索膜结构罩棚工程施工技术案例分析

索膜结构罩棚工程施工技术案例分析

摘要：体育场索膜结构罩棚钢结构部分采用大跨度悬挑斜拉索结构体系的开敞式新颖结构形式。看台顶棚钢结构为斜拉索加钢管桁架结构体系，由于悬挑较长且为开敞式，故弯矩大受风荷载影响明显加之沙漠地区风荷载更加明显，深化设计中活荷载取0.3km/m2风荷载取0.55km/m2，雪荷载取0.3km/m2。与主体钢结构对应，膜顶棚由29个马鞍形膜单元组成，峰谷鲜明，矢高2.5m，每个膜单元面积约100m2，每个膜单元之间天沟连接相邻单元天沟间防水膜覆盖。由于膜材是一种柔性织物，要想作为一种建筑材料具有一定的造型，必须给其施加一定数值的预张力，可以通过膜节点索的调节从而使预张力达到设计要求。本工程膜结构形式为张拉膜形式，沿径向硬边用螺栓与铝压板与主体钢结构桁架梁连接，檐口采用弧形软边钢索张拉，硬边的安装过程同时也是沿经线方向张拉的过程，硬边安装完成后要达到受力要求。

关键词：非线性；有限元；大跨度悬挑；卸载

1 工程概况

张掖国家沙漠体育公园位于甘州区城南13km处，东南宽 4.3km，南北长11.4km，总面积35km2，是全国距离城市最近的沙漠体育公园，公园国际赛车场占地面积约60000m2，按国际标准赛车场设计，主看台坐北向南，为极富动感的圆弧造型，面向沙漠，背靠绿洲，视野开阔，长170m，宽22m，设有3000个坐席，看台上方的风雨罩棚为索膜结构，膜棚为时尚浅黄色，与沙漠浑然一体。整体投影面呈月牙造型，流畅、美观。索膜结构罩棚投影面积2059m2，展开面积2326m2。钢结构为钢管柱主支撑，悬挑变载面钢管桁架梁，桁架梁之间连接圆弧热钢管连系梁，相贯线焊接。悬挑桁架梁与钢管柱通过Φ20柔性钢索张拉连接，悬挑桁架檐口相对标高12.7m，工程最高相对点标高24.6m超过24m，悬挑梁最长处悬挑16m，属长臂悬挑桁架梁，弯矩较大给结构施工带来很大难度，钢管柱采用Φ530mm×16mm，Q345B热钢管，桁架梁上下弦杆均采用Φ180mm×6mm 垫钢管，腹杆采用Φ60mm×3.5mm。支座采用刚性固定支座，本工程整体用钢量较大，沙漠地区施工条件艰苦，早晚温差大，而且几乎每天下午15：00都会伴随一场沙尘暴，所以施工难度相对较大，本文就本工程的特点作施工技术说明（见图1）。

2 技术措施

2.1 施工进度计划

本工程工期紧、工作量大，沙漠地区气候相对恶劣，安装难度大，新材料、新工艺、专业性强，部分材料需提前定做，所以必须进行统筹规划，做好详细的施工进度计划，根据现场土建施工及吊装机具情况及工厂车间生产情况以及各时间节点参数、工艺参数拟如下双代号网络图作为施工进度计划严格执行，如图2。

2.2 结构体系

体育场索膜结构罩棚钢结构部分采用大跨度悬挑斜拉索结构体系的开敞式新颖结构形式。看台顶棚钢结构为斜拉索加钢管桁架结构体系，由于悬挑较长且为开敞式，故弯矩大受风荷载影响明显加之沙漠地区风荷载更加明显，深化设计中活荷载取0.3km/m2 风荷载取0.55km/m2，雪荷载取0.3km/m2。与主体钢结构对应，膜顶棚由29个马鞍形膜单元组成，峰谷鲜明，矢高2.5m，每个膜单元面积约100m2，每个膜单元之间天沟连接相邻单元天沟间防水膜覆盖。由于膜材料本身没有抗压和抗弯刚度，抗剪强度很若，因此其刚度和稳定性需要靠膜曲面的曲率变化和其中预应力来提高，对膜结构而言，任何时候不存在无应力状态，因此膜曲面形状最终必须满足在一定边界条件、一定预应力条件下的力学平衡，并以此为基准进行荷载分析和裁剪分析。在荷载作用下膜材料的变形较大，且随着形状的改变，荷载分布也在改变，因此要精确计算结构的变形和应力要用几何非线性的方法进行。在外荷载作用下膜中一个方向应力增加而另一个方向应力减少，这就要求施加初始张应力的程度要满足在最不利荷载作用下应力不致减少到零，即不出现皱褶。因为膜材料比较轻柔，自振频率很低，在风荷载作用下极易产生风振，导致膜材料破坏，如果初始预应力施加过高，膜材变形增大，易老化且强度储备少，对受力构件强度要求也高，增加施工安装难度。根据膜面找型、应力状况和业主投资情况我们膜材选择聚酯纤维基材PVDF膜材，如表1。

2.3 钢结构吊装方案

本工程由于运输及场地机械等限制，我们综合考虑钢结构安装采用高空散装法，该工程选用一台50t汽车吊作为钢结构垂直运输的主要机械，场内卡车驳运按“柱—梁—索”顺序从15轴向两侧对称吊装，所有焊接完成后对结构进行卸载，并调节拉索。（图3）由于拉索的张拉，结构的初始位形和最终位性可能存在差别，实际施工中我们对桁架采用分段安装方式，没两段之间为焊接预留有一定的空隙，此见习可兼用做调节，初始位形与最终位形差别，每个间隙调节量方根据每段仿真分析结果来确定，绘制三维实体模型，充分考虑焊接工艺，绘制节点详图，保证三维定位相对坐标，确保节点加工精度，在张拉索之前，应该分析拉索与桁架之间的应力。待桁架梁安装完成后，按流水作业挂索并张拉，张拉过程采用对称张拉，在张拉前进行有限元模拟仿真分析，以分析结果为依据，严密监控拉索张拉过程，以确保最终结构应力满足设计要求，拉索张拉时实行双控，即控制结构竖向位移和索力，对桁架关键点进行位移和索力监测，全站仪监测位移，以千斤顶为测力工具，在张拉初期还没有成型的结构随索力增加而变形较大，故此时应监控位移。随着张拉进行，结构逐渐成型，结构自身刚度不断提高，位移较小，这时以索力监控为主。这样我们就可以通过索张拉的控制来减小总体变形确保钢结构安装精度。

2.4 施工控制

2.4.1 测量

由于该工程对精度的搞要求，我们采用多阶段、高精度，高密度的三维测量

技术。主要表现在对钢管桁架安装的定位测量，对拉索张拉位移的测量，利用BIM建模模拟施工等采用全站仪和人工测量相互检查从而减少误差，控制桁架矢高与变形。2.4.2 焊接控制

由于本工程构体数量多，现场节点多样，焊接数量较大，二次相贯隐蔽焊接多，对焊缝质量要求高，质量控制难度大，沙漠地区早晚温差大，平均早晚温差15℃左右，都对焊接有一定影响，实际操作中温度较低时注意母材预垫及焊后保温，并进行探伤检测从而保证焊接质量达到验收规范要求保证角焊缝厚度，按表2执行。

2.5 膜面安装

在设计上考虑膜的二次张拉的要求，将至少保证其中一侧膜边界设计为可调边界，这样就可以保证膜面通过张拉索式张拉螺栓逐步施加预张力并可在今后的维护养期内消除膜的松弛、皱褶等不良现象。

本工程膜单元分为29个，根据现场实测数据裁剪分割膜片。29个膜单元全部独自放样，故在膜材进场前分别对应编号对应安装，每个膜单体80～120m2不等。这里以面积最大的15号膜体为例来叙述安装方法，因为单体膜面积不是很大，重量也相对较轻，故可以采用在地面折叠，50t汽车吊垂直提升至安装胎架上空中展开，空中组装的方法进行安装。

膜安装之前在膜单元风边搭设了操作平台，以便展开膜单元及进行膜单元风边的固定。为防止安装过程中沙漠地区极易变化的恶劣天气，施工现场为沙漠地区，每天下午15：00～16：00会有六、七级大风伴随沙尘暴袭击，所以我们对所有膜体进行先固定后加固的方案，保护膜体不受损失。

由于膜材是一种柔性织物，要想作为一种建筑材料具有一定的造型，必须给其施加一定数值的预张力，可以通过膜节点索的调节从而使预张力达到设计要求。

本工程膜结构形成为张拉膜形式，沿径向硬边用螺栓与铝压板与主体钢结构桁架梁连接，檐口采用弧形软边钢索张拉，硬边的安装过程同时也是沿经线方向张拉的过程，硬边安装完成后要达到受力要求。整个过程按如下步骤流水施工。

2.5.1 安装绳网

膜面就位，膜面展开，松开部分绳网。

2.5.2 沿硬边一边挂起紧绳器两端张拉使硬边一角与设计位置吻合

临时固定对角张拉到位，为防止气候变化可能发生起风、沙尘暴等，应以绳索临时揽住膜面，每隔1m揽一道麻绳或尼龙绳，待整条膜边中基准线线与钢桁架上的下压板孔中心线位置相一致时开始固定一边螺栓，等待一边固牢固后用夹