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走近科技奧運:大跨度預應力鋼結(jié)構(gòu)“撐起”奧運場館

作者：鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)    
時間：2009-12-23 10:02:01 [收藏]

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

    　　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(tài)：國家體育館的波浪曲線優(yōu)雅美觀，儀態(tài)萬方；羽毛球館穹頂似天，動靜之間呈現(xiàn)出天圓地方的傳統(tǒng)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(tǒng)建筑的韻味……

    　　而這些獨具匠心的形態(tài)無不與一種新興的結(jié)構(gòu)形式息息相關(guān)，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(jié)構(gòu)類型―――大跨度預應力鋼結(jié)構(gòu)。

    　　據(jù)承攬所有奧運場館中大跨度預應力鋼結(jié)構(gòu)分項設(shè)計、施工和監(jiān)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(jié)構(gòu)是由高強度、抗腐蝕、抗疲勞鋼索與各種形式空間鋼結(jié)構(gòu)組合而成的一種新型結(jié)構(gòu)形式，將柔性的鋼索與剛性的鋼結(jié)構(gòu)完美地融合到一起，為建筑師提供了既實用又經(jīng)濟的覆蓋大面積、大空間的建設(shè)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(jié)構(gòu)。弦支穹頂“變臉”不易

    　　93米世界最大跨度、外圈環(huán)向索預應力張拉值250噸、屋蓋鋼結(jié)構(gòu)起拱值110多毫米，奧運羽毛球館的設(shè)計施工難度世界罕見。

    　　該工程采取了弦支穹頂鋼結(jié)構(gòu)體系，主要是由單層網(wǎng)殼、撐桿及預應力拉索構(gòu)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(jié)構(gòu)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(huán)向索就好比橡膠圈，我們的手背就是單層網(wǎng)殼，手指就是撐桿。在工程中，我們首先給"橡膠圈"（環(huán)向索）一個向內(nèi)的拉力，力通過"手指"（撐桿）傳遞給"手背"（單層網(wǎng)殼），"手背"就這樣慢慢拱起了?！?

    　　由于屋蓋龐大、結(jié)構(gòu)復雜，環(huán)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(yōu)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(jié)構(gòu)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(shè)計人員根據(jù)張拉情況配備了液壓千斤頂?shù)认冗M設(shè)備，同時由機械工程師對配套的張拉設(shè)備進行了專門設(shè)計，解決了這一難題；三是柔性形態(tài)的控制。由于結(jié)構(gòu)最終經(jīng)張拉起拱脫離支撐胎架，施工安全性受到挑戰(zhàn)。設(shè)計人員因此布置了50多個監(jiān)測點對拉索、撐桿和鋼結(jié)構(gòu)應力進行監(jiān)控，并對結(jié)構(gòu)變形進行監(jiān)控，以保證安全和結(jié)構(gòu)質(zhì)量。雙向張弦桁架“舒展筋骨”

    　　國家體育館鋼屋架結(jié)構(gòu)形式為“單曲面雙向張弦桁架預應力鋼結(jié)構(gòu)”，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(jié)構(gòu)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(guī)模的預應力鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工著實讓建研院預應力的工程師們犯了難。

    　　經(jīng)過26次方案論證和優(yōu)化，設(shè)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(shù)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(shè)計和施工，北京建工集團建研院還擔當了鋼結(jié)構(gòu)永久性健康監(jiān)測的任務。他們通過83臺監(jiān)測儀器、全程無線監(jiān)控系統(tǒng)和設(shè)備先進的實驗室構(gòu)成了一整套嚴密的監(jiān)測系統(tǒng)，對國家體育館鋼結(jié)構(gòu)進行實時監(jiān)控，這在我國尚屬首次。不規(guī)則的空間張弦結(jié)構(gòu)

    　　奧運乒乓球館的頂部是一個酷似乒乓球形狀的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，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(wǎng)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(nèi)之最。由于結(jié)構(gòu)不規(guī)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(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

    　　張然說：“雖然我國已經(jīng)建成了很多在國際上跨度領(lǐng)先的大跨度預應力鋼結(jié)構(gòu)，但在設(shè)計和施工過程中還有很多問題沒有解決，現(xiàn)在的發(fā)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(shù)創(chuàng)新速度大于研究積累速度"。未來，北京建工建研院將在設(shè)計和施工方法的完善、節(jié)點足尺試驗研究、施工監(jiān)測和健康監(jiān)測理論、方法和實用技術(shù)研究等問題上做更深入的探索。
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