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马鞍形边界超大跨杂交型索穹顶深化设计及施工关键技术的研究和应用
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文/司波
引言
索穹顶结构是大跨度预应力钢结构体系之一，是一种结构效率极高的全张力体系，主要由索、杆及屋面覆盖材料组成的新型预应力空间结构体系。体系中除少数杆件受压外，其余杆件都处于张力状态，是受力合理、效率极高的结构体系。国际上有工程实例的索穹顶主要包括两种类型：Levy型索穹顶和Geiger型索穹顶。
截至该项目建成时，国内索穹顶结构跨度超过30米的仅5个项目，其特点如下表：
01
项目概况
天津理工大学新建体育馆工程位于西青区宾水西道391号天津理工大学校区内，是第十三届全运会比赛场馆之一。由主场馆、训练馆、观众休息厅及管理用房组成。该体育馆共设置座位5038座，其中固定座位3898座、活动座位1140座。
▲ 天津理工大学新建体育馆效果图
▲ 天津理工大学新建体育馆建成后照片
02
结构体系概况
本工程主体高度为27.5m，主体单层，局部三层，总建筑面积约17100m2。主体结构采用全现浇钢筋混凝土框架结构体系,楼盖采用全现浇梁板结构承重，主馆屋盖采用索穹顶结构。
▲ 主体结构三维轴测图
▲ 屋盖索穹顶结构轴测图
屋盖索穹顶结构平面投影为椭圆形，长轴约102m，短轴约82m。中心受拉环直径为4m，拉环呈三层布置。外圈压力环边界约束构件为马鞍形混凝土框架体系，框架顶层环梁截面高度为1000mm，宽度约为800mm,该顶层环梁与径向框架梁、楼板以及框架斜柱共同构成了索穹顶边界压力环。脊索和斜索共四圈，中间三圈脊索和斜索按Geiger型式布置，每一圈设16榀，最外圈脊索及斜索按levy型式布置，共设32榀，与柱顶混凝土环梁相连。
03
工程特点及难点分析
天津理工大学新建体育馆索穹顶的工程特点和难点如下：
（1）杂交型索穹顶
本项目索穹顶结构是Geiger型和Levy型的结合体。Geiger体系具有构造简单，施工容易，抗扭刚度较差；Levy型体系构造复杂，抗扭刚度高。本项目屋面中间部分为膜材，四周为铝镁锰合金板，且边界为马鞍形，因此选择了将两种型式的布索方案结合起来，取长补短，内侧为Geiger型，最外圈为Levy型，结构刚度与屋面荷载达到了有机的统一。
（2）国内首个跨度超过百米的索穹顶结构
截至项目完工时，国内跨度大于30米的索穹顶仅有5项，本工程索穹顶最大跨度达到102m，是国内首个跨度超过100m的索穹顶结构。
（3）本项目索穹顶为非极轴对称结构的马鞍形边界
本项目索穹顶结构只有两个对称轴，索穹顶边界外环梁为马鞍形，最高27.147m，最低21.415m，高差为6米，且投影为椭圆形，因此同一圈拉索索力差别较大，索夹节点的不平衡力较大，增加了找形和施工的控制难度。
（4）短轴方向形状较为扁平，内环增加直索平衡短轴径向较大的索力
建筑造型使得屋盖结构最高处中心标高为29.2m，短轴最低处标高为27.147m，高差为2.053m，短轴跨度为82米，矢跨比仅为1/40，短轴脊索与水平面的夹角较小，因此结构成形时短轴脊索最大索力约为552T，为了保证结构成型时受力合力，内圈拉索受力的均匀性，在最内圈短轴方向的环索和内拉环之间的5个轴线上增加了内环直索，直索的增加也是本工程区别于传统索穹顶的一个特点。
▲ 内圈直索布置示意图
（5）节点样式较多，构造复杂
索结构体系为杂交，边界约束条件为马鞍形，平面投影为椭圆形，且索力较大，，且外圈环索不平衡力也较大，以上原因造成节点样式较多，构造复杂。
（6）预埋件的精确定位
结构索力较大，最外圈拉索构造为Levy型式，同时为了保证索穹顶与环梁连接可靠，因此索穹顶的锚固节点的预埋件构造复杂，重量较重，单件达到了4吨，加之埋件位置钢筋较多，增加了预埋的难度。
04
索穹顶形态校核
采用midas和ansys两种有限元软件，通过迭代分析找到结构在1.0自重+1.0预应力组合工况下的形态作为索穹顶的成形态。两种有限元软件的找形结果基本一致，位形最大相差8mm，偏差率为6.7%,最大偏差发生在中心内拉环处。
▲ 找形结果（ANSYS)/m
▲ 找形结果（MIDAS Gen)/mm
05
关键节点的深化设计
本工程索力较大，受力不均，增加了节点的设计难度和复杂性。其中预埋件和关键索夹节点如下：
▲ 预埋件尺寸图
▲ 五种预埋件形式
▲ 主要节点三维图
通过有限元软件计算分析，预埋件和索夹节点的最大位移分别为4.26mm和2.11mm，除孔洞位置有应力集中外，大部分应力在200MPa以下。
06
施工关键技术
本项目在长轴方向布置有土建结构，三层楼面结构的标高为16.4m，外圈环索标高约为18.0m，并且三层楼面上两侧各个有一道横向的屏风墙，空间角度否定了传统的地面组成，整体提升工艺。
▲ 外环索与土建位置关系图
结合本工程特点，经过方案的对比，最终确定了施工总体思路：索系采用分片组成牵引就位和部分构件高空散装相结合的方法进行安装。首先利用中央塔架拼装内拉环，再分片安装16榀上脊索，接着由外到内的顺序依次安装环索、撑杆和斜索组成的单元体，然后安装最内圈直索，整个索系组成完成后开始预应力的正式施加，预应力的施加最后张拉外圈斜索使结构成型。径向构件采用两组对称安装的方法。
▲ 拉索安装顺序图示
07
施工过程中照片
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08
索结构未来发展的展望
2008年北京奥运会以来，索结构在国内快速发展近二十年，各种结构形式层出不穷。国内索结构的设计和施工能力均达到了国际水平，国际上有影响力的2022年卡塔尔世界杯主体育场卢赛尔体育场、柬埔寨国家体育场和印尼雅加达国际体育场等均是国内团队完成的。未来索结构的发展方向，将会在以下几个方面有所突破：
（1）拉索材料方面：拉索材料将会向着2000MPa等级以上更高强度等级发展；智能化拉索技术的更新迭代；碳纤维拉索材料锚固技术的不断成熟等。
（2）索结构设计和施工方面：索结构的设计与施工一体精细化；施工设备和同步控制系统更加智能化等。
（3）建筑索结构的安全评估和拉索更换技术：索结构长服役后结构安全性能的评估方法以及拉索的更换技术的研究等。
（4）突破壁垒，融入国际市场：国内预应力产品、设计和施工企业与国际接轨工作等。
作者简介：
司波，2006年毕业于北京工业大学，硕士学历。现任北京市建筑工程研究院有限责任公司结构所所长，兼任北京工业大学土木水利专业硕士研究生导师。一级注册建造师，正高级工程师，主要从事预应力结构设计与施工、结构提升与滑移、结构监测以及智能建造技术的研发与应用。作为预应力专项负责人参与完成了2008年北京工人体育场改造、北京南站、徐州市奥体中心体育场、枣庄市民中心体育场、海口五源河体育场、大连梭鱼湾足球场、国家速滑馆、2022卡塔尔世界杯主体育场卢赛尔体育场、柬埔寨国家体育场和印尼雅加达国际体育场等国内外重大标志性工程。获得省部级科学技术奖12项；参建的项目获得中国钢结构金奖年度杰出大奖、国家优质工程奖各1项；2020年获得中国钢结构协会创新人才奖；参编4部著作，在国内外发表论文30余篇；已获得国家专利授权40项，其中发明专利37项；参编国家、行业、地方级团体等标准6部。
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由司波，陈志华，尤德清，闫翔宇，刘红波，尧金金撰写的文章《马鞍形边界超大跨杂交型索穹顶深化设计及施工关键技术研究和应用》已在《建筑结构》2023年第22期刊登，欢迎订阅。
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责任编辑：李会珍
*本文已获作者授权原创发布，所有内容及图片均为作者提供。
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