【摘要】某体育场馆工程屋面由10榀张弦桁架组成，高15.1米，桁架跨度149.7m×141.6m。主要介绍了张弦桁架施工步骤，针对施工过程的各种工况进行有限元计算分析及现场监测，保证屋面钢结构施工安全可靠、质量精细。
【关键词】张弦桁架；预应力；拉索；张拉；监测
某体育场馆工程为大跨度的空间预应力索桁架结构， 结构矢高为25.3米，横向长度为239.8米，纵向长度为141.6米。总建筑面积72010㎡，为甲级体育馆，可容纳9842座。该结构包括体育馆屋面、会展馆屋面、体育馆围护结构两部分。
体育馆由环桁架，张弦桁架，径向桁架三大部分组成。屋面预应力钢结构由10榀张弦桁架组成，由上弦刚体、下弦索及其之间的撑杆构成，其上弦为倒三角桁架，下弦拉索采用双索，且采用冷铸锚，索端连接节点复杂。张弦桁架的端部一端支撑在主体结构混凝土柱子上，另一端在支撑桁架上， 10榀张弦桁架跨度不同，在相同的拉索等效预张力（1700KN）条件下，拉索的索力差异较大，这对如何组织施工提出了更高的要求。
本工程采用Ansys、Midas/Gen等先进有限元软件对结构进行找形分析、施工模拟计算，桁架构件和梁构件采用BEAM188梁单元，撑杆采用两端铰接杆单元，拉索采用仅受拉的Link10单元模拟，胎架采用仅受压的Link10单元模拟。同时对索整体张拉过程中的张拉点、索力监测点和主要受力构件应变片进行布置，全面考虑结构的整体施工方案，使得结构在零状态下施工张拉完毕后，结构的最终几何形状、内力分布与设计状态吻合。
3.1 施工机械的选择
某体育场馆共分4553个吊装单元，其中体育馆1443个吊装单元。体育场馆钢结构各吊装单元具有一定的相似性，通过对本工程中具有代表性的钢结构吊装单元和吊装机械的吊装能力进行分析，最终选用1台120吨汽车吊、1台100吨履带吊以及2台QTZ-63塔吊作为主要施工机械。
3.2 桁架制作
拼装胎架采用工字钢制作，由立柱、支撑和定位块及活动螺栓组成，胎架牛腿部位设置可调节支座。拼装胎架时，在断开面设置空档，以留出焊接空间，在对接口下面焊接时，焊工可以在临时平台上进行。
制作前对各张弦桁架进行编号，根据设计深化图纸对每段桁架不同型号、尺寸的杆件进行实体放样。就位前，首先根据张弦梁分段点的标高及轴线对胎架进行垫置，使标高基本达到设计位置，就位后进行微调。就位时注意对接口的间隙及标高的控制，并且使分段点的位置基本处于胎架的中心。在调整校正完毕后进行焊接，焊接接口需要打磨光滑过渡。制作过程中，为了确保张弦梁原始状态的弧度和设计相符，现场利用经纬仪和水准仪对桁架拼装过程进行精确定位，满足设计要求。
因吊装构件形式类似，胎架可循环使用，故设置6副拼装胎架。场内设置2副拼装胎架，布置1台120吨汽车吊进行钢构件对接；场外设置4副拼装胎架，布置1台100吨履带吊进行钢构件对接。
3.3 临时支撑架制作与安装
考虑到单榀桁架跨度大，为方便施工及临时承重，在每榀桁架分段点部位设置临时支撑架，每个支撑架采用两根直径350mm，壁厚8mm的圆形钢管制作，中间用∟50×5角钢连接固定。临时支撑架上设置爬梯，顶部设置操作平台。
利用100吨履带吊把临时支撑架吊装至设计位置，基础进行夯实处理，底部垫200mm厚钢板，吊装就位后用4根缆风绳固定。利用水准仪将标高引测至临时支撑架，便于后续桁架安装使用。
3.4 张弦桁架吊装与拼装
张弦桁架施工顺序为两侧依次往中间进行，每榀张弦部分分四段吊装，利用一台120吨汽车吊、一台100吨履带吊在跨内行走，吊机行走和吊装站位处铺设钢制路基箱。同时利用现场QTZ-63塔吊配合进行吊装。
为能够保证桁架不会发生平面外失稳，保证桁架吊装的安全，张弦桁架分段吊装采用四点起吊，张弦桁架吊装就位后根据支撑架顶部的测量定位轴线利用手拉葫芦及时找正，接口部位与支座临时固定，进行对接口焊接。
吊装时，在桁架上弦设置可拆卸活动吊耳。这样设置吊耳的方式不仅能够减少桁架加工过程中的工作量和材料用量，而且在吊装结束后无需割除，减少工序加快施工进度，并避免了钢丝绳捆扎方法起吊所带来的可能破坏涂装层的缺点。
第一榀张弦桁架固定好后，进行第二榀张弦桁架的吊装、就位和加固，并及时对张弦桁架之间的支撑体系进行连接。当两榀张弦桁架及中间的支撑体系和檩条等全部连接安装完毕，在检查各个细部环节没有安全隐患后，再进行下一榀张弦桁架的吊装就位。
3.5 预应力拉索的安装和张拉
钢索采用挤包双保护层高强度钢丝扭绞型钢绞线，单根钢丝直径7mm抗拉强度不小于1670MPa，屈服强度不小于1410MPa，钢索抗拉弹性模量（E）应不小于1.9×105MPa，拉索安装和张拉所需的操作平台采用型钢焊制，便于拉索施工，同时保证了施工安全性。
施工时用吊机或手动葫芦将地面编好号的撑杆逐根吊起，将撑杆上节点与钢构相连。用多台葫芦提升拉索，将拉索与撑杆下端的索夹相连。根据索皮表面的标记，确定索夹与拉索相连的位置，并安装好索夹。
本工程共有10根拉索，根据施工组织计划及结构形式的实际情况，难以对这些拉索进行同步张拉，需要分批张拉。考虑到结构对称性，将拉索分为5批，同批拉索的根数为2根，分批张拉顺序为两端向中间对称进行。为保证张拉同步，同批次分五级张拉程序为：0%→25%→50%→75%→90%→100%。
由于钢结构的加工及安装中存在着不可克服的误差等因素，拉索张拉控制采用控制索力和变形的双控原则，在单次张拉的分级张拉过程中，其前四级以控制变形为主，最后一级以控制索力为主。
3.6 张拉过程监测
拉索预张力施工过程是个动态的结构状态变化过程。由于钢构安装误差、拉索制作、安装和张拉误差、分析误差以及环境影响等原因，实际结构状态与分析模型是有差异的。因此，对拉索预应力施工过程予以监测，对比理论分析值和实际结构响应的差异，即时掌握各关键施工阶段的结构状态，保证拉索施工全过程处于可控状态，保证施工过程结构安全。
由以上分析可以看出，随着施工过程，结构的最大竖向变形和钢构等效应力不断变化，施工过程中结构的最大竖向变形63.9mm，与设计准态下的变形值64.3 mm相近；最大轴向应力133.8MPa，与设计准态下的最大应力值123MPa相差很小，满足要求。
该体育场馆工程体育馆张弦桁架结构跨度大，施工精度要求高，施工难度大。对施工全过程进行了模拟计算，制订科学可行的施工方案，通过严密的工艺措施和技术管理手段，获得了良好的效果，同时积累了宝贵的施工经验，对以后相关工程的设计、施工有着重要的参考价值。
作者：金建昌 吉红波 赵鹏
来源：《建筑工程技术与设计》2014年第10期