国际上已建成多个车辐式体育场, 如科威特体育场 (Kuwait Stadium) , 罗马奥林匹克体育场 (Rome Olympic Stadium) , 汉堡体育场 (Hamburg Volkspark Stadium) , 基隆坡体育场 (Kuala Lumpur) 等。车辐式体育场在我国的百富策略白菜网只有佛山世纪莲体育场以及本文介绍的深圳宝安体育场。它们都是来自德国Schlaich的概念设计。目前我国对于此类体育场的设计施工经验比较少。在国内外已建成的车辐式体育场中, 深圳宝安体育场外环的平面形状为椭圆, 立面形状为马鞍形, 工程的难易程度为最高, 在设计施工经验比较少的情况下, 如何成功实现这一高难度的工程对整个工程的参与人员是一个极高的挑战。针对这一难题, 多位研究人员发表了对宝安体育场施工技术的研究。文献[1]选取佛山世纪莲体育中心的大跨度车辐式张拉索膜结构作为研究的原始模型, 着重讨论不同预应力度和不同膜的张拉刚度对结构自振特性和静风反应的影响。文献[2]以深圳宝安体育场屋盖结构为例, 首先阐述了车辐式结构受压环位形变形预调值的概念和计算方法, 其次研究了受压环位形偏差以及幕墙支承体系等附属结构对主体结构成型状态的影响, 并介绍了计算方法。文献[3]根据典型模型的理论推导和对深圳市宝安体育场的有限元分析, 研究了施工环境温度对车幅式张拉结构成型后索力的影响。文献[4]以深圳宝安体育场屋盖结构为算例进行张拉过程模拟分析, 并通过分析计算结果判断张拉方案的可行性, 为工程施工提供参考。

深圳宝安体育场位于深圳市宝安区, 是2011年世界大学生运动会的足球场。深圳宝安体育场索膜结构采用国内独一无二的屋盖结构体系——车辐式索张拉结构索与膜结构的组合, 采用了PTFE涂层的玻璃纤维膜和预应力全封闭索两项新材料。体育场的外压环为马鞍形状, 结构体型复杂, 钢索的长度全部不可调节, 对钢结构以及钢索的制作与整体安装精度要求极高。这也是工程建设的重点和难点。索张拉结构由外压环、内拉 (索) 环以及连接内、外环的索桁架组成, 其外环平面投影近似圆形, 两个轴的长度为237m×230m。外环梁是一个位于马鞍面上的空间曲梁, 钢结构最高点标高35.2 m, 最高点和最低点之间高差为9.65 m;钢环梁截面呈“目”字形, 尺寸1.8m×1.1m, 且水平放置。柔性索桁架共36榀, 其上、下弦布置呈内凹形, 最大跨度54m, 由最内侧的飞柱、上下径向索以及连接上、下径向索的竖向拉索组成 (见图1) 。

飞柱高18m, 采用圆钢管截面。上、下内环分别采用2层钢索组, 每层水平放置3根, 分别连接在飞柱的上、下两端;两个相邻径向索桁架之间还布置有7道圆管截面的钢拱, 钢拱上覆PTFE膜, PTFE膜结构的表面积为33 000m2。整个屋盖结构基本是一个自平衡受力体系, 放置在36根环形布置的支承柱上。支承柱均为圆形钢管制成, 包括8根A字形柱, 即由两个分肢组成, 在与外环梁连接处交会。

宝安体育场所有径向索、环索以及竖向拉索采用全封闭钢索, 特殊的形式决定了此索具有很好的抗滑能力, 防腐蚀能力以及抗疲劳能力。自重状态下结构体系的钢索预应力分布大致为:上径向索2 000 k N, 下径向索4 000 k N, 上环索10 000 k N, 下环索20 000k N (外环梁为马鞍形近似圆形结构, 每榀索桁架力略有不同) 。表1为使用的主要钢索规格等的详细信息。

深圳宝安体育场外压环为外环梁, 马鞍形近似圆形结构, 体型复杂, 钢索的长度全部不可调节, 对钢结构以及钢索的制作与整体安装精度要求极高。按照技术说明的规定:压环对于构件的长度偏差应在±1mm, 所有的因素叠加所产生的综合误差应在±10 mm。索元误差取±20 mm及索长的1/5 000的最大值, 内环上的点最大平面偏差为±40mm, 内环上的点最大高度偏差为±100mm。为了达到设计要求, 需要从深化设计阶段建立精确的深化设计模型以指导钢结构及钢索的下料长度。

设计图纸中给定体育场钢结构实际上是结构平衡状态的模型, 即包括所有的自重、永久荷载与设计预应力。索体系的预应力由外轴椭圆形的外压环产生压力进行平衡。由于整个索结构没有一处可以进行长度调整, 因此钢结构及钢索的制造精度是成功完成整个项目的关键。由于钢结构在制作时没有应力, 因此必须求出钢结构在制作状态下的模型才能够指导钢结构的加工。为了实现这个目的, 设计上分析了3种模型状态:恒载及预应力下整体模型状态, 外压环及看台柱安装模型状态, 外压环制作模型状态的应力, 从而最终确定钢结构在制作状态下的模型。

3个模型之间的区别与联系说明如表2和图2所示。

移除恒载及预应力下整体模型的膜和索, 保留外压环与看台柱, 在重力条件下计算得到外压环及看台柱安装模型, 计算模型如图3a所示。结构此时属超静定状态, 计算结果表明此状态下钢结构存在内力。去除重力后再次计算的结果表明在无外荷载条件下此结构存在自应力。故此时结构内力由构件自重和自应力两方面因素引起。

移除外压环及看台柱安装模型的重力荷载, 减少约束至结构成为静定支撑状态;保留2根看台柱而移除其余看台柱, 从而获得外压环标高定位条件。在无重力条件下计算得到外压环制作模型, 计算模型如图3b所示。应力计算结果表明, 在无任何外荷载和简支条件下, 封闭的外压环没有内力, 此模型可作为外压环的制作及定位依据。

结构解析及施工解析中的环索均简化为1根索进行计算, 实际情况为上、下内环分别采用2层钢索组, 每层水平放置3根, 通过索夹将6根索连接在一起。为了确定每一根钢索的下料长度, 需要将6根钢索通过刚体约束结合在一起进行解析。图4a, 4b分别为上环及下环索的索夹形式。

表3为典型位置处上环索索夹及下环索索夹附近单索索力的解析结果, 由表3可见, 对上环索、下环索节点, 内、中、外的单索索力接近均匀, 但上层索的索力比下层索的索力普遍高5.8%左右。这是由于上层环索的标高位置高于下层环索的原因引起的, 内环的位置越高, 内环索的索力越大。通过刚体模型模拟索夹的方式对结构模型中的单根索进行分索解析, 可以得到更加准确的索力分布, 并可以精确地确定单索的长度。

在确定预应力索长后, 另外需要考虑钢索的徐变系数以及温度的影响。徐变系数是为了消除钢索长期受力后的伸长效应, 其数值根据试验确定。根据技术文件的要求“屋盖结构施工图中的几何尺寸为20℃时在恒载作用下的几何尺寸”, 不同的加工温度下必须考虑不同的加工长度以保证20℃时的钢索尺寸达到设计长度。

屋面膜结构由仅能承受拉力的膜材和支承结构体系组成。外部荷载作用在只能承受拉力的膜材, 然后传递到支承钢拱结构上面, 同时膜结构通过预应力来保证钢拱的稳定性。钢拱拱脚处的连接为铰接, 为了能够实现膜、拱杆的共同工作, 膜与钢拱的连接必须为刚性连接才能保证体系的稳定性。当钢拱两侧膜材受到不同的荷载时, 钢拱可以相对自由地转动以适应荷载的效应, 而不会在柱脚产生很大的约束反力。图5为典型单元的膜在自重状态下的应力图, 由于钢拱产生转动以达到本身的自平衡, 从而造成了膜的应力分布为不均匀分布。图6为膜与拱杆的连接节点。

本项目采用72台250t千斤顶同步张拉, 创国内同类施工的纪录, 对施工计算、张拉控制、测量监控等方面提出了很高要求。本项目中很好地解决了这个问题, 并取得了成功。由于整体张拉结构的大变形特点, 要求必须采用可以进行大变形非线性计算软件进行计算, 并要求软件必须具有钢、索、膜协同分析的能力。本项目采用索膜结构设计和分析专用的大变形非线性有限元软件MAGESTIC进行结构设计。它包含特有的千斤顶索单元, 在受力状态下, 能对一段索单元进行自由伸长与缩短, 因而在本工程中, 能通过模拟牵引索的长度, 真实地模拟整个结构在张拉过程中力与形的变化。该软件能带着力使结构恢复到变形前, 这能方便地通过迭代找到预应力结构的平衡状态, 达到力与形的高度统一。

最终的施工方案为:预应力索结构整体张拉提升, 采用72台250t千斤顶36个点同步张拉施工, 先提升上径向索就位, 再提升张拉下径向索就位。

主要张拉步骤如下: (1) 张拉上径向索至上内环最高点到达18m; (2) 边张拉上径向索, 边装飞柱 (装内拉力环高度到达18m处的飞柱, 飞柱分5批安装) ; (3) 张拉上径向索至就位; (4) 换张拉工装到下一径向索; (5) 张拉下径向索至就位。

为了更直观地反映拉索施工过程中索力、位移等变化情况, 特取出关键索各个关键点的张拉过程曲线。图7分别是施工解析的上、下径向索力变化过程图。

从图7可以看出:在径向索牵引就位过程中, 初始阶段上径向索索力增长不明显, 牵引索<1m时, 索力开始急剧增加, 通过油泵的实时观测数据, 施工过程中的索力变化基本与解析结果相吻合。

索是由千斤顶张拉的, 千斤顶由油泵液压系统推动, 在实施张拉中的力, 可以从油泵油压反映出来。现场布置了18台油泵, 每2个轴线径向索由1台油泵驱动。考虑相邻2根径向索之间的索力比较接近, 故采用1台油泵反算2根径向索的索力。张拉过程中能实时反馈索力, 并将每台油泵的油压的时程曲线进行记录。后续工作中也能从时程曲线变化中读出这个进程的索力变化。油泵在每一个阶段的变化规律基本符合施工解析得出的曲线。根据实测索力数据, 下径向索就位后, 理论索力与实测索力误差在5%以内。

索现场的张拉在各个阶段进行了索力及内、外环的标高检测。图8为消除外压环变形影响后上、下环与径向索的连接点处的径向偏差及高度偏差。索张拉完成后, 内环索连接点的径向偏差在 (+16, -34) mm之间, 高度偏差在 (+34, -15) mm之间。达到“内环上的点最大平面偏差为±40mm, 内环上的点最大高度偏差为±100mm”的技术要求。

本项目由36片膜组成, 单片膜面积约1 000m2, 同时根据膜、拱节点设计要求, 膜安装过程中需要同时在7根拱中穿过, 安装难度非常大, 针对本工程, 专门制作了实物模型, 研制了特殊张拉滑车等膜张拉机具设备 (见图9) , 并根据实物模型张拉中出现的问题对膜与钢拱的结合节点以及膜的缩小率制定方法进行了改善。在将膜的绳边穿入铝型材过程中, 出现绳边从铝型材槽脱离的现象, 深化设计时将膜与钢拱的结合节点中的绳边以及铝型材槽直径扩大从而解决了这一问题。由于施工方法决定了膜仅能沿钢拱方向张拉, 索桁架方向无法进行张拉, 在膜的缩小率设定上, 采用了特殊的边界缓和手法, 从而达到了既能够方便膜的张拉, 又能够保证膜的预应力的目的, 在实际施工中取得了很好效果。