苏州工业园区体育场为“钢筋混凝土结构+钢支撑+单层索网索膜屋盖”, 地上4层 (主体2层、局部4层) 、局部地下1层, 建筑面积83 000 m2, 最大跨度260 m, 座位数41 000个, 建筑高度54 m, 为国内跨度最大的单层索网结构。国外仅有科威特国家体育场采用大跨度单层索网结构, 其环梁由斜看台悬挑梁支撑, 不同于本工程的V形钢柱。因此, 本工程体育场屋盖结构在全世界范围内是独一无二的。

V形钢柱对基础沉降较为敏感, 为减小基础沉降差的影响, 设计对V形柱的设置进行了方案优化比较, 且为了节约钢材, 让特定部位的立柱承受指定的荷载。其中, 黑色的立柱为承重及抗侧力体系柱, 承受结构整体荷载;浅灰色的立柱为抗侧力体系柱, 不承受竖向荷载;深灰色的立柱为幕墙立柱, 只承受径向荷载。图1为1/4局部的不同类型立柱布置, 体育场铸钢柱脚与关节轴承示意见图2。

体育场节点试验:对V形柱柱脚节点试件的4种类型各选1个进行试验, 试件比例1∶1。

1) 节点b:绕体育场径向和环向均能转动的耳板加关节轴承;

2) 节点c:绕体育场径向和环向均能转动、沿竖向可以滑动的关节轴承加滑块加耳板;

3) 节点d:绕体育场径向和环向均能转动、沿竖向和环向均可以滑动的关节轴承加滑板加耳板;

4) 节点e:V形柱的一肢可沿柱轴向滑动的套筒滑动。

通过对体育场V形钢柱柱脚节点试验研究, 验证节点的承载力, 确保其工作安全可靠;测试节点的转动和滑动性能, 为设计、施工提出优化建议[1,2]。

体育场的屋面结构体系是中间开孔的单层索网体系, 设计思路来自于预张拉钢条的自行车车轮, 主要包括V形结构柱、外压环梁、径向索以及内环索。屋盖外边缘压环几何尺寸为260 m×230 m, 马鞍形的高差为25 m, 整个屋盖的展开面积达到31 600 m2。外圈的倾斜V形柱在空间上形成了一个圆锥形空间壳体结构, 从而形成刚性良好的屋盖支承结构, 直接支撑顶部的外侧受压环。全封闭索网屋面支撑于外侧的受压环梁与内侧受拉环之间, 索网结构屋面采用上覆膜结构, 上覆膜结构是基于轮辐的原理发展而来的, 结构的外侧为整个体育场的幕墙 (图3) 。

体育场屋盖采用单层索网结构, 跨度260 m, 为国内第一大跨度轮辐式单层索网结构。该屋面跨度大, 复杂程度高, 创新成果多, 一般项目的设计和施工经验无法指导其设计和施工。

根据设计要求, 体育场钢屋盖结构需进行整体模型试验。试验模型采用1∶10比例制作。加载工况采用恒载加活载、不均匀雪荷载、90°风荷载等极限承载力。试验目的:检验张拉方案, 指导拉索施工;检验整体结构的安全度, 考察结构的薄弱部位, 指导当前设计;检验复合连接节点的工作性能。

体育场屋面共有40榀径向索, 内侧受拉环由8根环向索组成, 所有索均采用全封闭索, 对钢索进行防腐处理, 内层采用热镀锌连同内部填充, 外层采用锌-5%-铝混合稀土合金镀层 (图4、图5) 。

径向索根据不同的受力部位共有3种直径:100 mm, 110 mm, 120 mm (内环曲率大的位置预应力大, 索直径大) , 内环索采用8根φ100 mm的全封闭索。

体育场看台屋面采用膜结构, 膜材采用《膜结构技术规程》 (CECS 158:2004) 中代号为GT的膜材, 其基材为玻璃纤维, 双面涂聚四氟乙烯 (PTFE) 涂层 (设计使用年限大于25年) 。

膜材的力学性能:抗拉强度方面, 拉伸3 cm所用的力径向>5 200 N, 纬向>4 700 N, 满足国标G类A级要求。抗裂强度方面, 径向>1.2 k N/m, 纬向>1.1 k N/m, 黏结强度>2.5 k N/m。膜与膜之间的连接由焊接组成, 焊缝采用宽70~80 mm的优质焊缝。

膜结构的加工精度和力学性能保证是膜结构施工的重难点, 膜结构的剪裁和制作需来自同一个受力平衡的模型, 且剪裁必须严格按照每卷膜材的二轴张拉试验数据, 制订膜的缩小补偿率。

体育场采用超大跨度单层索网结构, 屋盖结构对施工误差、基础沉降、风荷载等不利因素极为敏感, 为保障其结构安全, 要求屋盖施工过程及运营阶段, 由专业单位进行结构健康监测。监测要求如下。

1) 对具有代表性的拉索索力进行监测;

2) 对关键钢结构构件的应力进行监测;

3) 对结构的整体变形进行监测, 并将监测点布置在钢构件上;

4) 系统应具有可视化人机交互界面;

5) 系统所获得结果应能通过网络实时传输到有关单位和总监控中心;

6) 健康监测单位对监测数据进行深入处理及分析, 定期向业主、设计、总包提交成果报告;

7) 施工阶段监测频率:在V形柱、环梁安装、拉索张拉、屋面安装等各个阶段, 对索力、钢构件应力、结构变形、支座位移和转角进行监测。

体育场屋盖的施工工序流程为:支撑胎架转换钢梁埋件安装→转换钢梁及胎架安装→关节轴承柱脚、压环梁、V形柱安装成一个稳定体系→顺序安装剩余钢结构→场地内部铺设环索及径向索→张拉径向索→安装膜拱结构→胎架卸载→幕墙安装。

1) 本工程钢结构形式新颖、跨度大、受力大, 为了保证节点的精度以及施工可操作性, 首先, 对构件节点和截面进行参数化设置, 生成适合本工程的一些自定义参数化节点和参数化截面, 以便提高效率和提高模型的准确性;其次, 在模型的建立过程中深入细化, 严格控制精度, 避免误差的存在, 对于存在的问题在建模的过程中就提出解决。

2) 体育场V形柱支座为关节轴承连接节点, 轴承定位套筒与耳板之间非常紧密, 为了保证轴承节点安装的可操作性, 对关节轴承节点进行有限元计算分析, 并进行1∶1模型性能试验;与设计院、轴承生产厂家协调沟通, 确定套筒与支座耳板的合理间隙, 确保现场安装的可操作性, 此外, 套筒滑动连接须进行必要的滑动能力试验。

3) 为了掌握关键施工阶段索网的状态, 验证施工过程中索网的稳定性, 采用发明专利分析方法——“确定索网静力平衡状态的非线性动力有限元法”。通过引入虚拟的惯性力和黏滞阻尼力以及系列分析技术, 建立整体结构的非线性动力有限元方程, 将难以求解的静力问题转为易于求解的动力问题, 并通过迭代更新索网位形, 使动力平衡状态逐渐收敛于静力平衡状态。索网在分析前处于静力不平衡状态, 在分析中处于动力平衡状态, 在收敛后达到静力平衡状态, 即索网由初始的静力不平衡状态间断地运动 (非连续运动) 至稳定的静力平衡状态。该方法很好地解决了存在超大位移和机构位移的索网施工全过程跟踪分析技术难题, 通过多个索网以及索穹顶工程的实践验证了其适用性和实用性。

4) 体育场压环梁与底部1 2 m大平台结构高差在15~40 m之间变化, 而压环梁需进行高空对接, 故采用格构式支撑胎架, 胎架支撑以每4 m或6 m为一标准节, 胎架上下通过法兰盘加高强螺栓连接, 在胎架下部设置转换钢梁, 将上部荷载通过转换梁传递至周围的混凝土梁上, 通过Midas计算出转换钢梁底部反力, 并交由设计院复核。

5) 体育场V形柱脚为铸钢件, 柱脚下部为球形支座, 设计要求柱脚支座的平面偏差为-5~+5 mm;柱脚支座的高度偏差为-5~+5 mm;钢结构整体卸载完成后, 柱脚支座应位于支座转动的起始位置, 转角偏差不允许大于施工图纸中最大计算转角的10%;为了保证安装精度, 采用高精度全站仪对节点进行空间三维坐标控制, 安装到位后, 用全站仪激光捕捉空间三维坐标信息, 将测量数值与设计预控制值比较, 调整节点至设计位置。加强过程监测, 构件安装过程中及时校正。

6) 体育场单层索网的形式特殊、空间规模大、索段数量多、索力大, 因此采用地面组装和空中牵引提升的方法将索网安装至高空, 即整体牵引提升、分批锚固连接就位的方法进行索网组装。

7) 拉索在张拉过程中, 由于索长变长, 索径变细, 会导致索夹的夹紧力降低, 很容易造成索夹滑移, 因此对索夹进行抗滑试验, 以确定高强螺栓副的扭矩系数, 拉索在受力状态下的索夹抗滑移承载力, 以及二次拧紧的施工工艺等关键因素[3,4]。

苏州工业园区体育中心体育场大跨度单层索网索膜结构由于是国内最大跨度的索网索膜结构, 因此可以借鉴的工程资料以及相关施工经验十分有限, 为了克服施工过程中的技术难题, 建立精准的分析模型, 以模型为基础做了大量的试验研究, 同时采用了多种先进的技术及设备来保证施工精度。

这些施工技术的研究与百富策略白菜网不仅可以保证体育场屋盖工程的顺利施工, 而且还可以为后续类似的大型体育场馆索网、索膜结构工程施工积累宝贵的施工经验和科学技术数据。