厚街体育馆上部钢屋盖采用的结构形式为椭圆抛物面弦支穹顶结构，该结构形式为当前先进的预应力空间结构体系之一。该结构在平面上的投影为椭圆形，其支座间的结构净尺寸为110 m×80 m，周圈部分为悬挑。上部单层网壳矢高为9.4 m，以结构净跨计算，则该钢屋盖结构在长轴和短轴方向上的矢跨比分别为1/11.7和1/8.5。该钢屋盖结构的上部单层网壳采用联方型和凯威特型混合网格布置的形式，下部结构采用由4圈环索、径向杆和撑杆组成的索杆体系形式，撑杆的上、下两端节点为铸钢节点，其他节点为圆管相贯节点。该结构的上部钢屋盖沿110 m×80 m的椭圆形曲线支承在钢圈梁顶，一共设置24个固定铰支座。索杆体系一共有4圈环索，除了最内圈环索只设了16个撑杆之外，其他环索均设置了24个撑杆。该钢屋盖结构的轴侧图如图1所示。

图1 厚街体育馆钢屋盖结构轴侧图

厚街体育馆环索预应力张拉采用的是分级张拉的张拉方式，环索分布如图2所示，张拉工序如表1所示。

图2 环索分布与序号

表1 预应力张拉工序

由外圈环索HS12向内圈环索HS09的各环索预张力的设计值分别为：1 584.4，1 008.4，681.1，404.2 kN,根据分级张拉的比例通过迭代分析，得到每级张拉各环索的预张力值如表2所示。

表2 分级张拉各圈环索预张力值kN

模拟计算采用MIDAS/Gen软件构建有限元模型，通过软件分析，得到整个张拉过程中的12个工况应力分析结果，限于篇幅，本文仅绘出应力张拉完成后上部网壳与下部索杆体系的应力云图，如图3和图4所示。

图3 张拉完成后上部网壳应力云图 MPa

图4 张拉完成后下部索杆体系应力云图 MPa

由图3、图4的应力云图得知，上部网壳与下部索杆体系中径向杆的受力都较为均匀，而环索则相对变化较大。上部网壳应力值的变化规律不明显，径向杆与环索作为受拉构件，在应力值的变化规律上则表现为径向杆沿短轴向长轴方向逐渐增加而环索逐渐递减，与结构多轴对称的圆形弦支穹顶相比有很大差异。

作为承压构件的撑杆，在受力上与环索和径向杆不同，撑杆是下部索杆体系与上部网壳承上启下的重要构件，也是下部索杆体系对上部网壳支撑作用的综合体现。为研究撑杆在施工过程中的变化特点，本文根据结构对称性的特点和模拟计算结果，仅选取结构1/4区域的撑杆来进行研究。撑杆选取分布如图5所示，模拟计算结果得到的各撑杆应力变化曲线如图6～图9所示。

图5 分析对象撑杆分布

图6 HS09撑杆应力随施工阶段变化的曲线

图7 HS10撑杆应力随施工阶段变化的曲线

图8 HS11撑杆应力随施工阶段变化的曲线

图9 HS12撑杆应力随施工阶段变化的曲线

由图6～图9撑杆应力变化曲线可知：1)在同一施工阶段，仅有最内圈撑杆因结构体系的原因，受力略有不同外，其余三圈各撑杆应力值基本上保持着由短轴向长轴依次增加的规律，且与径向杆的变化规律相同；2)在第一级张拉过程中，各圈应力增长均较为缓慢，应力增长的拐点集中在第二级张拉阶段，各圈拐点所在工况与施工顺序有关，在张拉本圈预应力时，对应该圈的撑杆的应力增长速度最快，同时对其他撑杆的影响，根据距离的远近，由近至远逐渐减小。

弦支穹顶结构作为一种刚柔并济的结构体系，下部索杆体系为上部网壳提供了很好的支承作用，各构件之间的相互协同作用，使得整体应力保持在较低的水平，为实现大跨度提供了先决条件。椭圆形弦支穹顶结构在结构受力表现为：在短轴向长轴方向，撑杆与径向杆的应力值逐渐增加，而环索逐渐递减。

应力监测点能否合理布置关系到监测结果的可靠性与准确度。根据结构本身的特点、现场条件及有限元分析得到的各工况下结构各构件的应力状态，最终选取在屋盖结构东北方向1/4区域进行布点，布点对象包括上部网壳、撑杆、径向杆和钢圈梁四种构件。应力监测采用振弦式传感器和自动采集仪基康BGK-MICRO-40，振弦式传感器的现场布置如图10所示。监测点位置的现场布置示意如图11和图12所示。

图10 传感器现场布置

注：CG表示撑杆应力传感器；JXG表示径向杆应力传感器。

图11 撑杆应力监测点示意

图12 上部网壳应力监测点布置示意

应力监测得到的应力值是相对于初始状态的相对值，反映出各构件在环索张拉过程中应力的变化量。为消除温度对应力变化量的影响，选取次日凌晨4∶00的实测值作为单个工况张拉工作完成后各构件应力测量的终值，并以此值为基准，计算得到当前工况相对于上一工况的单次变化量与累计变化量，同时与理论计算值进行对比。

为使理论计算值更为准确，根据现场设置的支撑实际情况，对有限元模型进行了修正，修正后的结果显示，临时支撑对张拉前的上部网壳有很好的支撑作用，但同时也使得上部网壳局部应力发生变化。这一变化将在第二级张拉结束后，随着上部网壳整体与胎架支撑脱离而减小。

在实际张拉施工时，前两级预应力的张拉由于施工方的施工机具不到位，张拉力未达到预定值，对比实测值与理论值时，发现两者之间有较大偏差，且实测值较理论值偏小。在第三级张拉时，施工方更新了张拉机具设备，并按设计张拉值进行张拉，由于在进行第三级张拉施工过程中，上部网壳已逐渐脱离下部临时支撑，局部支撑对网壳受力的影响减小，因此，第三级张拉完成后的实测值与理论值吻合良好。第三级张拉撑杆实测值与理论值对比如表3所示。

表3 第三级张拉完成后各撑杆应力MPa

由表3的数据进行对比分析，可以发现随着撑杆的张拉力增大至设计值，实测的应力值和理论值之间的误差将不断减小，施工完成之后，实测值与理论值的吻合程度较高。与此同时，对比同一圈撑杆应力的实测值，不难发现撑杆在工况12的应力值满足从短轴向长轴逐渐增大的规律，从而验证了椭圆形弦支穹顶结构在短轴向长轴方向，撑杆的应力值表现为逐渐增大的结论。

表4 第三级张拉完成后上部网壳各监测点应力MPa

由表4中的数据进行对比分析，发现部分监测点的实测值与理论值的差值较大，引起较大误差的原因主要有两点：其一是上部网壳结构的安装施工过程不可避免地会存在一定的施工误差，这会导致上部网壳的应力情况与理想状态下的应力情况存在一定差异；其二是在刚刚开始张拉的阶段，上部网壳结构会存在一定的初始应力，而且由于胎架支撑的影响，其初始应力没有规律，有限元模拟也较难准确地分析胎架支撑对其初始应力的作用，从而导致理论值与实测值的差值较大。但由各监测点应力值可知，上部网壳结构的应力水平处于比较低的状态，和铸钢件的强度限值相比还比较小，这说明了索杆体系对于上部网壳的支承是有很大作用的，同时也充分体现了弦支穹顶结构刚柔并济的特点。

在结构张拉施工过程中，应力监测是掌握力的传递与变化最为直接的手段，随着施工仿真模拟分析在工程应用中的不断深入，与之配合的应力监测将更加完善。

本文以厚街体育馆弦支穹顶钢屋盖为背景，首先通过理论分析获得椭圆形弦支穹顶结构在预应力张拉过程中的应力变化特点，同时结合现场实际情况，合理地布置监测点，对比张拉完成后各撑杆应力和上部网壳各监测点应力的理论值和实测值，从而验证了理论分析结论的正确性，并及时发现施工中存在的不足，给予纠正与指导。

来源：邓晖, 张炎彬, 姜贻平, 等. 椭圆形弦支穹顶结构张拉成型阶段的应力监测研究[J]. 钢结构, 2019, 34(10): 85-88.

doi: 10.13206/j.gjg.201910016