大跨度环形空间索结构施工成形方法研究

大跨度环形空间索结构作为继索穹顶结构之后的新型结构，具有独特的造型特点，用于做体育场看台罩棚有非常好的建筑适应性。而此类结构体系独特的结构形式赋予结构特殊的力学性能，结构整体能够实现自平衡，且具有轻质高强的特点。

短短十几年来，国内该类结构的研究已经突破了空白，并兴建了数座此类大型体育场。尽管此类结构优势明显，但由于结构采用索实现，属于柔性结构，成形之前结构的刚度由零递增，所以结构的成形过程具有很强的非线性，需要进行较深入的研究。

本文主要结合几项典型工程，针对这种结构工程施工中的成形问题进行一些探讨。在查阅大量文献的基础上，对大跨度环形空间索结构这一新型结构的出现及特点进行介绍，并指出该类型结构体系的优点及未来发展前景。

大跨环形空间索结构的特点及拓扑形式

工程师及学者们既希望大跨度结构能够实现轻质高强，又希望结构的施工成形过程能够比较易于实现，于是在张拉结构的发展过程中，出现了一种新型环向索结构。这种结构内部由柔性或刚性的索构成环，外部为环索、桅杆或背索等，在内外环之间通过径向索连接而形成一个自平衡的索桁体系。这种大跨度环形空间索结构主要用于作为体育场等大型场馆的罩棚，不仅能够获得较大的无障碍空间，而且造型时尚优美，质量轻而强度高，因此很受众多工程师们的青睐。

大跨度环形空间索结构内部为大开孔的环状，建筑适应性好，适于做体育场看台罩棚。其结构内环拉，外环压，内部受力自平衡。与索穹顶结构相比较，该类结构施工相对方便，工期短，也易于维护。

结构特点：自平衡大跨度环形空间索结构是一种自平衡体系，在结构成形过程中不断达到自平衡状态；全张力状态结构处于连续的张力状态，从而让压力成为张力海洋中的孤岛，构成结构的索始终处于张拉状态；与形状有关，与任何柔性的索系结构一样，大跨度环形空间索结构的工作机理和能力依赖于自身的形状。如果不能找出使之成形的外形，索穹顶结构不能工作。如果找不到结构的合理形态，也就没有良好的工作性能。

所以，索穹顶的分析和设计主要基于形态分析理论，所谓形态分析应是形状、拓朴和受力状态的分析；预应力提供刚度结构的自然刚度几乎为零，刚度主要由预应力(初应力)提供。因此，结构的形状、刚度与预应力分布及其大小密切相关。此类结构内部可以为一环或两环索；外部可以为一环或两环索，也可以是桅杆或背索；而连接环向索的径向索之间撑杆的有无及受力特点也不一样，因此这种大跨度环形空间索结构的拓扑形式又分可分为不同类型，如外部一环内部两环，外部两环内部一环等形式。

目前全世界建成的这种结构并不多，根据内外环结构的不同又分为不同形式：内环为两环拉索，外环为一环受压梁。如2011年落成的深圳宝安体育场，马来西亚吉隆坡室外体育场，韩国釜山体育场；内环为一环拉索，外环为两环受压梁。如2006年建成的佛山世纪莲体育场；内环为一环拉索，外环为一环受压梁。如科威特国家体育场；内环为一环拉索，外环为桅杆。如2003年落成的威海成山体育场；内环为一环拉索，外环为受压钢桁架。如2006年德国世界杯使用的德国斯图加特体育场，伦敦碗。结构施工成形总体方式分析这种张拉整体结构是由索、杆构成的典型的柔性结构，在施工过程中从结构组装一直到结构成形刚度是从无到有的，结构的几何非线性极强，在实际施工过程中，对结构形状的控制也非常有难度。结构成形可供选择的张拉方案很多。张拉索与索之间的相互影响很大，不论采用何种方式张拉都要对整个张拉过程进行全方位的仿真模拟。各种不同的张拉方案都有其特点，张拉方案的选取不仅涉及到张拉效率、可操作性等，而且还涉及到张拉过程中结构的安全性，因此合理张拉方案的确定在工程中至关重要。目前对该种结构的研究以及对结构成形过程的研究很少，需要进行相关探索。

外双环内单环成形方式——佛山世纪莲体育场屋面的投影呈环形，屋盖由主体钢结构系统、索网系统和膜系统组成。外环(上压环)直径310米，为主体钢结构，包括上下压环和腹杆。内环内环直径为125米，由内环索组成。索网系统还包括上径向索(脊索)、下径向索(谷索)及分叉索，与钢结构系统相连，构成稳定的主索系。通过外在施加预张力，使结构形成整体的空间预应力索网。体育馆屋盖结构成形施工模拟可以分五步：环索整体提升、脊索安装、谷索安装、悬挂索安装、中径向索安装。该项工程索的数量多吨位重，且安装工序非常复杂，环索、脊索与谷索的安装是整个钢索体系安装的最大难点。根据国内目前起重设备所具有的的实际能力、工期以及造价等因素，采取分两次张拉的方式安装索系，即采用大小吨位千斤顶结合使用，分部张拉，大大降低了张拉千斤顶的吨位，并如期完工。施工过程主要步骤如下：环索地面准备。内环索整体提升。脊索安装谷索安装。

外单环内双环成形方式——深圳宝安体育场屋盖与佛山世纪莲不同，其内环索为两环，外压环为一环，内外环之间通过悬挂索而形成径向索桁，径向索间有悬挂索。屋盖由36 根钢柱支撑，空间形状为马鞍形，平面投影为椭圆形。椭圆外环长轴为237米，短轴为230米；内环长轴为129米，短轴为122米；径向索桁架平面投影长度为54米。外环标高23.80~33.45米；内环标高37.515~39.65米。

其他形式——内环一环，外环桅杆威海体育场看台罩蓬采用全张拉悬索膜结构。支撑张拉膜结构的承力结构由独立钢立柱、内环梁和结构索组成，内环梁可以看做是劲性索。其外缘水平投影呈近似椭圆形；内环梁为椭圆形。整个结构在空间构成双曲抛物面。周长500米的劲性内环梁为直径950×20的钢管，前、后结构索吊拉内环梁，下结构索起稳定作用。该结构体系在施工过程中有诸多难点。首先需要保证钢立柱的稳定性，其次钢管内环梁的提升安装难度非常大。通过缩尺模型的提升试验，分析比较了三种成形方法，即地面拼装斜向整体同步提升法(斜提升法)、地面拼装垂直整体同步提升法(垂直提升法)、分段提升高空拼装法。斜提升法最具经济性和技术先进性，但根据威海的地理及气候特点，考虑安全因素，工程首选垂直提升法：提升平台的搭设和内环梁组对拼装钢立柱安装与就位内环梁垂直整体提升提升同步控制与指挥内环梁就位及前、下结构索安装，由内环索、上悬索、下悬索、背索、桅杆柱和周边外压钢环组成，结构长276米，宽232米，高度为45米，上下悬索呈辐射状布置，共计48榀。工程最终采用整体张拉施工方案。这种大跨度环形空间索结构虽然结构形式简洁，但是由于结构大部分由索组成，具有非常强的非线性，给施工安装造成了很强的不确定性。

以宝安体育场为例，由于结构的几何非线性强，所以在设计过程中对结构成形性状的分析与施工阶段的实际情况可能会有较大差距。在进行结构设计时只是给出了成形后外环梁和索控制点的空间位置及索力分布，因此在进行索的安装与张拉施工前要首先结构进行找形分析。分析时运用Ansys软件对结构模型进行迭代处理，分析得出结构在零应力下的模型，由此来进行结构的成形分析，并作为构件定位及下料的依据。选定了结构的张拉成形方案之后，在施工前应对成形方案进行全过程仿真模拟。在对结构进行仿真模拟时，拉索采用仅能承受拉力的Link10单元，飞柱用Link8单元，外环梁采用Beam188单元；与外环及地面铰接的外环支撑柱用Link8单元，刚结柱用Beam188单元。因张拉成形过程结构变形大，在计算中必须要考虑结构的几何非线性。根据张拉方案，通过调整牵引索的长度模拟结构张拉成形过程。在施工过程中，由于不同构件如飞柱、下环索和下径向索是逐步参与到结构中的，因此可以运用Ansys程序的单元生死功能，模拟各构件在各阶段参与工作的连续过程。从而可以得出张拉过程中各关键点和杆件的变形及内力，了解张拉成形过程中结构的特性。在施工过程中，结构的安全性分析也非常重要，如果外环索不稳定，可能会出现断索、不对称等问题，形成安全隐患甚至发生事故。因此在施工前应充分考虑断索可能产生的影响。

此外，结构成形过程中的形态控制也应进行分析，关键要对施工过程中力和索长进行控制，并及时进行局部内力或索长的调整。

大跨度环形空间索结构作为新兴的结构，未来会越来越多地应用在公共场所，而其独特的结构形式也决定了它施工所具有的较大难度。因此在结构实际施工前，必须对结构的成形过程进行仿真模拟，充分了解结构施工中会遇到的困难及成形过程中结构的特点，才能确保结构及时且高质量地完成。（文/周丽君  梁存之  冯大斌）（来源：建筑时报）