摘要：以成都露天音乐广场主舞台索网工程为研究对象，从索网工程施工难点、质量控制方法、施工过程等几个方面进行了分析；该工程涉及了索网结构尺寸、组装、提升、张拉等方面的质量控制措施和原则。同时，针对受限空间索网施工难度大、周期长的问题，提出了合理的索网展铺和提升方法；并采用有限元分析与监控监测相结合的方式来保证索网施工的安全与质量。研究结果显示，索网结构成型后，索力大小以及结构主要控制点位移变化值均满足设计要求，双曲拱线性控制良好，索网施工效率提高了26.7%。研究成果可为我国以后类似索网结构的加工制造及施工应用提供技术参考。

关键词：索网结构；质量控制；提升；张拉成型；仿真分析

Abstract:This paper takes a cable-net project of the main stage of Chengdu Open-Air Music Plaza as the research object. From several aspects, including construction difficulty, quality control method and construction process of cable-net engineering, etc., the project analyzes the quality control measures and principles of cable-net structure size, assembly, lifting and tension. At the same time, due to the difficulty and long period of cable-net construction in confined space, a reasonable method of cable-net spreading and lifting is proposed, and the safety and quality of cable-net construction are ensured by comparing the finite element analysis results with the monitored data. The results show that the cable force and displacement of the main control points of the cable-net structure meet the design requirements. The linear control of the double-curvature arch is good, and the construction efficiency of the cable-net is improved by 26.7%.This research results can provide a technical reference for the manufacture and similar construction applications of cable-net structures in China.

Keywords:cable-net structure; quality control; lifting; tension forming; simulation analysis

1 工程概况

成都露天音乐广场主舞台工程分为舞台双斜拱承双曲主拱区和看台罩棚区两部分，其中双曲主拱间采用马鞍形单层索膜结构与之构成一个独立的主体部分（图1）。双曲拱纵向最大跨度为180m，横向间距约为90m，拱高为47.5m；横向设置33根承重索，中央最大跨度为90m，垂度为9m，垂跨比为1/10；纵向设置21根抗风索，最大跨度为136m，拱度为22m，拱跨比为1/6.2；两拱次环梁与圆管间设置16根外副索，拉索规格及数量如表1所示。

图1 双斜拱承双曲抛物面单层索网结构

Fig.1 Double oblique arch-supported hyperbolic parabolic single-layer cable-net structure

2 索网施工技术难点

2.1 工程结构特点

本工程索网结构具有以下特点：

（1）整个屋面曲面为马鞍形空间三维曲面，对钢结构和拉索的施工精度要求比较高。

（2）工程尺寸规模大，平面尺寸约为180m×90m，索网纵、横向最大跨度分别为136m、90m，马鞍形高低点的高度差达到30m，支承于曲线形钢拱梁上；钢拱梁拱度高，施工操作不便。

（3）索网共有70根拉索，拉索数量多且索网存在部分施工空间受限的问题，必须制定详细的展铺提升顺序，方能保证工程的工期与质量。

2.2 施工重点难点分析

本工程索网规模大，施工过程复杂，结构的最大特点是柔性正交索网结构，拉索规格尺寸大，张拉索力大，拉索数量多，拉索在安装张拉过程中会对周边双曲拱产生很大的拉压力，即双曲拱部分区域会产空间上的位移，所以必须在整个索网成型过程中保证双曲拱的稳定性。

3 索网施工质量控制

3.1 构件尺寸误差的控制措施

构件尺寸误差主要指双曲拱拼装误差和拉索加工误差^[1]。

（1）双曲拱拼装

双曲拱上索网张拉耳板偏差过大会直接导致拉索锚固失败或者张拉成型后正交索网扭曲变形过大。

所以控制好双曲拱及耳板的安装误差至关重要。双曲拱安装完成后，索网张拉前必须对每一个张拉耳板的位置进行复测，要保证双曲拱对应索两端耳板间的距离d控制在索头可调值±100mm范围内，数据无误后方能进行索网提升张拉。

（2）拉索下料

本工程采用的是定长索，其长度误差将影响整个体系的初始预应力^[2]。拉索下料是保证整体索网结构成型的关键一步，只有保证拉索的下料精度，才能够保证索网结构的最终成型状态满足设计图纸和规范的要求^[3]。

拉索下料长度需要精确计算，其对索网结构成型影响较大。拉索下料前，按照设计图纸建立整体结构模型（图2），包括四周双曲拱及索网结构。考虑双向拉索在预应力状态下的下料长度，这是本工程拉索下料精确与否的关键，拉索长度允许偏差^[4]如表2所示。

图2 索网整体结构三维模型

Fig.2 3D model of cable-net structure

根据设计给定的预应力值进行施工全过程仿真计算分析，最终确定拉索的下料标记力。在工厂下料时，承重索和抗风索应在应力作用下进行下料，在索体上标记出索夹的位置，并在施工过程中进行严格控制，保证安装过程中按照标记位置安装索夹，同时根据实际情况进行局部调整。

3.2 索网组装误差的控制措施

（1）正交索网组装

承重索和抗风索在场地内组装完成，然后利用提升千斤顶对承重索和抗风索进行连续牵引提升。首先牵引提升承重索，在索头到达双曲拱耳板锚固点时进行锚固，然后再进行抗风索的提升和张拉，直至拉索全部张拉完成，结构成型。

根据正交索网分批提升的工序，采用有限元分析软件进行计算，获取每一次提升过程中每根拉索的索力，将每根拉索在张拉安装过程中的最大索力作为该拉索工装设计和千斤顶配置的控制依据。提升设备的性能参数如表3所示。

（2）索夹滑移问题

索夹在索网结构成型过程中起着非常关键的作用。索夹一旦发生滑移，整个索网成型就无法保证，个别索夹发生滑移，在索网张拉完成后再去调整非常困难^[5]。

①在索夹加工过程中，对索夹内表面进行特殊处理，确保索夹的索槽面均匀平整，不致于对拉索表面产生不利影响，同时又要保证具有一定的粗糙度，满足拉索与索夹之间的摩擦系数要求，提高抗摩擦能力。

②在进行索夹与拉索的组装时，将两个正交方向的拉索的标记点和索夹对齐，并采用专用扭矩扳手拧紧。索夹与拉索组装如图3所示。

图3 索夹与拉索组装

Fig.3 Assembly of cable clamp and cable

3.3 提升工装的设计

整个索网结构中，分批提升的拉索数量多且提升力大，合理的提升工装既可保证提升过程的安全，也能提高施工效率，保障施工质量^[6]。

将双曲拱张拉耳板两侧焊接的耳板作为着力点，每根索头采用2个600kN液压千斤顶进行拉索安装，提升工装如图4所示。

图4 提升工装

Fig.4 Lifting device

3.4 索网提升张拉控制原则

为保证索网最终成型状态的质量，必须对拉索提升和张拉阶段进行有效控制，关键控制原则如下：

（1）应分批对称提升承重索和抗风索的工装索，使拉索逐渐向双曲拱耳板靠近。

（2）提升过程中应以控制工装索的牵引长度和牵引力为主，控制索网整体位形为辅。

（3）提升过程中索网整体位形的控制标准为：整体位形与理论分析相符，几何稳定，拉索不出现扭转。

（4）提升过程中工装索牵引长度的控制标准为：与理论计算值的偏差控制在±20mm以内。

（5）提升过程中索力的控制标准为：与理论计算索力值的偏差控制在±10%以内。

（6）主要受力的提升工装索的承载力应具有两倍的安全系数。

（7）在双曲拱安装后实测安装误差，在拉索制作后实测索长误差，根据二者的误差值来调整拉索张拉端丝杆的外露长度，然后进行提升张拉。

4 施工过程分析

4.1 索网施工过程分析

4.1.1 索网施工方案确定

索网结构在投影面内与看台端存在相交受限区域（图5），造成部分索网在看台端不能展铺或完全展铺，很大程度上增加了施工难度并延长了施工周期。对此，提出了两套索网施工解决方案：

图5 索网结构投影平面与看台关系

Fig.5 Relationship between projection plane of cable-net structure and stand

（1）索网受限部分采用吊车将索网铺放在看台上，索网中间设置放索平台；在有拉索通过的混凝土高低看台交界处及看台内侧边缘处采用木板搭设通道，以减轻提升过程中对索体的摩擦；另外在油泵下方铺塑料布并放置海绵，防止油泵漏油造成对看台板的污染。

（2）利用场地有限的空间合理制定索网的展铺和提升顺序，确保索网的正常施工。

通过分析对比，第1套方案施工周期长，施工不便利且对看台存在破坏，故不予采用；第2套方案虽然实施难度大，但有利于节省工期、提高工作效率，因此采用第2套方案进行索网的施工。具体的实施步骤如下：

（1）先将所有不受限的索网进行铺放，同时在远看台端承重索索头处间隔布置提升千斤顶；

（2）提升远看台端承重索时，一次性将其提升至双曲拱耳板处，此时看台端索网向远看台端移动，留出空间继续展铺余下索网；

（3）以看台端中间承重索为中心参照，间隔安装3根承重索的提升千斤顶，安装完毕后，随着看台端3个千斤顶的提升，看台两翼索网整体向中间收拢，索网空间上呈现出山棱脊，然后继续铺放看台两翼剩余索网；

（4）索网铺装完成后，看台端千斤顶设置参照远看台端千斤顶的设置，当所有千斤顶到达耳板处，再安装剩余索头提升千斤顶，挂好承重索；

（5）安装抗风索提升千斤顶，初始张拉提升时，各张拉点提升器的伸缸压力应分级缓慢增加，最初加压为所需压力的40%、60%、80%、90%，在一切都稳定的情况下，最后可加到100%，抗风索张拉完成后，根据监控数据进行微调；

（6）安装副索，拆除千斤顶。

4.1.2 施工过程仿真分析

由于整个索网结构为马鞍形曲面，整体提升过程复杂，施工过程中分批提升承重索和抗风索时需进行施工仿真计算确定每根拉索的张拉力，这样才能确保施工过程各阶段结构的安全可靠^[7]。

计算软件采用通用有限元分析软件MIDAS/Gen，按照图纸建立结构的整体模型，构件规格等和图纸一致，结构自重（自重系数取1.2）由程序自动计算，外围钢拱梁及加劲梁采用梁单元模拟，承重索和抗风索采用只受拉单元模拟，每个索夹的质量为50kg，采用施加初拉力和温度荷载的方法来达到施加预应力的目的，临时支撑胎架采用施加只受压约束的方式来模拟，按照整个索网的提升张拉顺序对施工过程进行仿真模拟计算。结构计算模型如图6所示。

图6 结构计算模型

Fig.6 Structural calculation model

整个拉索提升张拉过程主要分为4个工况阶段，如表4所示。部分有限元计算结果如图7~图10所示。

图7 工况1：支撑架反力（单位：t）

Fig.7 Reaction force of support frame under working condition one （Unit：t）

图8 工况2：索力云图（单位：kN）

Fig.8 Cable force contour under working condition two （Unit：kN）

图9 工况3：索z向变形位移（单位：mm）

Fig.9 z-direction deformation displacement of cables under working condition three （Unit：mm）

图10 工况4：双曲拱应力云图（单位：MPa）

Fig.10 Stress contour of double curved arch under working condition four （Unit：MPa）

仿真分析结果如下：

（1）外环梁在支撑胎架上拼装后，竖向变形比较小，向下最大变形为3mm；张拉完成后，钢拱梁向上变形为511mm，加劲环梁向下最大变形为177mm，满足设计要求。

（2）提升过程中，双曲拱最大应力为118MPa，张拉完成后钢结构最大应力为123MPa，满足设计要求。

（3）提升过程中，承重索最大索力为74kN，抗风索最大索力为477kN；索网张拉调整时，承重索最大索力为420kN，抗风索最大索力为466kN，外副索最大索力为435kN，满足设计和规范要求。

4.2 索力大小监控监测

整个索力大小的监控分3个阶段进行：第1阶段为承重索的提升，主要监控承重索提升索力的大小；第2阶段为抗风索的提升张拉，也是3个阶段中监控的重点，此时需要注意的是，承重索已经从主动受力张拉变为被动受力张拉，承重索的索力大小不再是主要监控对象，此时的主要监控对象为抗风索索力和双曲拱的变形位移；第3阶段为外副索提升张拉的监控。

采用经过标定的油压表对拉索张拉力进行监测。油压表安装于液压千斤顶油泵上，在拉索张拉过程中通过压力表读数仪可随时监测拉索的拉力。3个阶段索力监控数值的对比如图11~图13所示，图中SC表示索力实测值，FZ表示索力模拟值，SJ表示索力设计值。

图11 承重索索力监控数值对比

Fig.11 Comparison of monitoring values of load-bearing cable forces

图12 抗风索索力监控数值对比

Fig.12 Comparison of monitoring values of wind resistant cable forces

图13 外副索索力监控数值对比

Fig.13 Comparison of monitoring values of sub cable forces

通过索力监控数据的对比可知：

（1）提升过程中承重索的实际最大索力为77kN，抗风索的实际最大索力为474kN，外副索的实际最大索力为425kN。

（2）由于人为操作和读数会造成个别数据偏差较大，但也都在索力值的偏差控制范围内，最大索力值偏差出现在抗风索（ZS2），为8.2%。

4.3 结构变形监控检测

结构变形的监测能反映出结构的整体变形规律，为保障索网施工的顺利进行，对索网变形较大的13个关键点进行监测（图14），并确定相应的监测时间点：（1）承重索提升就位；（2）胎架卸载；（3）抗风索提升就位；（4）外副索提升就位。

图14 变形监测点布置

Fig.14 Layout of deformation monitoring points

通过监测，结合设计院给出的控制点位移（图15），得到了部分变形监测数据（图16、图17）和索网张拉成型后双曲拱主要控制点的位移变化（表5）。图16中D_x、D_y、D_z分别表示x、y、z方向的监测点位移模拟值，Δx、Δy、Δz分别表示x、y、z方向的监测点位移实测值。

图15 双曲拱及索网主要控制点位移

Fig.15 Displacement of main control points of double curved arch and cable-net

图16 胎架卸载后监测点位移变化

Fig.16 Displacement variation of monitoring points after unloading of the support frame

图17 索网成型后监测点位移变化

Fig.17 Displacement variation of monitoring points after cable-net forming

数据结果显示，索网张拉完成后，双曲拱成型位移误差控制在±10%范围内，满足设计要求。

5 结 论

（1）成都露天音乐广场主舞台工程单层索网结构采取的质量控制措施降低了施工成本，有效杜绝了返工，对以后类似工程的质量控制起到了一定的借鉴作用。

（2）针对该索网结构展铺和提升而提出的索网施工方法具有可操作性，避免了高空展索和看台的破坏，施工效率提高了26.7%，保证了工期节点，节约了8d工期。

（3）合理的监控检测方案不仅使索网结构在张拉完成后能够保证索力大小及位型满足设计要求，而且能够保证双曲拱的位移变形控制在理论设计值的允许误差范

围内，有效保障了施工安全和施工质量。

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