DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2016.04.019
劲性支撑穹顶结构的施工方法与试验研究
薛素铎1，高占远1, 2，张超1，王琼3
(1．北京工业大学 工程抗震与结构诊治北京市重点实验室，北京，100124；
2．清华大学 土木工程系，北京，100084；
3. 河北农业大学 理工学院，河北 保定，071071)
摘要：基于劲性支撑穹顶结构具有杆件定位容易、自身质量小及结构效率高等特点，提出中心场地拼装逐步张拉提升的施工方法和地面拼装高空提升1次张拉成形的施工方法。将这2种施工方法对比分析，确定采用中心场地拼装逐步张拉提升的施工方法，采用FEDR算法进行施工成形分析。设计1个直径为6 m的劲性支撑穹顶结构模型，采用中心场地拼装逐步张拉提升的施工方法对试验模型进行施工，将试验结果与理论分析结果进行对比分析。分析试验过程中容易出现的关键问题并给出解决方案。研究研究表明：设计的试验模型是可行的；采用中心场地拼装逐步张拉提升的施工方法施工时，各步的内力和位移试验值与理论值基本吻合。
关键词：劲性支撑穹顶结构；中心场地拼装逐步张拉提升施工方法；模型试验；FEDR算法
中图分类号：TU394 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2016)04-1219-08
Research on construction method and model test of rigid bracing dome
XUE Suduo1, GAO Zhanyuan1, 2, ZHANG Chao1, WANG Qiong3
(1. Beijing Key Laboratory of Earthquake Engineering and Structural Retrofit,Beijing University of Technology, Beijing 100124, China;
2. Department of Civil Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China;
3. College of Technology, Agricultural University of Hebei, Baoding 071071, China)
Abstract: According to the structure characteristics of rigid bracing dome, the node-by-node assembling and integral tension method, ground assembly and overhead tensile construction method were given, the two kinds of construction method were analyzed, and the construction method was determined. The construction forming of structure was analyzed by FEDR algorithm. Experimental model of rigid bracing dome was designed with a diameter of 6 m.Test model was constructed by the first construction method. The experimental results and theoretical analysis results were analyzed. The key problemes were analyzed during the test and the solutions were given. The results show that when the center site assembling gradually stretching lifting construction method is used in test, the experimental results and theoretical analysis results are basically accordant.
Key words: rigid bracing dome; the node-by-node assembling and integral tension method; model experiment; FEDR algorithm
劲性支撑穹顶结构[1]是一种新型的预应力空间结构，上层是索网体系，下层为刚性杆支撑，是由索穹顶结构发展而来。高强钢拉杆的引入使其与索穹顶结构有很大不同，索穹顶结构的施工方法不再适用，但可作为劲性支撑穹顶结构的重要参考。寻找适合劲性支撑穹顶结构的施工方法十分必要。新的建筑结构形式、施工工艺及理论方法的研究都离不开结构试验，在建筑科学研究和技术革新中起重要作用[2]。劲性支撑穹顶结构是一种新型的预应力空间结构，研究其施工方法等离不开模型试验，索穹顶结构的施工方法可作为重要参考。郑君华等[3]基于机构分析原理，以1个葵花型索穹顶结构模型为研究对象，考虑了张拉最外圈斜索、张拉最外圈脊索及张拉最外圈环索等成形法。张建华[4]提出了分层顶升竖杆法，在施工过程中附加环索。张成等[5]提出了1种只张拉端部斜索的肋环型索穹顶结构施工成形方法。钱英欣等[6]针对大陆地区首个大型索穹顶结构工程，提出了地面整体拼装、整体提升外脊索和外斜索的安装方法。郭正兴等[7]结合无锡新区科技交流中心首个刚性屋面索穹顶工程，提出了无支架提升索杆累积安装技术。此外，国内外许多学者对索穹顶结构进行了模型试验研究[8-15]。本文作者提出中心场地拼装逐步张拉提升和地面拼装高空提升1次张拉成形的施工方法，将2种施工方法进行对比，设计1个直径为6 m的劲性支撑穹顶结构。采用中心场地拼装逐步张拉提升的施工方法对试验模型进行施工，将试验结果与理论分析结果进行对比分析，分析试验过程中所产生的误差及原因，并给出解决方案。
1 施工方法的确定
1.1 索穹顶结构施工方法的不足
索穹顶结构虽已有许多实际工程，但其施工方法仍是难题，且已有的施工方法存在以下不足[16]：1) 工作人员需高空作业来完成结构的安装和张拉；2) 张拉过程中采用逐层张拉法，施工难度增加，且不容易满足建筑设计外形要求，同时给施工模拟分析和过程控制带来很大的困难；3) 对张拉的对称性要求高。有的施工方法需反复张拉放松脊索，给施工模拟分析和施工过程控制带来困难。劲性支撑穹顶结构下部为刚性杆，具有初始刚度，使得节点定位容易。环杆是不连续的，避免了索穹顶结构的下部环索与撑杆节点之间可能产生的摩擦和滑移问题。上部柔性索便于与覆盖膜材连接。该结构充分利用了材料的特性，且自重随着跨度的增大而不明显增加[2]。
基于索穹顶结构现有施工方法存在的不足和劲性支撑穹顶结构自身特点的分析，提出2种施工方法：中心场地拼装逐步张拉提升的施工方法和地面拼装、高空提升1次张拉成形的施工方法。以图1所示的设有2道环杆的肋环形劲性支撑穹顶结构为例，对这2种施工方法进行分析。
图1 劲性支撑穹顶结构
Fig. 1 Structure of rigid bracing dome
1.2 中心场地拼装逐步张拉提升的施工方法
该施工方法以节点由内向外、先上后下的顺序逐节点拼装整体张拉提升为原则。具体步骤如下。
1) 搭设中心场地及看台上的操作平台，见图2(a)。
2) 安装中心内拉环，内脊索的上端与中心内拉环的上耳板连接。内脊索另一端与中脊索连接，中脊索另一端通过工装索与操作平台的临时装置连接，见图2(b)。
3) 安装内环杆，对称安装内斜杆上端，将内斜杆的下端与中心内拉环的下耳板连接，见图2(c)。
4) 对称安装中撑杆上端，中撑杆下端与内环杆上节点连接。整体张拉提升中脊索工装索，将中脊索与操作平台上节点连接，见图2(d)。
5) 在操作平台上张拉中斜杆工装索，将中斜杆与操作平台上的节点连接，见图2(e)。
6) 外脊索的一端与操作平台上的节点连接，外脊索的另一端通过工装索与环梁连接。张拉外脊索的工装索使其内力达到预定值，放松节点的临时固定装置，见图2(f)。按照节点先内后外、先上后下的顺序对称安装中斜杆上端、外撑杆，并将外斜杆的下端与外环杆上的对应节点连接。
7) 整体张拉提升外脊索，将外脊索与环梁上的节点连接，见图2(g)。
图2 中心场地拼装逐步张拉提升施工方法(方法Ⅰ)施工过程示意图
Fig. 2 Schematic diagrams of construction processes of method Ⅰ
8) 整体张拉外斜杆的工装索，将外斜杆的上端与环梁上的节点连接，见图2(h)。
9) 张拉调节外脊索，使结构达到设计外形。
10) 铺设膜材，完成施工。
若实际工程没有看台，即不需要设置临时支撑，则在地面拼装、逐步张拉提升即可。
1.3 地面拼装高空提升1次张拉成形的施工方法
该施工方法是中心场地内的杆件在地面拼装，借助起重机不断提升组装好的杆件，1次张拉成形的施工方法。具体的安装张拉步骤如下。
1) 安装内拉环，地面搭设拼装平台，见图3(a)。在场地中心位置进行拼装连接。在拼装时，准确放置内拉环的位置，使内拉环上的耳板和外环梁上的耳板相对应。
2) 安装脊索体系。地面拼装脊索体系，通过脊索工装索将脊索和外环梁相连，保证脊索工装索具有足够的长度，见图3(b)。
3) 拼装内斜杆。内斜杆拼装在脊索体系拼装完成后进行，安装内斜杆，将内斜杆一端和脊索端头相连，将中撑杆一端也与脊索端头相连。然后，将内斜杆另一端与内拉环下端节点相连，见图3(c)。
4) 安装中环杆。在设计时预先确定的地面位置安装中环杆。
5) 安装中撑杆。将内拉环吊装索和中环杆吊装索安放在起重机吊钩上，起吊内拉环，当起吊到一定高度后，将中撑杆下节点与环杆相连，见图3(d)。
6) 安装中斜杆。中斜杆一端与中环杆上的节点相连，另一端用工装索牵拉到中间操作平台。提升起重机到一定高度，分别对称牵引中斜杆工装索，将中斜杆与脊索索夹相连。将外撑杆一端与脊索索夹相连，见图3(e)。
7) 安装外环杆。在操作平台上安装外环杆，见图3(f)。
8) 安装外撑杆。继续提升起重机，将外撑杆下端与外环杆下节点相连，见图3(g)。
9) 安装外斜杆。外斜杆只需要一端和外环杆节点相连，另一端通过外斜杆工装索和外环梁相连即可完成外斜杆的安装，见图3(f)。
10) 安装外脊索和斜杆销轴。提升起重机到指定高度，然后对称提升脊索工装索，并安装脊索销轴。
图3 地面拼装高空提升1次张拉成形施工方法(方法Ⅱ)施工过程示意图
Fig. 3 Schematic diagrams of construction processes of method Ⅱ
安装同一位置的斜杆销轴。安装按相同方向进行，直到安装完成。
1.4 施工方法对比分析
中心场地拼装逐步张拉提升施工方法的优点是避免了高空作业、脊索不用反复张拉、张拉过程简单且下部钢拉杆施工过程中始终处于受拉状态。地面拼装高空提升1次张拉提升施工方法的优点是避免了高空作业、脊索不用反复张拉，操作过程也相对简单，缺点是不能保证下部的钢拉杆始终处于受拉状态。
通过对比这2种施工方法的优缺点，中心场地拼装逐步张拉提升的方法施工步骤更加明确，操作过程更加简单，且能够保证下部的刚拉杆始终处于受拉状态，该施工方法更适合劲性支撑穹顶结构。
目前，索穹顶的实际工程有几十座，取汉城奥运会体操馆[17]、乔治亚索穹顶[18]、伊金霍洛旗索穹顶[19]这3个有代表性的实际工程的施工张拉过程与提出的施工方法进行对比，见表1。
从表1可知：与现有的索穹顶结构的施工方法相比，中心场地拼装逐步安装张拉提升的施工方法充分发挥了劲性支撑穹顶结构的优点，同时具有地面(或操作平台)拼装避免了高空作业、张拉过程简单、只需对称提升张拉等优点。
表1 施工方法对比
Table 1 Comparison of construction methods
2 试验研究
2.1 模型设计
设计1个直径为6 m的试验模型，主要包括周边支撑体系、临时支撑体系、脊索、斜杆、环杆、撑杆及节点等部件，结构模型剖面如图4所示。
图4 试验模型
Fig. 4 Profile of test model
周边支撑体系包括环梁、立柱和斜向支撑等，如图4(a)所示。环梁设计为圆弧形，分成8段，采用H150×150×10×10的型钢。立柱是自平衡结构的支撑构件，高为1.5 m，柱身采用直径为89 mm、壁厚为5 mm的钢管。斜向支撑是为了保证周边支撑系统的稳定性，采用边长为65 mm、厚为3 mm的等边角钢。
模拟实际工程中有体育场看台的情况，搭设临时支撑体系。临时支撑体系包括柱子和环梁，见图4(a)。临时支撑的环梁采用直梁，分成8段，截面尺寸与周边支撑体系环梁的相同，柱高为0.75 m，柱截面与周边支撑体系立柱的相同。
根据模型受力分析及实际情况，钢拉杆直径为8 mm。钢索直径为6 mm，索的调节长度范围为±20 mm。撑杆均选用直径为20 mm、壁厚为3 mm的钢管。
2.2 测点布置
考虑劲性支撑穹顶结构的结构特点以及施工方法，选择模型上的②-⑥轴、③-⑦轴上的所有杆件及②轴和③轴、③轴和④轴、⑥轴和⑦轴、⑦轴和⑧轴之间的环杆作为内力监测点，如图5(a)所示。取④-⑧轴和③-⑦轴上的所有撑杆上节点作为节点位移监测点，如图5(b)所示。
2.3 施工成形试验
施工安装张拉步骤如下。
1) 柱子定位，场地找平。
2) 安装周边柱子及环梁，安装临时支撑。
图5 测点布置
Fig. 5 Layouts of measuring points
3) 中心场地内的杆件拼装连接。
4) 按节点先上后下的顺序安装中心场地内的杆件，将中脊索安装到临时支撑上。记录静力应变测试仪上的初始读数，用全站仪测监测点的坐标。
5) 安装中斜杆。将中斜杆的上端与临时支撑连接，然后用导链进行张拉，张拉到位后将中脊索下端与节点连接。记录静力应变测试仪上的读数，用全站仪测量监测点的坐标。
6) 安装外脊索。将外脊索的一端与周边环梁连接。用钢丝绳连接撑杆上节点的耳板，钢丝绳的另一端与导链连接。去掉临时装置的螺栓，8面同时分级张拉，以张拉1 cm为一级。张拉到位后，将外脊索的另一端与撑杆上节点连接。记录静力应变测试仪上的读数，用全站仪测量监测点的坐标。
7) 安装外斜杆。将外斜杆的一端与周边环梁连接，用导链连接撑杆下节点，在8个方向同时分级对称张拉，张拉到位后将外斜杆另一端与撑杆下节点连接。记录静力应变测试仪上的读数，用全站仪测量监测点的节点坐标。
8) 结构成形。撤出导链，结构张拉成形。
2.4 试验结果分析
FEDR法[20]是一种新型的施工成形分析方法，具有动力松弛法、有限单元法的优点。针对劲性支撑穹顶结构，采用FORTRAN语言和ANSYS的APDL语言编制的FEDR算法程序，对劲性支撑穹顶结构的试验模型进行施工成形分析。
取中心撑杆轴②上对应的外脊索、中脊索、内脊索、外斜杆、中斜杆、内斜杆、②轴和③轴之间的环向杆件等杆件的内力，以及轴②上的撑杆上节点B，C和D的竖向坐标，其理论值与试验值见表2~5。
表2 安装中脊索和中斜杆节点竖向坐标
Table 2 Vertical coordinates of nodes when intermediate cables and rods are installed
表3 安装中脊索和中斜杆杆件内力
Table 3 Member forces when intermediate cables and rods are installed
表4 安装外脊索和外斜杆节点竖向坐标
Table 4 Vertical coordinates of nodes when outer cables and rods are installed
表5 安装外脊索和外斜杆杆件内力
Table 5 Member forces when outer cables and rods are installed
由表2和表4可知：节点竖向坐标的理论值与试验值较吻合，相对误差均小于6.62%。节点坐标的理论值与实验值的相对误差由外到内逐渐增大，表明节点坐标是施工控制的重要指标之一。
由表3和表5可知：构件内力理论值与试验值基本吻合；张拉中斜杆时，杆件内力的误差比较大，甚至达到16.71%。经分析发现，临时支撑上临时连接件距中心点的距离比设计值近1.5 cm左右，是造成较大偏差的原因之一，仪器的飘移也是造成误差的重要原因之一，特别是对内力较小的杆件影响比较大。其他杆件内力的理论值和试验值均吻合较好，相对误差均在10.00%以内。
通过试验分析可知：杆件内力和节点位移均基本吻合，说明提出的中心场地拼装逐步张拉成形的施工方法是可行的，且简单高效，可应用于劲性支撑穹顶结构实际工程。提出的FEDR施工成形分析方法和编制的程序是可行的、正确的，可用于劲性支撑穹顶结构实际工程的施工成形分析。
3 遇到的问题及解决策略
3.1 索力不均匀现象
安装中脊索到临时支撑环梁时，各中脊索出现内力不均匀现象。通过文献[21]的敏感性分析可知：造成索内力不均匀的原因包括支座定位偏差和构件长度偏差，且影响均高度显著。经分析，造成此现象的原因有2个：1) 临时支撑的连接件距离中心点的距离不一致；2) 相同位置的索长度不一致。解决策略为：校核临时连接件到中心点的距离，根据实际情况将临时连接件到中心点的距离定为198.5 cm，通过全站仪由周边柱子上的中心点反测到临时支撑体系的柱面上，由2个方向的点确定临时连接件的位置，以保证临时连接件到中心点的距离及各临时连接件的环向距离相等。采取张拉前和张拉后2次校核的方式对各脊索构件长度进行量测校核。
3.2 结构未起拱
在试张拉过程中，将外斜杆安装完成后，结构并未起拱，甚至出现索松弛现象。通过文献[21]的敏感性分析可知：影响索内力偏差的显著因素是构件长度偏差和支座定位偏差。支座定位偏差经过校核很小，可忽略。经分析，造成结构未起拱的原因有2个：1) 相同位置的构件长度存在差异；2) 张拉位置存在问题，导链放置位置过低。
经测量相同位置的构件长度最大相差近1 cm。在试张拉过程中导链放在环梁的下侧，位置偏低。解决策略为：将每个构件长度均采取安装前和安装后2次校核，保证相同位置的构件长度一致。模型跨度较小，很小的构件长度偏差就会引起整个结构出现误差。索头较容易转动，不经意的转动就会引起很大的构件长度偏差，因此，为了避免转动，量测好之后用胶布将索头临时固定。导链放在周边支撑体系的柱顶上，以保证张拉高度。
4 结论
1) 提出了中心场地拼装逐步张拉提升和地面拼装整体提升1次张拉成形的施工方法，中心场地拼装逐步张拉提升的施工方法更适合劲性支撑穹顶结构。
2) 施工成形试验结果与理论值之间吻合较好，表明基于FEDR算法的施工成形分析方法、采用ANSYS的APDL语言和FORTRAN语言编制的施工成形程序是准确、可靠的，可用于实际工程施工成形分析。
3) 提出的中心场地拼装逐步张拉提升的施工方法简单、高效，在整个试验过程中，杆件的位移容易控制，施工难度低，速度快，充分考虑了劲性支撑穹顶结构的优点。该施工方法可供劲性支撑穹顶结构实际工程使用。
4) 支座位置偏差和相同位置杆长偏差是造成结构偏差的重要原因，在工程实践中应予以重视。
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(编辑 陈灿华)
收稿日期：2015-04-10；修回日期：2015-06-13
基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金项目资助(51378031)；北京市自然科学基金项目资助(8132022)；城市与工程安全减灾教育部重点实验室&工程抗震与结构诊治北京市重点实验室重点项目(USDE201401)；教育部长江学者和创新团队发展计划项目(IRT13044)(Project (51378031) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project (8132022) supported by the Natural Science Foundation of Beijing; Project (USDE201401) supported by the Key Project of Key Laboratory of Urban Security and Disaster Engineering of Ministry of Education and Beijing Key Lab of Earthquake Engineering and Structural Retrofit; Project (IRT13044) supported by Changjiang Scholars and Innovative Research Team in University)
通信作者：高占远，博士(后)，讲师，从事大跨空间结构研究；E-mail：haifenglingyong@sina.com
