大跨度预应力钢结构是由高强度、抗腐蚀、抗疲劳钢索与各种形式空间钢结构组合而成的一种新型结构形式,将柔性的钢索与刚性的钢结构完美地融合到一起,为建筑师提供了既实用又经济的覆盖大面积、大空间的建设手段。北京2008年奥运会共有7个场馆采用了这种结构。
走进北京2008年奥运会比赛场馆,不能不注意它们独到的外部形态:国家体育馆的波浪曲线优雅美观,仪态万方;羽毛球馆穹顶似天,动静之间呈现出天圆地方的传统宇宙观;乒乓球馆的“中国脊”伸展两翼,与拥有百年历史的北大学府相得益彰,颇具中国传统建筑的韵味……
而这些独具匠心的形态无不与一种新兴的结构形式息息相关,那就是当今体育场馆、机场、大型机库、会展中心等大型建筑首选的结构类型——大跨度预应力钢结构。
据承揽所有奥运场馆中大跨度预应力钢结构分项设计、施工和监测的北京建工集团建筑工程研究院副院长张然介绍,大跨度预应力钢结构是由高强度、抗腐蚀、抗疲劳钢索与各种形式空间钢结构组合而成的一种新型结构形式,将柔性的钢索与刚性的钢结构完美地融合到一起,为建筑师提供了既实用又经济的覆盖大面积、大空间的建设手段,深得他们的青睐,北京2008年奥运会共有7个场馆采用了这种结构。
 弦支穹顶“变脸”不易
93米世界最大跨度、外圈环向索预应力张拉值250吨、屋盖钢结构起拱值110多毫米,奥运羽毛球馆的设计施工难度世界罕见。
该工程采取了弦支穹顶钢结构体系,主要是由单层网壳、撑杆及预应力拉索构成。其中的预应力拉索是这个工程的最大特色和难点。
对此,北京建工集团建研院秦杰博士给出这样一个形象的比喻:“把我们平时手握握力圈的过程倒过来,就是在弦支穹顶结构施加预应力的过程。我们用力去握握力圈,橡胶圈收缩,手随之隆起。环向索就好比橡胶圈,我们的手背就是单层网壳,手指就是撑杆。在工程中,我们首先给‘橡胶圈’(环向索)一个向内的拉力,力通过‘手指’(撑杆)传递给‘手背’(单层网壳),‘手背’就这样慢慢拱起了。”
由于屋盖庞大、结构复杂,环向索的张拉过程异常艰难。第一个难点是如何在张拉后保持撑杆的垂直。建研院凭借雄厚的计算优势,在仿真模拟中对受力进行精确的分析,并用以指导工程;二是由于跨度大,单根索预应力张拉值最大达到250吨(世界最大双向张弦结构的国家体育馆单项索预应力张拉值为120吨),施工风险很大。设计人员根据张拉情况配备了液压千斤顶等先进设备,同时由机械工程师对配套的张拉设备进行了专门设计,解决了这一难题;三是柔性形态的控制。由于结构最终经张拉起拱脱离支撑胎架,施工安全性受到挑战。设计人员因此布置了50多个监测点对拉索、撑杆和钢结构应力进行监控,并对结构变形进行监控,以保证安全和结构质量。
双向张弦桁架“舒展筋骨”
国家体育馆钢屋架结构形式为“单曲面双向张弦桁架预应力钢结构”,主馆南北长144.5米,东西宽114米,其跨度为双向张弦桁架预应力钢结构的世界之最。国家体育馆整个钢屋架工程由14榀桁架组成,总用钢量2800吨,如何完成如此巨大规模的预应力钢结构设计和施工着实让建研院预应力的工程师们犯了难。
经过26次方案论证和优化,设计人员最终确定了单榀高空分段组装、穿索预紧、累计滑移、预应力张拉的新技术安装施工。通俗地说,就是将桁架先在高空组装完成,再穿进钢索“绷上劲”,然后通过一条纵贯东西的滑轨分批将它们从东边滑到西边去,最后整体张拉,这样可以大大降低施工的成本。
除了完成国家体育馆预应力分项的设计和施工,北京建工集团建研院还担当了钢结构永久性健康监测的任务。他们通过83台监测仪器、全程无线监控系统和设备先进的实验室构成了一整套严密的监测系统,对国家体育馆钢结构进行实时监控,这在我国尚属首次。
不规则的空间张弦结构
奥运乒乓球馆的顶部是一个酷似乒乓球形状的网壳结构,伸展两翼的“中国脊”极具动感,形成了旋风托起乒乓球的独特造型。
北京建工建研院工程师吕李青介绍:“预应力桁架由圆形网壳开始,呈辐射状向四周射出,这使北大乒乓球馆的空间张弦变得极为复杂,堪称国内之最。由于结构不规则、不均匀,张拉时很容易把中间的‘圆球’拉偏。”
为此,建研院采取了“多步多小级”对称张拉的方法。通俗地说就是在32榀桁架下进行预应力张拉时,分8个对称点,共4次完成,且分多次、逐步施加拉力,以保证结构的稳定。
张然说:“虽然我国已经建成了很多在国际上跨度领先的大跨度预应力钢结构,但在设计和施工过程中还有很多问题没有解决,现在的发展是‘理论科学研究超前于工程应用’、‘实用科学研究滞后于工程应用’、‘技术创新速度大于研究积累速度’。未来,北京建工建研院将在设计和施工方法的完善、节点足尺试验研究、施工监测和健康监测理论、方法和实用技术研究等问题上做更深入的探索

 

2012年12月24日

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走近科技奥运:大跨度预应力钢结构“撑起”奥运场馆

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