摘要：以成都露天音乐广场主舞台索网工程为研究对象，对索网施工难点、质量控制方法、施工工艺等方面进行分析；工程涉及索网结构尺寸、拼装、吊装、张拉等方面的质量控制措施及原则。同时针对有限空间内索网施工难度大、周期长的特点，提出了合理的索网铺架及吊装方法；并采用有限元分析与监测相结合的方法，确保索网施工安全与质量。研究结果表明：索网结构成型后，结构主要控制点的索力、位移变化值均满足设计要求，双曲拱线形控制良好，索网施工效率提高26.7%。研究成果可为今后我国同类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；吊装；张拉成型；仿真分析
摘要：本文以成都露天音乐广场主舞台索网工程为研究对象，从索网工程的施工难度、质量控制方法、施工流程等几个方面，分析了索网结构尺寸、拼装、吊装、张拉等质量控制措施及原则。同时针对有限空间内索网施工难度大、周期长的特点，提出了合理的索网展布及吊装方法，并通过有限元分析结果与监测数据的对比，保证了索网施工的安全和质量。
结果表明：索网结构各主要控制点的索力和位移均满足设计要求，双曲拱线形控制良好，索网施工效率提高26.7%，研究成果可为国内索网结构制造及类似施工应用提供技术参考。
关键词：索网结构；质量控制；吊装；张拉成型；仿真分析
1 项目概况
成都露天音乐广场主舞台工程分为舞台双斜拱承重双曲主拱区和看台雨棚区两部分。双曲主拱之间采用马鞍形单层索膜结构，组成独立主体部分（图1）。双曲拱最大纵跨180m，横向间距约90m，拱高47.5m；横设承重索33根，最大中心跨90m，竖长9m，竖跨比1/10；纵设抗风索21根，最大跨度136m，拱度22m，拱跨比1/6.2；两拱次环梁与圆管之间设外辅索16根，索规格及数量见表1。
图1 双斜拱支撑双曲抛物面单层索网结构
图1 双斜拱支双曲抛物线单层索网结构
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）整个屋面为马鞍形立体面，对钢结构及拉索的施工精度要求比较高。
（2）工程规模较大，平面尺寸约180m×90m，索网最大纵、横跨度分别为136m、90m，马鞍形高低点高差达30m，且支承在曲线钢拱梁上，钢拱梁拱度较高，施工操作不便。
（3）该索网共计70根索，由于索数量较多，且索网部分部位施工空间有限，必须制定详细的敷设、吊装顺序，以保证工程施工进度和质量。
2.2施工重点难点分析
本工程索网规模大，施工工艺复杂，结构最大特点为柔性正交索网结构，索体尺寸大，张拉力大，索根数多，在安装张拉过程中，索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生空间位移，因此整个索网成型过程中必须保证双曲拱的稳定性。
3 索网施工质量控制
3.1 零部件尺寸误差的控制措施
构件尺寸误差主要指双曲拱的装配误差和拉索的加工误差[1]。
（1）双曲拱组合
双曲拱上张拉耳板偏差过大，将直接导致索锚失败或张拉后正交索网扭曲过大。
因此控制双曲拱及耳板安装误差非常重要，双曲拱安装完毕后，在索网张拉前必须重新测量各张拉耳板位置，确保与索对应的双曲拱两端耳板之间的距离d控制在索头可调值±100mm以内，数据正确后方可进行索网起吊张拉。
（2）电缆切割
本项目采用定长索，长度误差会影响整个体系的初始预应力[2]。索切割是保证整体索网结构成型的关键步骤，只有保证索的切割精度，才能使索网结构最终的成型状态满足设计图纸及规范的要求[3]。
索的切割长度需要精确计算，它对索网结构的成型影响很大。在进行索切割前，根据设计图建立整体结构模型（图2），包括周边的双曲拱和索网结构。考虑预应力状态下双向索的切割长度是本工程索切割精度的关键。索长的允许偏差[4]见表2。
图2 整体索网结构三维模型
图2 索网结构三维模型
根据设计给出的预应力值，对整个施工过程进行模拟分析，最终确定索的切割标记力。工厂切割时，承重索、抗风索应受力切割，并在索身上标注索夹位置。施工过程中应严格控制，确保安装过程中按标注位置安装索夹，并根据实际情况进行局部调整。
3.2 索网装配误差控制措施
（1）正交索网组装
承重索、抗风索在现场组装完毕，然后利用千斤顶连续牵引、提升承重索、抗风索。先牵引、提升承重索，当索头到达双曲拱耳锚固点时即锚固。再提升、张拉抗风索，直至所有索都张拉完毕，结构成型。
按照正交索网批量吊装工艺，采用有限元分析软件计算得出各吊装过程中每根索的索力，以张拉安装过程中每根索的最大索力作为索道工装设计和千斤顶配置的控制依据，吊装设备性能参数如表3所示。
（2）线夹滑落问题
索夹在索网结构的成型过程中起着至关重要的作用，一旦某个索夹发生滑脱，整个索网的成型就无法得到保证；如果个别索夹发生滑脱，在索网张拉完成后很难进行调整[5]。
①电缆夹在加工过程中，对电缆夹内表面进行特殊处理，保证电缆夹电缆槽表面均匀、光滑，以免对电缆表面产生不良影响。同时要保证其具有一定的粗糙度，以满足电缆与电缆夹之间的摩擦系数要求成都钢结构检测，提高抗摩擦能力。
②组装电缆夹与电缆时，将两根正交电缆的标记点对准电缆夹，用专用力矩扳手拧紧，电缆夹与电缆的组装如图3所示。
图 3 电缆夹和电缆组件
图3 电缆夹与电缆的装配
3.3 起重工装设计
在整个索网结构中，批量吊装的索缆数量较多，吊装力较大，合理的吊装工装不仅可以保证吊装过程的安全，而且可以提高施工效率，保证施工质量[6]。
利用双曲拱张拉耳板两侧焊接的耳板作为支点，在每个索头处分别采用2台600kN液压千斤顶进行索面安装，起吊工装如图4所示。
图4 起重工装
图4 升降装置
3.4 索网提升张拉控制原理
为了保证索网最终成型状态的质量，必须对索网提升及张拉阶段进行有效控制，关键控制原则如下：
（1）承重索、抗风索的工装索应分批对称提升，使索面逐渐接近双曲拱耳。
（2）吊装过程中，应以控制工装绳的牵引长度和牵引力为主，索网整体位置控制为辅。
(3)吊装过程中索网整体构型的控制标准为：整体构型与理论分析一致、几何形状稳定、索网无扭曲。
（4）吊装过程中工装绳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）吊装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）承受主要力的起重设备钢丝绳的承载能力应具有2倍的安全系数。
（7）双曲拱安装完毕后，测量安装误差，索制成后，测量索长误差，根据二者的误差值，调整索张拉端丝杆外露长度，然后进行起吊张拉。
4 施工过程分析
4.1索网施工工艺分析
4.1.1索网建设方案的确定
索网结构在投影面内与站台端部相交面积受限（图5），导致部分索网在站台端部无法铺展或无法完全铺展，大大增加了施工难度，延长了施工工期。对此，提出两套索网施工解决方案：
图5 索网结构投影面与看台关系
图5 索网结构投影面与支架关系
（1）在索网限制部位，用起重机将索网铺设在看台上，并在索网中间设置缆线铺设平台。在高低混凝土看台交界处及缆线通过的看台内缘用木板搭建通道，减少吊装过程中对缆体的摩擦。另外，在油泵下方铺设塑料布、海绵，防止油泵漏油，污染看台板。
（2）利用现场有限的空间，合理规划索网敷设、吊装顺序，保证索网的正常施工。
经过分析比较，第一套方案施工周期长，施工不便，且会损坏看台，故不予采用；第二套方案虽然实施难度较大，但有利于节省施工时间，提高工作效率，故索网施工采用第二套方案。具体实施步骤如下：
（1）首先将不受限制的索网全部布放，同时在观景台远端的承重索头处每隔一定距离布置千斤顶；
（2）在提升观景台远端承重索时，一次性提升至双曲拱耳板处，此时观景台端索网向观景台远端移动，为剩余索网的敷设留出空间；
（3）以展台末端中间承重索为中心参照，间隔安装三根承重索的提升千斤顶，安装完毕后，随着展台末端三根千斤顶的顶起，展台两翼索网整体向中间聚拢，索网空间呈现山脊状，再继续铺设展台两翼剩余索网；
（4）索网敷设完毕后，将立架端千斤顶的设置方法与远端立架端千斤顶相同，待所有千斤顶到达耳板后，安装其余索头提升千斤顶，挂上承重索。
（5）安装抗风索提升千斤顶。初张拉提升时，各张拉点提升机伸缩缸压力应缓慢、分级增加，初压力应为所需压力的40%、60%、80%、90%，待一切稳定后，方可增至100%。抗风索张拉完毕后，应根据监测数据进行微调；
（6）安装辅助绳，撤去千斤顶。
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，整体吊装过程复杂，施工过程中分批吊装承重索和抗风索时，需要进行施工模拟计算，确定每根索的张拉力，只有这样才能保证结构在施工过程各个阶段的安全可靠性[7]。
计算软件采用通用有限元分析软件MIDAS/Gen。根据图纸建立结构整体模型，构件规格与图纸一致，程序自动计算结构自重（自重系数取1.2）。外侧钢拱梁、加劲梁采用梁单元模拟，承重拉索、抗风拉索采用仅张拉单元模拟，每根索夹质量为50kg。采用施加初拉力和温度荷载的方法达到施加预应力的目的。临时支撑架采用仅施加压缩约束模拟。施工过程按照整座索网的提升张拉顺序进行模拟计算。结构计算模型如图6所示。
图6 结构计算模型
图6 结构计算模型
整个缆索提升张拉过程主要分为4个工作阶段，如表4所示。部分有限元计算结果如图7～图10所示。
图7 条件1：支撑架反力（单位：t）
图7 工况一支撑架反力（单位：t）
图8 工况2：索力云图（单位：kN）
图8 工况二索力云图（单位：kN）
图9 条件3：电缆z方向变形位移（单位：mm）
图9 工况三拉索z向变形位移（单位：mm）
图10 工况4双曲拱应力云图（单位：MPa）
图 10 工况四双曲拱应力云图（单位：MPa）
仿真分析结果如下：
（1）外圈梁在支架上组装后，竖向变形较小，最大向下变形为3mm。张拉完成后，钢拱梁向上变形为511mm，加劲圈梁向下变形最大为177mm，满足设计要求。
（2）顶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74 kN，抗风索最大索力为477 kN。索网张拉调整过程中，承重索最大索力为420 kN，抗风索最大索力为466 kN，外辅助索最大索力为435 kN成都钢结构检测，满足设计及规范要求。
4.2 索力监测
整个索力的监测分三个阶段进行：第一阶段为承重索的提升，主要监测承重索提升力的大小；第二阶段为抗风索的提升与张拉，这也是三个阶段中的监测重点。此时需要注意的是，承重索已由主动力张拉变为被动力张拉，承重索力的大小不再是主要监测对象，此时主要监测对象为抗风索力和双曲拱的变形位移；第三阶段为外附辅助索的提升与张拉监测。
缆索张力监测采用经过校准的油压表。油压表安装在液压千斤顶油泵上。在缆索张紧过程中，可通过压力表读数器随时监测缆索张力。三个阶段的缆索张力监测值对比如图11至图13所示，其中SC表示测量的缆索张力值，FZ表示模拟的缆索张力值，SJ表示设计的缆索张力值。
图11 承重索力监测值对比
图11 承重索力监测值对比
图12 抗风索力监测值对比
图12 抗风索力监测值对比
图13 外辅助索力监测值对比
图13 子索力监测值对比
通过对比索力监测数据可知：
(1) 提升过程中，承重索实际最大索力为77 kN，抗风索实际最大索力为474 kN，外辅助索实际最大索力为425 kN。
(2) 由于人为操作、读数等原因，个别数据可能存在较大偏差，但均在索力值偏差控制范围内，索力值偏差最大发生在抗风索（ZS2），为8.2%。
4.3 结构变形监测与探测
结构变形监测可反映结构整体变形规律，为保证索网施工顺利进行，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点：（1）承重索吊装就位；（2）轮胎架卸载；（3）抗风索吊装就位；（4）外接辅助索吊装就位。
图14 变形监测点布置图
图 14 变形监测点布设情况
通过监测，结合设计院给出的各控制点位移情况（图15），得到了一些变形监测数据（图16、17）及索网张拉后双曲拱主要控制点的位移变化情况（表5）。图16中Dx、Dy、Dz分别表示监测点在x、y、z方向的模拟位移值，Δx、Δy、Δz分别表示监测点在x、y、z方向的实测位移值。
图15 双曲拱及索网主要控制点位移
图 15 双曲拱及索网主要控制点位移
图16 轮胎车架卸载后监测点位移变化
图 16 支撑架卸载后监测点位移变化
图17 索网成网后监测点位移变化
图 17 索网成网后监测点位移变化
数据结果表明:索网张拉后双曲拱成型的位移误差控制在±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，降低了工程造价，有效消除了返工，为今后类似工程的质量控制提供了借鉴。
（2）提出的索网结构布放、吊装的索网施工方法可行，避免了高空布放索网及看台的损坏，施工效率提高26.7%，保证了施工工期，节省了8天的施工时间。
(3)合理的监测测试方案，不仅能保证张拉完成后索网结构的索力、索位满足设计要求，还能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。
范围内的施工安全和质量得到有效的保证。
参考：
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魏成锋.马鞍形单层轮辐式索网整体提升施工关键技术[D].南京:东南大学,2016.
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