受拉，根部向场地外变形，外表面受拉；吊塔塔顶位移较敏感，张拉过程需缓慢同步进行。