正六边形平面弦支穹顶结构施工技术

Ｓｔｅｅｌ跏动胖Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，蛳，Ｚｈｅｊ／ａｎｇ （１．Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓａｔｔａｅ，＆／ｊ／ｎｇ
２．Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ｊｉｎｇｇｏｎｇ
１０００３９，Ｃｈ／ｎａ；
３１２０３０，Ｃｈ／ｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ－ｄｏｍｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｗａ￥ｕｓｅｄ ｉｎ ｒｏｏｆ ｏｆ Ａｎｈｕｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｇｙｍｎａｓｉｕｍ，ｗｈｉｃｈ ｈａｄ ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄ ｒｉｎｇ ｃａｂｌｅｓ ａｎｄ ｒａｄｉｕｓ ｒｏｄｓ．Ｔｈｅ ｐｒｅｓｔｒｅｓｓ ｌｏａｄ Ｗｉｌｌ８ ａｄｄｅｄ ｂｙ ｓｔｒｅｔｃｈｉｎｇ ｒａｄｉｕｓ ｒｏｄｓ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｓｔｒｅｔｃｈｉｎｇ ｌｏａｄｓ，ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｊａｃｋｓ ｗｅｒｅ ｓｅｌｅｃｔｅｄ ｔｏ ｅｎｓｕｒｅ ｓｔｒｅｔｃｈ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ａｎｄ ｒｅｄｕｃｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｄｉｆｆｉｃｕｌｔｙ．Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｗａｓ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｂｙ ｓｏｆｔｗａｒｅ ＡＮＳＹＳ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｗｅｒｅ ｍｏｎｉｔｏｒｅｄ ｄｕｒｉｎｇ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｔｏ ｅｎｓｕｌｔ七ｓａｆｅｔｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｇｙｍｎａｓｉｕｍ；ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ－ｄｏｍｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｐｒｅｓｔｒｅｓｓ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
３０．３ｍｍ，最大向下位移为２２．３ｒｒａｎ；钢结构最大应力
２５５ＭＰａ，满足安全要求；在第２级第４步张拉后的支撑
胎架轴力全部为零，说明结构此时已经完全脱离胎架，
因此可以安全的拆除胎架。根据以上计算结果，说明
张拉方案是可行的，张拉过程满足安全要求。 ４施工监测
４．１监测目的
万方数据
５８
施工技术
第３７卷
顶脊梁口５００×２００ Ｘ ８ Ｘ １０、采光顶其他构件截面为
口３００×１００×６Ｘ ８。预应力杆件主要由两部分组成：环 向拉索和径向拉杆。环向拉索采用钢拉索，规格为
万方数据
Βιβλιοθήκη Baiduｊ６５姗Ｘ １９９、ｊ５５咖Ｘ １０９、乒５衄×５５、庐５咖×３１；径向拉
杆采用钢拉杆，规格为：声９０、￥６５、，５４５、≯３５ ４种。预应 力拉索材料屈服强度不小于１ ６７０ＭＰａ；预应力拉杆材 料采用合金结构钢，屈服强度不小于５５０ＭＰａ，抗拉强 度不小于７５０ＭＰａ；预应力拉索和拉杆抗拉弹性模量不 小于１．９Ｘ ｌＯｓＭＰａ。 ２预应力施工技术 ２．１施工流程
１结构体系
本工程屋盖为弦支穹顶结构，屋盖结构主要由８ 部分组成：外桁架、内桁架、主脊梁、径向梁、环向梁、局
部突出屋面钢结构、中央采光顶钢结构和预应力杆件。
屋盖结构体系主要受力构件采用Ｑ３４５方钢管。主要构 件的截面尺寸为：主脊梁口７５０×３５０×１２×１６。环向梁 口５００×３００×８ Ｘ １０、径向梁口６００ Ｘ ３００×８ Ｘ １０、采光
确定了张拉顺序后，采
用ＡＮＳＹＳ软件对整个张拉 施工过程进行了施工仿真分
析，以确定每步的张拉值和
结构的变化情况。ＡＮＳＹＳ施
工仿真分析模型如图３所 示。
经过计算分析，每级张
图３施工仿真分析模型
拉完成后各预应力杆件的预应力值如表２所示，张拉
完成后最外圈环向索ＨＳｌ的预应力值与设计值误差最 大为１．２％。在张拉过程中，结构的最大向上位移为
１）张拉设备选用 该结构的径向拉杆的张拉力值为５组，分布范围 较广，从１００ｋＮ到１ ８００ｋＮ，最大张拉力比较大，为了保 证张拉的精度，减少施工操作的难度，选用了２３ｔ、６０ｔ 和１５０ｔ三种千斤顶进行张拉。由于每个张拉点需要２ 台千斤顶，每次都是６个张拉点同时张拉，这样３种规 格的千斤顶分别需要１２台，总计共使用张拉设备千斤 顶３６台。 ２）张拉工装的设计 对应３种张拉设备设计了３种张拉工装，其中最 外两圈张拉力较大，使用同一种工装，如图２所示，中 间两圈使用第１种工装的锥套部分，最内圈预应力值 较小，采用夹板式工装，使用钢绞线进行张拉。 ３）张拉控制参数选取 在张拉过程中采用何种方法控制施加的张拉力是 施工中一个重要的环节。通常有３种控制方法：①张
２）工装的设计应做到有效、方便操作。工装的设 计合理与否将直接影响工程的施工进度，因此在预应
监测位置编号 ｃ监测点起拱值
图５监测结果
力钢结构工程中工装的设计尤为重要。 ３）根据结构的形状，制定了合理的张拉控制方法，
既确保了结构形状的同时，又保证了施加的张拉力的 大小。
４）预应力没有施加前，结构的刚度较差。施工前 必须要对施工过程进行仿真计算，确保施工过程中的 安全性，以计算结果指导施工，保证结构安装完毕后达 到设计要求。
本工程监测包括两个方面的内容：应力和起拱值。 应力监测主要包括径向钢拉杆和撑杆的应力，共布置 了４２个监测点。起拱值主要是指结构向上的反拱位 移，共监测了１９个点。监测点布置如图４所示。
ｃ起拱值监测点
图４监测点布置示意 ４．３监测结果
在张拉过程中及张拉完成后对监测点都进行了监 测，张拉完成后部分实测结果与理论计算值如图５所示。
５）施工监测也是预应力钢结构施工的重要环节， 通过对结构应力和变形的监测，能提前发现施工过程 中的安全隐患，寻找原因，分析解决问题。同时还可积 累资料，充分扩展对预应力钢结构特性的认识，推动预 应力钢结构的发展。 参考文献： ［１］陆赐麟，尹思明，刘锡良．现代预应力钢结构［Ｍ］．北京：人民交
通出版社，２００３． ［２］ 日本钢结构协会．钢结构技术总览．建筑篇［Ｍ］．陈以一，傅攻义
张拉摊旅嚣臀鬻工期 表１ ２种张拉方法比较
第１种方法
１０
６
第２种方法
５
１２
３
１５
长
６
３０
短
考虑施加预应力应该分批次、分阶段的原则，将预 应力的施加分为三级：第１级张拉到设计值的３０％，第 ２级张拉到设计值的７０％，第３级张拉到设计值的 １００％，使之符合设计要求的预应力状态。这样整个张 拉过程共分为１５步。 ２．３预应力施工技术要点
３预应力施工仿真计算
弦支穹顶结构是由上层的单层网壳结构和下层的
拉索结构组成，结构在没有施加预应力之前，上层的单
层网壳结构的刚度较弱，施工时为了确保安全应采用
胎架支撑。随着预应力的施加，结构会产生向上的位 移，当这种向上的位移大于由结构自重产生的向下的
位移时，结构便会脱离胎架。根据胎架的搭设位置，可
通过弹簧单元来模拟胎架的作用。
司波等：正六边形平面弦支穹顶结构施工技术
５７
进行第３级张拉径向钢拉杆到１００％设计张拉力。 ２．２预应力施加方案
弦支穹顶结构预应力的施加一般有２种方法，即 张拉环向索和张拉径向索。安徽大学体育馆弦支穹顶 环向由４圈钢拉索组成，各圈钢拉索的设计张拉力由 外到内依次为１ ７２０、９５４、４７６１０１和２３８ｋＮ；径向由５圈 钢拉杆组成，各圈钢拉杆的设计张拉力由外到内依次 为１ ８００、１ ０００、５００、２５０ｋＮ和１００ｋＮ。假定张拉环向拉 索，由于第５圈没有环向拉索，则第５圈必须改为张拉 径向拉杆，因此直接采用张拉径向钢拉杆的方法施加 预应力。
表２预应力杆件的预应力值
Ｊ（Ｎ
豢蓑ｘｓ－ＸＳ２ ＸＳ３煳ＸＳ５吲ＨＳ２ ＫＳ３麟
１
５９０．０ ３２１．５
２ １ ３００．０ ７１７．９
３ １ ８００．０ ９９９．９
１５３．４ ７０．３ １９．７ ５６５．５ ３０７．５ ３５５．９ １７６．０ ６５．４ １ ２５０．０ ６８８．９ ５００ ３ ２５０．２ １００．６ １ ７４０．０ ９６２．０
施工技术
ＣＯＮｓｌ：ＲＵ衄ＯＮ ７ＩＥＣＨＮ０【Ｊ）（玎
２００８年４月 第３７卷第４期
正六边形平面弦支穹顶结构施工技术
司 波１，秦杰１，张然１，沈斌１，黄明鑫２
（１．北京市建筑工程研究院，北京 １０００３９；２．浙江精工钢结构有限公司，浙江柯桥３１２０３０）
［摘要］安徽大学体育馆屋盖为弦支穹顶结构，环向拉索和径向拉杆采用预应力技术。通过张拉径向钢拉杆的方法
施加预应力。根据径向拉杆的张拉力值选用不同的千斤顶进行张拉，保证了张拉精度，减少了施工操作的难度。
采用有限元分析软件ＡＮＳＹＳ对整个施工过程进行了仿真分析，同时对整个张拉过程中的结构应力和变形进行了监
测控制，以保证施工安全。
［关键词】体育馆；弦支穹顶结构；预应力；仿真计算；施工技术
［中图分类号】ＴＵ３９４
该结构平面为正六边形，考虑施加预应力应该对 称的原则，径向钢拉杆的张拉可采用２种方法：①同时 张拉对称的３个轴线的径向钢拉杆，这样张拉１圈径 向钢拉杆就需分２步完成；②同时张拉６个轴线的径 向钢拉杆。假定结构为一级张拉成形，则２种张拉方 法的优缺点如表１所示。由表１可知，第１种张拉方 法比较经济，但是本工程由于工期要求，采用第２种张 拉方法。
总体安装顺序：在六角形主脊梁与内环梁交接处 和中心点位置搭设７处支撑胎架一高空拼装外桁架和 内桁架一拼装主脊梁、径向钢梁和中间采光顶区域钢 梁一拼接环向钢梁一安装屋面突出部分钢梁一安装钢 拉索一安装钢拉杆一由外圈向里圈进行第１级张拉径 向钢拉杆到３０％设计张拉力一由外圈向里圈进行第２ 级张拉径向钢拉杆到７０％设计张拉力一由外圈向里圈
译．北京：中国建筑工业出版社，２００３． ［３］王泽强，秦杰，徐瑞龙，等．２００８年奥运会羽毛球馆弦支穹顶结
构预应力施工技术［Ｊ］．施工技术。２００７。３６（１１）：９－１１．
图２ １ ８００ｋＮ张拉工装
拉力控制法 直接拉到所需要的力，这种方法简单易
操作，但由于各个点张拉操作速度很难保证同步，如果
某点张拉速度过快就有可能造成结构整体偏移；②伸 长值控制法理论上材质、长度相同的钢拉杆的伸长
值相同，那么施加的预应力也是一样的，但是实际上由
于钢结构的安装误差以及测量误差，张拉完后各个钢
【收稿日期］２００８－０２－１８ 【基金项目】北京市科技项目（２０００５１８４０４１ １３１） ［作者简介］司波，北京市建筑工程研究院预应力及空间结构 研究所工程师，北京市复兴路３４号 １０００３９，电话： １３６７１２４７１６０．Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｉｂｏ．２１】０３＠１６３．∞。
２００８ Ｎ０．４
安徽大学体育馆位于安徽大学新校区内，建筑造
型呈钻石形，平面为正六边形，柱网外接圆直径为
８７．７５７ｍ，高度为１４．５ｍ，矢跨比约为１，６。下部为钢筋
混凝土框架结构，屋盖为钢结构，结构形式为弦支穹
顶，屋面局部突出，屋
盖中央设置正六边形
的采光玻璃天窗，其
外接圆直径２４ｍ。建
筑效果如图１所示。
图１安徽大学建筑效果
１４６．４ ６７．０ ３４０．５ １６７．９ ４７９．６ ２３９．１
注：ＸＳｌ表示最外圈径向钢拉杆，ＨＳｌ表示最外圈环向钢拉索， 其余编号由外圈到内圈依次类推
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在未施加预应力之前，结构的整体刚度较差，为了 使结构的预应力施加均匀，满足设计要求，即同一圈的 径向钢拉杆和钢拉索都能施加上相同的预应力值，就 必须在张拉过程中进行施工监测。 ４．２监测点布置
拉杆的拉力不完全相同；③综合控制法 即２种控制 方法同时采用。本工程结构形式为正六边形，在张拉
过程中，如果结构变形不对称，整个结构将会发生扭转
变形，则增大了结构的初始缺陷，因此在张拉过程中采
用第３种控制方法。张拉时先采用伸长值控制，在最后
阶段采用张拉力控制，这样最后施加的预应力和结构
的位移变形值都可以控制在规范允许的误差范围之 内。
［文献标识码】Ａ
［文章编号】１００２－８４９８（２００８）０４ｄ瑚６－０３
Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｒｅｇｕｌａｒ·ｈｅｘａｇｏｎ Ｐｌａｎｅ Ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ Ｄｏｍｅ
Ｓｉ Ｂ０１，Ｑｉｎ Ｊｉｅｌ，Ｚｈａｎｇ Ｒａｎｌ，Ｓｈｅｎ Ｂｉｎｌ，Ｈｕａｎｇ Ｍｉｎｇｘｉｒｌ２
由图５监测结果可见：通过张拉径向钢拉杆对结 构施加预应力，径向钢拉杆的拉力比理论计算值小，撑 杆压力实测值在理论计算值附近，起拱的实测值比理 论值大。 ５结语
１）安徽大学体育馆屋盖为六边形的弦支穹顶结 构，在屋脊处对称设置６道钢梁，沿脊梁从外到内按间 距递增１０％的规律设置５道环梁、斜拉杆及撑杆。布 索方式与屋盖的平面形状协调一致，简洁明了。