1、乐清市体育中心索结构乐清市体育中心索结构 施工新技术施工新技术 乐清市体育中心索结构施工新技术乐清市体育中心索结构施工新技术 概述索桁架概述索桁架 一 工程概况工程概况 二 工程特点工程特点 三 工程施工难点和对策工程施工难点和对策 四 索桁架总体施工方案索桁架总体施工方案 五 施工过程有限元分析施工过程有限元分析 六 索桁架(Cable Truss)是一种双层悬索体系双层悬索体系采用一系列下凹的承重索和上凸的稳定索代替上下弦杆，并通过上下索之间的连系杆(拉杆或压杆)连接 索桁架的施工通过张拉承重索或稳定索，或对两种拉索均进行张拉，均可使索系绷紧，在索桁架中形成并保持足够的张力，使其具有稳定的2、形状和承载能力 一、索桁架一、索桁架 旋转布置索桁架 平面索桁架 一、概述索桁架一、概述索桁架 南非开普敦体育场南非开普敦体育场Cape Town Stadium 2009年年11月完成屋盖施工月完成屋盖施工 国外工程案例国外工程案例 一、概述索桁架一、概述索桁架 巴西利亚国家体育场巴西利亚国家体育场 2013年年4月完成，月完成，71000人人 一、概述索桁架一、概述索桁架 波兰华沙国家体育场波兰华沙国家体育场 2011年年11月完成月完成5800人人 一、概述索桁架一、概述索桁架 深圳宝安体育场屋盖是大型的轮辐式空间索桁架结构，平面形状深圳宝安体育场屋盖是大型的轮辐式空间索桁架结构，平面形3、状为为237m230m椭圆形。针对该工程特点，最终选用“椭圆形。针对该工程特点，最终选用“先提升上径向先提升上径向索就位，再提升张拉下径向索就位索就位，再提升张拉下径向索就位”的安装张拉方案。”的安装张拉方案。一、概述索桁架一、概述索桁架 国内工程案例国内工程案例 一、概述索桁架一、概述索桁架 广东佛山世纪莲花体育场轮辐式索膜屋盖结构，采用广东佛山世纪莲花体育场轮辐式索膜屋盖结构，采用“先用工装索将内环先用工装索将内环拉索及其附带索头、索夹提升至拉索及其附带索头、索夹提升至38m高度处高度处(比设计标高比设计标高36m高高2m)，再进行屋，再进行屋盖索网结构的安装及张拉盖索网结构的安装及张拉”4、的整体提升施工方案。”的整体提升施工方案。国内工程案例国内工程案例 浙江省乐清市体育中心体育浙江省乐清市体育中心体育场采用场采用月牙形非封闭月牙形非封闭罩棚索膜结罩棚索膜结构，该新结构由刚性外压环梁构，该新结构由刚性外压环梁/柱、内环索、上径向索、下径向柱、内环索、上径向索、下径向索、吊索和压杆构成。体育场南索、吊索和压杆构成。体育场南北长约北长约229m，东西宽约，东西宽约211m，柱顶标高为柱顶标高为42m。索桁架共有。索桁架共有38榀，榀，最大悬挑最大悬挑57m，悬挑端最大，悬挑端最大标高标高26.95m，内环长达内环长达439m。拉索全部采用国产的大直径拉索全部采用国产的大直径Galf5、an镀层钢绞线索，上弦索镀层钢绞线索，上弦索和下弦索直径为和下弦索直径为100mm，吊，吊索为索为38mm，环索由，环索由8根直径根直径125mm索构成，拉索总重约索构成，拉索总重约470吨。吨。二、工程概况二、工程概况 整个屋面曲面为月牙形空间三维曲面，环索不封闭。整个屋面曲面为月牙形空间三维曲面，环索不封闭。工程尺寸规模大，共工程尺寸规模大，共38榀悬挑索桁架，最大悬挑约榀悬挑索桁架，最大悬挑约57m，悬挑端最大标，悬挑端最大标高为高为+26.590m，悬挑端边沿长约，悬挑端边沿长约440m。拉索规格尺寸大，索力大，拉索规格尺寸大，索力大，拉索最大直径达到拉索最大直径达到125mm。中部中6、部8榀索桁架的上、下径向索交叉，之间连系有吊索和压杆；两侧榀索桁架的上、下径向索交叉，之间连系有吊索和压杆；两侧24榀榀索桁架的上、下径向索之间仅有吊索；其余角部索桁架的上、下径向索之间仅有吊索；其余角部6榀索桁架的上、下径向榀索桁架的上、下径向索之间无连系。索之间无连系。由于各榀索桁架的形式不同，悬挑长度也不同，因此各榀索桁架的索力由于各榀索桁架的形式不同，悬挑长度也不同，因此各榀索桁架的索力差异较大。差异较大。在上下径向索的交叉点、吊索与径向索的连接点、径向索与环索的连接在上下径向索的交叉点、吊索与径向索的连接点、径向索与环索的连接点都存在索体抗滑的问题。点都存在索体抗滑的问题。由于拉索规7、格大、索头尺寸大，且一些连接节点处索间夹角小，因此节由于拉索规格大、索头尺寸大，且一些连接节点处索间夹角小，因此节点构造复杂。点构造复杂。三、工程特点三、工程特点 四、工程施工难点和对策四、工程施工难点和对策 1、索桁架施工方法索桁架施工方法 1）难点）难点 a.索桁架安装索桁架安装 常规工程：搭设满堂支架，在支架上组装索网，然后进行各索的张拉。常规工程：搭设满堂支架，在支架上组装索网，然后进行各索的张拉。本工程空间规模尺寸大，显然本工程空间规模尺寸大，显然搭设满堂脚手架的施工措施费用很高搭设满堂脚手架的施工措施费用很高，工工期长，而且将长索吊运至支架平台上展开和组装的难度也非常大期长，而且将8、长索吊运至支架平台上展开和组装的难度也非常大。b.索桁架张拉索桁架张拉 本工程不仅在各拉索上存在预拉应力，而且在压杆上还存在预压应力，本工程不仅在各拉索上存在预拉应力，而且在压杆上还存在预压应力，显然，显然，对所有的索和杆都主动张拉在本工程中是无法实现的对所有的索和杆都主动张拉在本工程中是无法实现的，不仅需要，不仅需要投入大量的设备和人员，工期长，而且增加了节点构造的复杂程度投入大量的设备和人员，工期长，而且增加了节点构造的复杂程度。2）对策）对策 a.索桁架安装方法索桁架安装方法 采用采用低空组装和空中牵引提升低空组装和空中牵引提升的方法将索杆系安装至高空的方法将索杆系安装至高空 在地面和看9、台上无应力组装环索、上下弦索、压杆、吊索在地面和看台上无应力组装环索、上下弦索、压杆、吊索；牵引上弦工装索，将索杆系提升至高空。牵引上弦工装索，将索杆系提升至高空。四、工程施工难点和对策四、工程施工难点和对策 低空组装和空中牵引提升的方法避免了大量满堂支架的搭设，大低空组装和空中牵引提升的方法避免了大量满堂支架的搭设，大大节省了施工费用，且低空组装提高了组装质量，高空作业量少，大节省了施工费用，且低空组装提高了组装质量，高空作业量少，施工安全；速度快，节省工期。施工安全；速度快，节省工期。b.索桁架张拉方法索桁架张拉方法 采用采用被动张拉技术被动张拉技术进行索桁架的张拉，当所有拉索的无应力长度10、进行索桁架的张拉，当所有拉索的无应力长度一定时，其成型的形状和预应力态也是对应确定的。因此，被动张一定时，其成型的形状和预应力态也是对应确定的。因此，被动张拉的索杆系只要按照一定的无应力长度组装，而主动张拉索作为输拉的索杆系只要按照一定的无应力长度组装，而主动张拉索作为输入预应力的端口，通过张拉主动索而在整个结构中建立预定的预应入预应力的端口，通过张拉主动索而在整个结构中建立预定的预应力。力。选择主动张拉索是关键。本工程索桁架沿径向辐射，为保证结构选择主动张拉索是关键。本工程索桁架沿径向辐射，为保证结构张拉质量，应选择径向索（上径向索或下径向索）作为主动张拉索。张拉质量，应选择径向索（上径向索11、或下径向索）作为主动张拉索。而在上径向索和下径向索的选择中，下径向索的索力相对小，为减而在上径向索和下径向索的选择中，下径向索的索力相对小，为减小施工张拉吨位，合理地应选择小施工张拉吨位，合理地应选择下径向索作为主动张拉索下径向索作为主动张拉索。四、工程施工难点和对策四、工程施工难点和对策 2、索桁架施工索桁架施工分析分析 1）难点）难点 索杆系施工过程的数值模拟分析（主要是针对牵引安装和张拉成型两索杆系施工过程的数值模拟分析（主要是针对牵引安装和张拉成型两个过程）个过程）施工阶段静力平衡态下的索杆系位形与结构成形状态差异较大，特别施工阶段静力平衡态下的索杆系位形与结构成形状态差异较大，特别是12、在早期施工阶段的差异非常大，是在早期施工阶段的差异非常大，存在超大位移且包含机构位移和拉存在超大位移且包含机构位移和拉索松弛索松弛，采用针对常规结构的线性静力有限元方法已无法解决。，采用针对常规结构的线性静力有限元方法已无法解决。2）对策）对策 采用发明专利分析方法采用发明专利分析方法“确定索杆系静力平衡状态的非线性动力确定索杆系静力平衡状态的非线性动力有限元法有限元法”（发明专利号：（发明专利号：ZL200910032743.6）。）。该方法很好地解决了存在超大位移和机构位移的索杆系施工全过程跟该方法很好地解决了存在超大位移和机构位移的索杆系施工全过程跟踪分析技术难题，通过多个索网、索桁架以13、及索穹顶工程的实践验证踪分析技术难题，通过多个索网、索桁架以及索穹顶工程的实践验证了其适用性和实用性了其适用性和实用性。四、工程施工难点和对策四、工程施工难点和对策 3、上、下弦索交叉节点构造上、下弦索交叉节点构造 1）难点）难点 本工程索桁架在本工程索桁架在28和和8995轴上，轴上，上径向索和下径向索交叉，特点：上径向索和下径向索交叉，特点：两侧存在较大的索力差；交两侧存在较大的索力差；交叉索的夹角较小，甚至有的只有叉索的夹角较小，甚至有的只有6.45。2）对策）对策 将上、下弦索在交叉点处断开，将上、下弦索在交叉点处断开，设置设置双热铸锚索头双热铸锚索头。交叉节点采用双热铸锚索头，避交叉14、节点采用双热铸锚索头，避免了索体滑动的问题，而且上、免了索体滑动的问题，而且上、下弦索位于同一个竖向平面内，下弦索位于同一个竖向平面内，传力明确，连接可靠。传力明确，连接可靠。五、索桁架总体施工方案五、索桁架总体施工方案 1 1、索桁架总体施工方案、索桁架总体施工方案 1 1、低空无应力组装、低空无应力组装 在环索下方的地面上在环索下方的地面上利用脚手架搭设环索利用脚手架搭设环索组装胎架；索杆系低组装胎架；索杆系低空组装。空组装。2 2、空中牵引提升、空中牵引提升 牵引上径向工装索，提牵引上径向工装索，提升整个索杆系。升整个索杆系。3 3、高空分级同步张拉、高空分级同步张拉 同步分级张拉下径向15、索，同步分级张拉下径向索，结构成型。结构成型。3 2 1 五、索桁架总体施工方案五、索桁架总体施工方案 2 2、拉索提升安装施工流程、拉索提升安装施工流程 工厂制索工厂制索 运输至现场拉索展开运输至现场拉索展开 上环梁安装作业挂架上环梁安装作业挂架 安装环索及索夹安装环索及索夹 安装径向索及索夹安装径向索及索夹 安装斜提升千斤顶安装斜提升千斤顶 斜提升上径向索环索带动升高环索斜提升上径向索环索带动升高环索 销接固定上径向索销接固定上径向索 牵引下径向索销接至下环梁耳板牵引下径向索销接至下环梁耳板 拉索张拉成型拉索张拉成型 工厂制索工厂制索 目前国内只能生产高钒钢绞线索目前国内只能生产高钒钢绞线16、索 国外的高钒密闭索国外的高钒密闭索 钢结构安装 钢结构安装 运输至现场拉索展开运输至现场拉索展开 上环梁安装作业挂架上环梁安装作业挂架 安装环索及索夹安装环索及索夹 环索直接摊铺在场地内，进行环索索环索直接摊铺在场地内，进行环索索夹安装夹安装 安装斜提升千斤顶安装斜提升千斤顶 专门研发了液专门研发了液压提升和预应力压提升和预应力张拉两用的专利张拉两用的专利组装千斤顶设备组装千斤顶设备 斜提升设备在东斜提升设备在东南大学土木试验中心南大学土木试验中心进行试提升进行试提升 研发的提升设备在江苏东台建设大厦工程钢研发的提升设备在江苏东台建设大厦工程钢连廊整体提升应用连廊整体提升应用 安装斜提升千斤17、顶安装斜提升千斤顶 在现场每个提升点安装研发的提升设备。与深圳宝安体在现场每个提升点安装研发的提升设备。与深圳宝安体育场环索斜提升的方法不同，提升设备是固定在钢环梁处。育场环索斜提升的方法不同，提升设备是固定在钢环梁处。安装径向索及索夹安装径向索及索夹 考虑现场施工条件在海边安考虑现场施工条件在海边安装，提升钢绞线表面进行了防装，提升钢绞线表面进行了防锈处理。锈处理。斜提升上径向索环索带动升高环索斜提升上径向索环索带动升高环索 先整体提升上径向索，下径先整体提升上径向索，下径向索挂在上径向索上，并同时向索挂在上径向索上，并同时带着固定在径向索的固定膜材带着固定在径向索的固定膜材的钢管拱肋的索夹18、。的钢管拱肋的索夹。销接固定上径向索销接固定上径向索 牵引下径向索销接至下环梁耳板牵引下径向索销接至下环梁耳板 （1 1）边索液压牵引提升销接到位）边索液压牵引提升销接到位 本次张拉过程将投入本次张拉过程将投入52台台YCW60B千斤顶，千斤顶，12台台YCW150B千千斤顶，斤顶，8台台YCW250B千斤顶。每千斤顶。每1个油泵和个油泵和2台千斤顶组合成为一台千斤顶组合成为一套张拉器具，完成一榀下弦索的张拉。（图为套张拉器具，完成一榀下弦索的张拉。（图为YCW250B千斤顶）千斤顶）黄色圈黄色圈为为YCW150B千斤顶配置轴线，即千斤顶配置轴线，即61、63轴；轴；红色红色圈圈为为YCW2519、0B千斤顶配置轴线，即千斤顶配置轴线，即65、67、69轴，对称分布，轴，对称分布，其余为其余为YCW60B千斤顶配置轴线。千斤顶配置轴线。YCW60B千斤顶将下径千斤顶将下径向索边索牵引到位向索边索牵引到位 （1）采用采用同步张拉下同步张拉下径向索径向索，即仅主动张拉下，即仅主动张拉下径向索，而上径向索、环径向索，而上径向索、环索、吊索和压杆等均为被索、吊索和压杆等均为被动张拉。动张拉。（2）分级同步张拉。）分级同步张拉。（3）模拟张拉过程，）模拟张拉过程，进行施工全过程力学分析，进行施工全过程力学分析，预控在先。预控在先。（4）拉索张拉控制采）拉索张拉控制采用双控原则：用双控原则：控制张拉20、力控制张拉力和位形，其中以控制张拉和位形，其中以控制张拉点的索力为主。点的索力为主。张拉方法张拉方法 下径向索张力成型下径向索张力成型 施工施工 阶段阶段 工况号工况号 下弦端索下弦端索 调节量调节量/mm 备注备注 张拉张拉 SG-7+250 3036、6167轴线上径向索连接就位轴线上径向索连接就位 下径向索与外压环连接下径向索与外压环连接 SG-8+200 SG-9+150 SG-10+100 SG-11+50 SG-11-30+30 SG-12 0 结构张拉成型结构张拉成型 张拉过程分析工况表张拉过程分析工况表 注意点：1、为弥补张拉锚固预、为弥补张拉锚固预应力损失和长期徐变预应应力损21、失和长期徐变预应力损失，最后超张拉至力损失，最后超张拉至105%。2、同步张拉细分为、同步张拉细分为5级：初紧状态级：初紧状态-20%-40%-60%-80%-92%-105%。其中前。其中前5级以级以张拉张拉行程行程控制，最后一级以索控制，最后一级以索力控制，张拉过程中，索力控制，张拉过程中，索力和张拉行程综合对照。力和张拉行程综合对照。3、模拟张拉过程，进、模拟张拉过程，进行施工全过程力学分析，行施工全过程力学分析，预控在先。预控在先。索力分析索力分析 根据设计要求：环索的初始预张力为根据设计要求：环索的初始预张力为24000kN。基于环索预。基于环索预张力和结构施工图的设计几何，通过张力22、和结构施工图的设计几何，通过找力分析找力分析确定索桁架中各索确定索桁架中各索段和压杆的初始预张力，及增加了结构自重后段和压杆的初始预张力，及增加了结构自重后初始态的索力初始态的索力。下弦索下弦索施工成型索力值表施工成型索力值表（未超张拉值）（未超张拉值）轴线轴线 2、95轴轴 4、93轴轴 6、91轴轴 8、89轴轴 10、87轴轴 12、85轴轴 14、83轴轴 索力索力/kN 980.5 960.2 969.2 871.6 897.1 796.8 770.3 轴线轴线 16、81轴轴 18、79轴轴 20、77轴轴 22、75轴轴 24、73轴轴 26、71轴轴 28、69轴轴 索力索力/23、kN 750.2 755.5 729.8 745.8 761.1 806.6 911.7 轴线轴线 30、67轴轴 32、65轴轴 34、63轴轴 36、61轴轴 39、58轴轴 索力索力/kN 1022.2 1157.5 1342.8 1546.6 1733.8 江苏省公路桥梁工程技术研究中心 东南大学 江苏注册结构工程师继续教育培训江苏注册结构工程师继续教育培训2012 江苏省公路桥梁工程技术研究中心 东南大学 江苏注册结构工程师继续教育培训江苏注册结构工程师继续教育培训2012 六、施工过程有限元分析六、施工过程有限元分析 按照上述施工方案，本文采用计算机仿真技术，模拟了按照上述施工方案24、，本文采用计算机仿真技术，模拟了12种施工工况。分种施工工况。分析软件采用通用有限元软件析软件采用通用有限元软件ANSYS12.0，拉索采用仅受拉、不受压、不受弯，拉索采用仅受拉、不受压、不受弯的索单元，撑杆采用两端铰接杆单元。提升牵引和张拉过程分析工况见下表。的索单元，撑杆采用两端铰接杆单元。提升牵引和张拉过程分析工况见下表。施工施工 阶段阶段 工工 况况 号号 上弦上弦 工装工装 索长索长 下弦下弦 工装工装 索长索长 下弦下弦 端索端索 调节量调节量/mm 备注备注 牵引牵引 提升提升 1 100%100%+250 19轴钢拉杆连接就位轴钢拉杆连接就位；114轴上径向索牵引轴上径向索牵引25、提升提升 2 80%100%+250 3 60%100%+250 4 40%100%+250 5 20%100%+250 6 0%100%+250 张拉张拉 7 +250 114轴上径向索连接轴上径向索连接就位，下径向索与外就位，下径向索与外压环连接压环连接 8 +200 9 +150 10 +100 11 +50 12 0 结构张拉成型结构张拉成型 施工过程中环索节点的标高变化曲线施工过程中环索节点的标高变化曲线 施工过程中上弦索索力变化曲线施工过程中上弦索索力变化曲线 施工过程中下弦索索力变化曲线施工过程中下弦索索力变化曲线 六、施工过程有限元分析六、施工过程有限元分析 经施工过程分析：在26、经施工过程分析：在提升牵引阶段，位形变化大提升牵引阶段，位形变化大，内环关键点标高均衡增加，内环关键点标高均衡增加，上径向索索处于受力绷紧状态上径向索索处于受力绷紧状态，索力分布均匀，下径向索悬挂在上径向索之下；在工况索力分布均匀，下径向索悬挂在上径向索之下；在工况712的下径向索的下径向索张拉阶段，位形变化较小张拉阶段，位形变化较小，内环关键点，内环关键点标高基本稳定，上、下径向索索力逐渐增加，且下径向索标高基本稳定，上、下径向索索力逐渐增加，且下径向索索力增幅较大。索力增幅较大。根据位形和索力变化情况，在提升牵引阶段，上径向根据位形和索力变化情况，在提升牵引阶段，上径向索和环索构成了主承力27、子结构，最后通过张拉下径向索使索和环索构成了主承力子结构，最后通过张拉下径向索使整个结构刚化成型。整个结构刚化成型。六、施工过程有限元分析六、施工过程有限元分析 膜面支承钢管拱肋安装膜面支承钢管拱肋安装 膜面安装膜面安装 体育场 游泳馆 体育馆 乐清市中心区体育中心乐清市中心区体育中心 游泳馆工程施工游泳馆工程施工 钢管环梁 环索连带径向索整体提升安装环索连带径向索整体提升安装 环索提升采用研制的组装式提升与张拉两用环索提升采用研制的组装式提升与张拉两用液压千斤顶。液压千斤顶。环索连带径向索整体提升安装环索连带径向索整体提升安装 20根径向索张拉根径向索张拉 径向索穿过屋面，上端与周边环管连接，径向索穿过屋面，上端与周边环管连接，下端与中心拉力钢环连接。下端与中心拉力钢环连接。体育馆工程施工体育馆工程施工 24根径向索安装根径向索安装 环索整体提升安装环索整体提升安装 坐落在内钢环梁上的液压提升设备坐落在内钢环梁上的液压提升设备 谢谢