大跨度车辐式单–双层混合索膜结构施工模拟分析

索膜结构是一种新型的空间结构形式，其通过施加预应力使结构具有一定的刚度以承受各种荷载作用。与国外膜结构技术相比，无论是在建筑设计理论或是膜结构全过程设计施工技术方面，国内的技术力量仍与世界先进水平仍存在差距。目前国内外关于车辐式张拉结构施工关键技术的研究主要集中于单层或双层车辐式张拉结构，其中绝大多数为双层索膜，单层车辐式索膜结构在国内外实际应用仅有科威特国家体育场和苏州体育中心体育场，而将车辐式单、双层索膜结合的结构，本课题的索膜结构属于世界范围内的第一例。

乐山市奥林匹克中心体育场采用的单–双层混合车辐式索膜结构与常规车辐式索膜结构相比，其设计结合单层和双层车辐式索膜，可适应结构东西向净空的不同需求，但结构也变得复杂，其中单层变双层关键节点处受到极大的不平衡力作用，对整体结构安全有较大影响，而已有的项目施工经验无法指导该单–双层混合结构的实际施工操作。

1??单–双层索膜结构概述

乐山体育场主体结构投影平面近似为椭圆形，南北向约244?m，东西向约235?m，东西向结构跨度为205?m。屋盖内圈为车辐式单–双层混合索网结构，上覆PTFE膜材，外圈为支撑索膜屋盖的外环受压桁架。索膜屋盖悬挑44?mm，外环受压桁架宽7~8?m。西侧看台上方屋面较高，采用单层索网（设置16榀径向索），并逐渐沿环向过渡到东侧双层索网（设置26榀径向索），双层内拉环间设置撑杆，撑杆最大高度17?m。外环受压桁架西侧支承于看台支承柱，东侧支承于平台斜柱，柱脚支座均采用铰接（图1）。

图1 ??乐山体育场

（a）结构模型；（b）轴测图

轮辐式索网结构主结构由刚性外环梁柱、单层索网（径向索、环索）、双层索网（上下环索、上径向索、下径向索、撑杆和内环撑杆构成），属预应力自平衡的全张力结构体系。

全张力结构体系须通过张拉在结构中建立必要的预应力，才具有结构刚度，以承受荷载和维持形状。因此结构除构件自身的几何参数和力学特性、构件间的几何拓扑关系和连接节点外，预应力也是结构构成的重要内容。索桁架结构中的“力”和“形”是统一的，“力”是在对应的“形”上平衡。因此，拉索施工要对“力”和“形”实行双控，即控制索力和结构形状。单–双层混合车辐式索膜结构的结构具有较大的创新性，进口索制作工期长，拉索规格较大，径向双索张拉力很大，局部节点构造复杂，需进行精细化的施工过程分析，特点如下。

（1）车辐式单–双层混合索网结构共42榀，其中16榀径向索，26榀索桁架拉索采用密封索（环索为进口索）。拉索采用密封索，因制作工期长应提前做好技术工作。

（2）单层索网的环索由D123×6+D115×4构成，即索夹需夹持10根两种规格的拉索。单层索网区域的径向索张拉力很大，特别是JXS-14/15/16/17的径向索力达到6?000?kN以上。

（3）大部分径向索由双索构成，小部分为单索。双层索网的上下层径向索之间为撑杆。与单层索网相邻区域的双层索网的上下层径向索间的距离很小，撑杆长度甚至不足1?m。环索索力不均匀，索夹抗滑承载力要求高。

（4）施工图中的索网位形为自重和预应力共同作用下的平衡位形。

屋盖拉索采用优质镀层密封钢丝绳（简称密封索）。索极限抗拉强度1?670?MPa，弹性模量1.55~ 1.65×105?N/mm2，其性能参照欧盟标准EN12385-10。轮辐式单、双层混合索网结构具有创新性，共42榀，其中16榀径向索，26榀索桁架，撑杆则采用圆钢。

索夹采用高焊接性能铸钢，按照CECS235—2008《铸钢节点应用技术规程》，材质G20Mn5QT。车辐式单–双层混合索网平面近似椭圆形，索环内力不均匀，环索索夹节点两侧会产生较大的不平衡力，径向索索夹也存在一定的不平衡力。在断径向索等偶然情况下，环索索夹节点两侧不平衡力加剧。应进行足尺寸索夹节点抗滑移试验，考察环索及径向索索夹节点的抗滑移能力，以确保预应力的有效建立。

2??施工工艺

本结构的总体施工方案包括拼接外围网壳的各钢构件，组装径向索、环索、索夹和撑杆，以外环梁为支点牵引杆系，将上层径向索与网壳锚接，张拉单层径向索和下层径向索使结构成型，安装屋面其他构件。其中安装拉索是本施工工程过程中最核心的施工部分，所以主要介绍拉索的施工步骤。牵引索命名和编号示意图如图2所示，拉索施工的总体方案如下。

图2 ?牵引命名和编号（计算机截图）

（a）命名示意；（b）编号示意

（1）步骤1：环索在场地地面矮支架上组装，径向索在看台上铺设后通过牵引索与外压环连接且预紧，安装与双层索网的牵引索2对应榀的撑杆（图3）。

图3 ?施工步骤1（计算机截图）

（a）位形三维图；（b）位形立面图

（2）步骤2：牵引单层索网的单牵引索和双层索网的牵引索2、上牵引索1，将与牵引索2 和上牵引索1 对应的径向索与外压环锚接，上环索被提升至半空（图4）。

图4 ?施工步骤2（计算机截图）

（a）位形三维图；（b）位形立面图

（3）牵引双层索网的下牵引索1，并安装对应榀的撑杆。步骤3-1：吊机辅助提升，逐步安装撑杆，步骤2完成后，双层索网的上径向索锚接就位，此时上环索距离下环索的空间高度远不够安装高度，因此需吊机辅助提升上环索，保证撑杆安装空间（图5）。步骤3-2：撑杆安装完成（图6）。

图5 ?施工步骤3-1（计算机截图）

（a）位形三维图；（b）位形立面图

图6 ? 施工步骤3-2（计算机截图）

（a）位形三维图；（b）位形立面图

（4）步骤4：牵引单层索网的单牵引索，至单层径向索与外压环锚接（图7）。

图7 ?施工步骤4（计算机截图）

（a）位形三维图；（b）位形立面图

（5）步骤5：牵引双层索网的下牵引索1，与外压环锚接，结构成型（图8）。

图8 ?施工步骤5（计算机截图）

（a）位形三维图；（b）位形立面图

对索网施工进行全过程精细化模拟包括牵引提升、安装撑杆、锚接等施工过程，需掌握关键参数（牵引索长度、牵引力和位形等），验证安装过程中结构的安全性，为设备选取、工装设计提供模拟分析基础。

3??分析方法和分析模型

本课题采用ANSYS有限元分析软件，基于“确定索杆系静力平衡状态的非线性动力有限元法” （发明专利号：ZL200910032743.6）的分析方法对整个施工过程进行精细化控制。

施工阶段静力平衡态下的索网系位形与结构成形状态差异较大，特别是在早期施工阶段；随着牵引安装和张拉成形，索网系位形逐渐趋向、接近和达到成形状态。在张拉前索网系为机构，须通过张拉建立预应力，方可具有结构刚度和形成结构。将设计要求的结构成形状态的位形作为初始位形建立模型，再通过找形分析确定某施工阶段索网系静力平衡状态时索网系主要呈现的是机构位移，而弹性位移是小量。另外，由于柔性拉索（如钢丝束索、钢绞线、钢丝绳等）仅能受拉，不能受压和受弯，因此施工过程中部分拉索还会处于松弛状态。由于存在超大位移且包含机构位移和拉索松弛，采用针对常规结构的线性静力有限元方法已无法解决。

采用“确实索杆系静力平衡状态的非线性动力有限元法”（专利授权号：ZL200910032743.6），通过引入虚拟的惯性力和粘滞阻尼力及系列分析技术，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系位形，使动力平衡状态逐渐收敛于静力平衡状态。索网系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，即索杆系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。

采用“form-finding.db”施工分析模型，主要包括外围钢构件、拉索、撑杆和索端节点；根据乐山体育场钢屋盖节点图建立索端节点刚臂单元，且环索按单根分开建模。然后根据不同构件的端节点连接形式和受力特点，选择合适的单元类型，本文所用的分析模型单元类型：拉索为link180，撑杆为link8，索夹和径向索端连接板（刚臂）为beam188，外围钢构为beam188/link8；材料的力学性质见表1。

表1??分析模型中材料力学性质

选择节点的边界形式和结构边界约束条件，节点连接形式为钢构间刚接，拉索与钢构间铰接，撑杆与其他构件铰接；结构边界约束条件为柱底铰接。

分析模型中荷载包括拉索预应力、结构自重（包括索夹和索头的重量），不含马道、膜面拱、屋面等荷载。结构分析模型如图9所示。

图9 ?结构分析模型（计算机截图）

（a）分析模型整体构形；（b）环索和索夹局部模型

4??计算结果分析

根据不同工况，通过有限元计算结果，算得各工况的牵引牵力及提升点上提力和提升过程中结构响应及各工况最大支座反力，工装的设备配置见表2。图10为拉索提升过程中的结构关键工况示意，图11为结构关键工况的径向索索力云图，图12为结构关键工况的钢筋应力云图。

图10??结构关键工况位形图（工况7-10，计算机截图）

（a）工况7；（b）工况8；（c）工况9；（d）工况10

图11 ?结构关键工况径向索索力云图（工况5-6，计算机截图）

（a）工况5 ；（b）工况6

图12??结构关键工况钢筋应力云图（工况17-18，计算机截图）

（a）工况17；（b）工况18