文/天津三建建筑工程有限公司 赵迎斌 邓应平 张永坡 曲红红
弦支穹顶结构是日本法政大学川口卫教授在综合单层网壳和索穹顶结构优点的基础上，提出的一种新型预应力大跨度空间结构。该结构形式新颖，传力明确，成型后自稳定性能优异，但施工过程力变复杂，杆件受力变化多，张拉风险大。目前国内弦支穹顶施工技术和经验较为零散，对其研究与应用较少。天津三建建筑工程有限公司 （以下简称“天津三建”）在工程中对大跨度椭圆形弦支穹顶结构施工技术进行研究，采用先进的盘扣式支撑架体、信息化技术、仿真技术及无线监测技术等，形成了一套完整的适合弦支穹顶结构施工的工法，最终保证了2017年第十三届全运会场馆之一——天津中医药大学新建体育馆如期投入使用。
天津中医药大学新建体育馆工程位于天津市静海县，是我国2017年全运会场馆之一。该项目获评2015年度“中国钢结构金奖”，其整体建筑造型体现了“旋转”“围绕”的喻意，代表着喜悦和对生命的热情。
天津中医药大学新建体育馆总建筑面积17420m2，主体1层，局部4层，建筑高度为24.3m。平面呈椭圆形120m×100m，主体由混凝土框架结构和钢屋盖组成。屋盖采用弦支穹顶结构（见图1）。支撑钢屋盖的混凝土柱共58根，分为两圈，外圈柱32根，柱顶标高16.13～21.89m；内圈柱26根，柱顶标高20.14～21.89m。北侧场馆入口处，在抽空6根柱的区域采用加强桁架，截面呈三角形，跨度为55.6m，高度为4.5m。
钢屋盖由大跨度椭圆形弦支穹顶和外围径向桁架组成（见图2）。弦支穹顶长轴92.2m，短轴73m，矢高6.5m，通过弹簧支座支撑于内圈26根混凝土柱顶上，与外围径向桁架连接成整体。预应力构件由4圈环向拉索、5环径向拉杆和81根竖向撑杆组成。
外围桁架结构，由32榀平面桁架及环杆构成，单榀桁架高15～20m，宽13～17m，桁架水平段与柱顶弹簧支座焊接，桁架垂直段与柱外侧埋件焊接，环杆以此在平面桁架间安装焊接，构成稳定体系（见图3）。
图1 天津中医药大学新建体育馆
图2 屋盖钢结构长轴立面示意
钢屋盖安装变形控制。整体网壳为椭球面，上部网壳为单层新型焊接球网壳（施威德勒-凯威特型）；下部4环环向拉索、5圈径向拉杆及撑杆组成柔性体系；支撑结构为不连续性支座；与外围径向异形平面桁架相连。这些特性在国内尚无范例，目前国内建筑钢结构领域中缺乏相关施工技术和经验，给施工安装的内力和变形控制带来困难。
安装精度控制。由于网壳拼装完成后需要进行预应力张拉，张拉过程中网壳会经过复杂的力变状态，某些杆件会从受压变为受拉，中部起拱值达到67mm，安装精度要求特别高，精度控制是保证张拉后成型的重点和难点。
架体选型与搭设。弦支穹顶结构上部为单层网壳椭球形曲面，支撑架体必须按照穹顶的曲面搭设成塔式阶梯状，这就需要较多参差不齐的竖向立杆来满足搭设（见图4）。下部弦支结构的支撑架体在遇竖向撑杆、径向拉杆和环索时应灵活避开，以满足结构和施工需要。同时支撑架体还要满足支撑网壳荷载要求，且作为施工作业操作平台和索杆体系安装、张拉操作平台等，给架体选型和搭设带来困难。
图3 弦支穹顶结构
图4 塔式阶梯状支撑架
高钒索安装与张拉。椭球形网壳下挂高钒索，高钒索平面形状呈椭圆形，索张拉过程摩擦力加大，预应力损失严重，造成各段索力均不相同，高钒索最大直径为86mm，索重3.75t，挂索安装难度大，张拉最大应力为1801kN，给施工安装和张拉带来困难（见图5）。
图5 大直径高钒索
监测点位布置。采用先进的监测设备保证精准性。为提高监测数据的可靠性和监测反馈数据的有效性，监测点位的数量和布置是关键。
弦支穹顶结构支撑架体的选择。
由于网壳球节点标高多变，支撑架体顶端标高不一致，并需反复调整。经多种架体方案优化，采用了盘扣式脚手架，该架体稳定性好，承载力高，调整灵活方便，为环索、撑杆、拉杆的安装和预应力张拉施工带来极大方便（见图6）。在架体搭设前，利用BIM技术建立了网架和支撑架体模型，进行了碰撞检验，规避了施工过程中支撑架体杆件与预应力杆件的碰撞问题。
图6 盘扣式脚手架
内圈高钒索结构优化。内环索环半径小且设计呈六边形，环索为50mm实心高钒索，刚度大，折弯镶嵌入撑杆下预留空位施工困难。经有限元软件Midas仿真计算分析结构受力情况，将拉索和拉杆性能对比，优化设计，将高钒索改为环向拉杆（见图7）。
图7 内圈环索优化
球节点空间精准定位。单层网壳安装须对417个焊接球、1921个杆件精准定位，设定了三级控制网，搭建测量平台，自行设计研制了三维可调节定位转换装置（见图8），采用了全站仪定位方法，做到随定随核，一步一核，焊前与焊后复核，整体完工复核，预应力张拉前复核。网壳拼装后，纵横向长度偏差为5mm，最大挠度值为16mm，满足规范和设计要求。
图8 三维可调节定位转换装置
异形平面桁架安装焊接。周圈58根立柱处异形平面桁架分段吊装，空中对接处采用曲臂升降车作为拼装、焊接操作平台，操作方便合理，节约环保，经济实用（见图9）。
图9 曲臂升降车作为安装焊接操作平台
单层网壳焊接。焊接球和杆件的连接共有3842道焊缝，设计等级为全熔透二级焊缝，焊前做了焊接工艺评定，为减少焊接应力及变形，采取由外向内分环分区对称焊接，全部焊缝经超声波探伤检测100%合格。
预应力施工工艺。预应力张拉风险大，经多种张拉方案比较优化，采用张拉“径向拉杆”的方法，通过Midas软件仿真计算，确定了每根杆件的张拉力和变形值。张拉原则以“控制张拉力为主，结构变形为辅”。 先从内圈向外圈逐圈张拉至设计值的20%，再从外圈向内圈张拉至设计值的70%，最后从内圈向外圈张拉至设计值的100%（见图10）。
图10 预应力张拉施工
结构监测。预应力张拉过程中对应力和位移进行监测，应力监测布置了38个监测点（见图11），位移监测分为水平位移和竖向位移，布置25个监测点（见图12），采用振弦应变计，对网壳、加强桁架、拉杆、撑杆、外围桁架进行了应力监测（见图13）。采用磁通量传感器对3圈环向拉索进行应力监测和健康监测（见图14）；采用通用位移计监测支座水平位移，采用全站仪监测单层网壳竖向位移，监测结果均在设计允许偏差范围之内。
图11 应力监测点布置示意（部分显示）
图12 变形监测点布置示意（部分显示）
图13 振弦应变计监测
图14 磁通量传感器监测
施工管理。施工前结合施工重点、难点编制了施工组织设计和专项方案，进行多次专家论证，建立了公司、分公司、项目工程部三级质量保证体系，编写了《测量作业指导书》《架体搭设作业指导书》《异形平面桁架安装作业指导书》《单层网壳焊接作业指导书》《预应力张拉作业指导书》《监测作业指导书》等6项作业指导书，并对现场施工、管理人员进行了交底和培训。
创新成果。工程采用Tekla软件保证异形杆件下料准确，采用BIM软件避免了96%的架体与撑杆、索、拉杆的碰撞，采用曲臂升降车替代传统脚手架平台进行外围桁架焊接，节约工期20d。自行设计研制了三维可调节定位转换装置，首次使用盘扣式脚手架作为弦支穹顶支撑架体，在不连续支座处增设三角形截面桁架。预应力张拉首次采用从内圈到外圈，返回内圈，最后再到外圈的张拉顺序。首次对弦支穹顶进行全方位监测并对索内力进行长期健康监测。
最终形成了3项国家专利（其中1项发明专利），1项市级工法，6项关键技术，获得中国钢结构金奖。
技术效益。工程施工中采用盘扣式支撑架体、信息化技术、仿真技术、无线监测技术等，将这些技术融合到一起形成了一整套适合弦支穹顶结构的综合施工技术。这些技术的应用不但在经济方面节约了资金，还保证了安全和质量。天津中医药大学新建体育馆弦支穹顶工程，张拉完成后起拱值与模拟仿真仅有8mm的误差，充分显示其施工技术的优越性（见图16）。
图16 工程封顶
经济效益。运用BIM技术选用盘扣式架体替代原来的满堂钢管脚手架， 降低了措施费，减少施工风险，节约资金4.32万元；运用曲臂升降机替代支撑架体，节约资金24万元；焊接球空间定位转换装置不仅能保证施工精度，而且该装置可反复利用，节能环保，节约资金13.29万元；预应力内圈环索优化解决了施工难度，节约资金2.72万元。合计节约工程造价约45万元。
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