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走近科技奧運:大跨度預應力鋼結構“撐起”奧運場館

發布者:管理員  2017-03-10 14:02:07

       大跨度預應力鋼結構是由高強度、抗腐蝕、抗疲勞鋼索與各種形式空間鋼結構組合而成的一種新型結構形式,將柔性的鋼索與剛性的鋼結構完美地融合到一起,為建筑師提供了既實用又經濟的覆蓋大面積、大空間的建設手段。北京2008年奧運會共有7個場館采用了這種結構。

  走進北京2008年奧運會比賽場館,不能不注意它們獨到的外部形態:國家體育館的波浪曲線優雅美觀,儀態萬方;羽毛球館穹頂似天,動靜之間呈現出天圓地方的傳統宇宙觀;乒乓球館的“中國脊”伸展兩翼,與擁有百年歷史的北大學府相得益彰,頗具中國傳統建筑的韻味……

  而這些獨具匠心的形態無不與一種新興的結構形式息息相關,那就是當今體育場館、機場、大型機庫、會展中心等大型建筑首選的結構類型——大跨度預應力鋼結構。

  據承攬所有奧運場館中大跨度預應力鋼結構分項設計、施工和監測的北京建工集團建筑工程研究院副院長張然介紹,大跨度預應力鋼結構是由高強度、抗腐蝕、抗疲勞鋼索與各種形式空間鋼結構組合而成的一種新型結構形式,將柔性的鋼索與剛性的鋼結構完美地融合到一起,為建筑師提供了既實用又經濟的覆蓋大面積、大空間的建設手段,深得他們的青睞,北京2008年奧運會共有7個場館采用了這種結構。

   弦支穹頂“變臉”不易

  93米世界最大跨度、外圈環向索預應力張拉值250噸、屋蓋鋼結構起拱值110多毫米,奧運羽毛球館的設計施工難度世界罕見。

  該工程采取了弦支穹頂鋼結構體系,主要是由單層網殼、撐桿及預應力拉索構成。其中的預應力拉索是這個工程的最大特色和難點。

  對此,北京建工集團建研院秦杰博士給出這樣一個形象的比喻:“把我們平時手握握力圈的過程倒過來,就是在弦支穹頂結構施加預應力的過程。我們用力去握握力圈,橡膠圈收縮,手隨之隆起。環向索就好比橡膠圈,我們的手背就是單層網殼,手指就是撐桿。在工程中,我們首先給‘橡膠圈’(環向索)一個向內的拉力,力通過‘手指’(撐桿)傳遞給‘手背’(單層網殼),‘手背’就這樣慢慢拱起了。”

  由于屋蓋龐大、結構復雜,環向索的張拉過程異常艱難。第一個難點是如何在張拉后保持撐桿的垂直。建研院憑借雄厚的計算優勢,在仿真模擬中對受力進行精確的分析,并用以指導工程;二是由于跨度大,單根索預應力張拉值最大達到250噸(世界最大雙向張弦結構的國家體育館單項索預應力張拉值為120噸),施工風險很大。設計人員根據張拉情況配備了液壓千斤頂等先進設備,同時由機械工程師對配套的張拉設備進行了專門設計,解決了這一難題;三是柔性形態的控制。由于結構最終經張拉起拱脫離支撐胎架,施工安全性受到挑戰。設計人員因此布置了50多個監測點對拉索、撐桿和鋼結構應力進行監控,并對結構變形進行監控,以保證安全和結構質量。

  雙向張弦桁架“舒展筋骨”

  國家體育館鋼屋架結構形式為“單曲面雙向張弦桁架預應力鋼結構”,主館南北長144.5米,東西寬114米,其跨度為雙向張弦桁架預應力鋼結構的世界之最。國家體育館整個鋼屋架工程由14榀桁架組成,總用鋼量2800噸,如何完成如此巨大規模的預應力鋼結構設計和施工著實讓建研院預應力的工程師們犯了難。

  經過26次方案論證和優化,設計人員最終確定了單榀高空分段組裝、穿索預緊、累計滑移、預應力張拉的新技術安裝施工。通俗地說,就是將桁架先在高空組裝完成,再穿進鋼索“繃上勁”,然后通過一條縱貫東西的滑軌分批將它們從東邊滑到西邊去,最后整體張拉,這樣可以大大降低施工的成本。

  除了完成國家體育館預應力分項的設計和施工,北京建工集團建研院還擔當了鋼結構永久性健康監測的任務。他們通過83臺監測儀器、全程無線監控系統和設備先進的實驗室構成了一整套嚴密的監測系統,對國家體育館鋼結構進行實時監控,這在我國尚屬首次。

  不規則的空間張弦結構

  奧運乒乓球館的頂部是一個酷似乒乓球形狀的網殼結構,伸展兩翼的“中國脊”極具動感,形成了旋風托起乒乓球的獨特造型。

  北京建工建研院工程師呂李青介紹:“預應力桁架由圓形網殼開始,呈輻射狀向四周射出,這使北大乒乓球館的空間張弦變得極為復雜,堪稱國內之最。由于結構不規則、不均勻,張拉時很容易把中間的‘圓球’拉偏。”

  為此,建研院采取了“多步多小級”對稱張拉的方法。通俗地說就是在32榀桁架下進行預應力張拉時,分8個對稱點,共4次完成,且分多次、逐步施加拉力,以保證結構的穩定。

  張然說:“雖然我國已經建成了很多在國際上跨度領先的大跨度預應力鋼結構,但在設計和施工過程中還有很多問題沒有解決,現在的發展是‘理論科學研究超前于工程應用’、‘實用科學研究滯后于工程應用’、‘技術創新速度大于研究積累速度’。未來,北京建工建研院將在設計和施工方法的完善、節點足尺試驗研究、施工監測和健康監測理論、方法和實用技術研究等問題上做更深入的探索

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