蒋凤昌 ，唐金来 ，王安国 ，韩渭国 ，刘国华 ，周桂香

（1.泰州职业技术学院，江苏泰州 225300；2.锦宸集团有限公司，江苏泰州 225300；3.江苏永泰建造工程有限公司，江苏泰州 225300）

0 引言

在体育场和足球场等大型体育建筑中，由于考虑功能与经济性的要求，中心部位常常为露天赛场，建筑平面中部存在大开口，周边的体育看台上方通常为悬挑钢桁架或钢网架结构屋盖，由于其悬挑尺寸较大，通常达40m 左右，导致钢结构杆件数量较多且截面较大，使得结构用钢量较大且影响美观效果。因此，业内近年来研究出一种刚柔结合的杂交结构——大开口车辐式索承网格钢结构[1]，其上弦由主次钢梁焊接而的钢网格构成刚性结构，下弦由车辐式布置的径向钢索及其撑杆构成柔性索杆体系，钢网格呈椭圆形环状布置，担当受压构件，从而形成自平衡系统。

索承网格钢结构因具有结构轻盈、建筑简洁通透等特点而获得青睐[2]。但是，整个屋盖体系在施加预应力之前，整个结构体系为几何瞬变体系，悬挑的钢网格支撑在周边桁架柱结构上，不足以保持自身平衡，故需在混凝土看台上搭设较多的支撑胎架，保证施工过程安全。由于支撑胎架数量较多，造价较高且干扰预应力张拉的相关施工工序，因此需创新其施工技术。本文以泰州体育公园体育场项目为例，介绍索承网格钢结构施工的工艺原理、施工方案、工艺流程和健康监测。

1 工程背景

泰州市体育公园体育场项目建筑面积62905m2，可容纳35000 名观众，如图1 所示，体育场屋盖平面布置为椭圆形，长轴约为263m（南北方向布置），短轴约为233m（东西方向布置），屋盖中心洞口尺寸为201.4m×149.2m，看台罩棚的悬挑长度以西向最长，可达47.8m，东向为36.0m，南北向为30.8m，屋盖最高处47m，钢结构总用钢量约7000t。

该项目屋盖为大开口车辐式索承网格钢结构，上弦为径向和环向的箱形梁构成的单层网格结构，整个单层网格与外圈环梁采用铰接连接。下弦为索杆体系，其中径向索共38 榀，分为20 榀直径D140mm 和18 榀直径D122mm 两种规格；大开口的内侧设置6D125mm的环向索，仅设置一圈；屋面水平稳定索D30mm，共计192 根。撑杆截面主要为 P219×12mm～P500×16mm；网格钢结构的外环梁截面为P900×40mm，内环梁截面为焊接箱形B750×550×24mm，径向主梁截面为焊接箱形B750×500×16mm，环向梁截面为焊接箱形 B750×350×16mm～B750×450×16mm。屋盖用钢量约 3200t。

2 工艺原理

2.1 索承网格钢结构的构造和传力原理

大开口车辐式索承网格钢结构的构造（图2），主要包括上弦单层钢网格由径向主梁、外环梁、内环梁和中间环梁构成，下弦由径向索、环向索、撑杆和斜向V 型撑杆组成的车辐式索杆体系；沿环向索设置竖向撑杆、斜向V 形撑杆，连接环向索和上弦单层网格，形成内环带桁架；整个钢屋盖仅在外环梁处受到V 型桁架柱的竖向支撑，从而形成空间悬挑结构；在V 型桁架柱之间由环桁架连接以保持整体稳定性和结构安全。

其传力原理：上弦为刚性单层网格结构，因中部有巨大开口，结构的竖向刚度和承载能力受到削弱；通过张拉下弦径向索可使得环向索绷紧形成刚性环，两种钢索弹性支撑与其连接的撑杆，从而对撑杆上部的钢网格产生弹性支撑力，刚柔结合，增加了钢网格平面外的空间承载能力[3]，上弦钢网格可在面内形成宽度可达40m 左右的压力环，承担径向索作用在外环梁处的水平张拉力，从而构建了空间自平衡系统。由于径向索和环向索采用了高强材料，导致构件截面尺寸大幅度减小，为实现大跨度钢屋盖建筑简洁且结构轻盈的目标奠定良好的基础[4]。

2.2 施工过程中设置反向斜拉装置的作用原理

反向斜拉装置（图3）主要由反向斜拉索、临时立杆和斜拉杆三部分组成。通过张拉反向斜拉索使得该装置增强网格钢结构的平面外刚度。并且反向斜拉装置与网格钢结构的径向梁构成“张弦梁”结构，由其承受径向索、环向索和索夹等构件自重和施工荷载作用，将此类荷载传递到反向斜拉装置的临时立杆所在位置下部的支撑塔架，因此，使得网格钢结构的内环悬挑部分不会出现明显的下垂变形情况。

2.3 索承网格钢结构分级张拉施工原理

本工法将所有径向索同步张拉，分成4 级：预紧30%（第 1 级）→50%（第 2 级）→90%（第 3 级）→100%（第4 级），主动张拉点设置在径向索和环梁的连接端，同步控制所有径向索张拉千斤顶，实施同步张拉操作，至相应的索力级，逐级循环张拉至100%，并超张拉5%，达到设计值的105%，预应力张拉施工完成。

3 施工方案及工艺流程

3.1 施工方案

根据索承网格钢结构工程项目的特征，分析研究，进行网格钢结构和索杆体系的安装部署，编制大开口车辐式索承网格钢结构专项施工方案，并进行体育场工程索承网格钢结构施工方案布置（图4），充分利用现场的7 台塔吊，并考虑配合使用履带式起重机，沿体育场混凝土环形结构外侧和内侧布置构件堆场和拼装场地。明确施工顺序、索夹锁紧方案、临时反向斜拉装置设计、索杆体系张拉指挥组织机构、预应力张拉控制测量与过程监测方案、应急预案、安全方案等。

为了保证索承网格钢结构施工的结构安全及施工质量，在大开口车辐式索承网格钢结构专项施工方案实施前，须通过相关专家的方案评审论证[5]，严格履行审核、审批程序，根据专家组评审意见进一步进行修改完善，并取得工程设计师的认可。

在施工方案中，需应用midas GEN、ANSYS 等有限元分析软件进行施工仿真验算，一方面验算施工过程中的索杆体系的索力和变形是否与设计值吻合；另一方面作为索力和变形值“双控”的依据。从而，达到精确控制索承网格钢结构的“位形”和应力水平。并且应用有限元分析软件进行建模，计算体育场屋面钢结构在温度作用的变形，在钢结构安装和索张拉脱胎架的过程中将温度变形值进行消化，从而保证施工实施后的效果达到设计预期的建筑效果。

3.2 施工工艺流程

3.2.1 总工艺流程

总工艺流程如下：施工准备→专项施工方案编制及专家论证→钢构件加工制作→预应力钢索制作→构件成品检验→网格钢结构吊装→上部反向斜拉结构安装→索杆体系安装→安装斜撑杆→安装屋面稳定索→拆除反向斜拉结构→拆除支撑胎架。

3.2.2 关键工序的详细工艺流程

（1）网格钢结构吊装流程：测量放线→搭设支撑胎架→V 形桁架柱吊装→环桁架吊装，形成稳定的外环支撑条件→网格钢结构的径向主梁吊装→相邻的径向主梁吊装→外环梁吊装→网格钢结构的次梁及内环梁吊装→形成稳定单元，依次继续吊装→完成网格钢结构吊装。

（2）索杆体系安装流程：径向索操作平台搭设→安放环索索夹支撑平台→铺放环索下层索→安放环索索夹本体→铺放环索上层索→安装环索索夹上盖板→铺放径向索→拆除外侧部分影响径向索安装的胎架→提升环索、牵引径向索→同步分级张拉径向索至设计值（30%→50%→70%→100%）。

4 施工健康监测

由于本项目结构新颖，跨度比较大，施工难度大，尤其在拉索张拉成形阶段，难度更大。为了确保钢屋盖结构工程施工安全性，并研究施工过程中此类刚柔相济的大跨度钢结构应力、变形和位移等参数的变化规律，需要对结构进行现场施工监测[6]。据此，聘请第三方健康监测，编制并实施《泰州体育公园监测施工方案》，其中体育场共计设置352 个测点，施工阶段监测内容主要包含3 个方面。

（1）使用磁通量传感器对施工阶段关键预应力索进行监测，如图5 所示，在8 根径向索上，每根布置2个EM 传感器，小计16 个测点；在环向索上，12 根轴线位置，每处布置6 个EM 传感器，小计72 个测点。共计设置测点为88 个，并且可同时监测温度。

（2）使用振弦式应变传感器（内置温度传感器）对施工阶段关键构件的应力和温度进行监测，包括撑杆与径向刚性杆、网格结构环向构件、V 形桁架柱，测点共计为216 个。

（3）使用全站仪对结构关键部位进行变形监测，测点主要布置在径向索连接的撑杆两端，测点为48 个。

监测结果表明：索力监测点正常、构件应力应变测点正常、位移测点正常。其中，张拉径向索至设计索力100%时，现场健康监测情况如表1 所示。

表1 第四级（100%）张拉完成时健康监测情况

5 结语

针对泰州市体育公园体育场项目的工程特点，研究开发了大开口车辐式索承网格钢结构的施工技术，并且在施工全过程进行钢结构施工健康监测。实践证明，该项施工技术安全可靠，高质量完成了钢屋盖结构吊装和钢索张拉等关键施工工序，可供类似工程项目借鉴和参考。