江苏高层办公楼索穹顶ω形整体提升安装张拉成形施工工法

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1、索穹顶“ω”形整体提升安装张拉成形施工工法1.前言随着我国经济水平的提高，居民对体育文化设施的需求逐步增大，同时我国举办的大型国际性的体育活动、文化活动、商业活动也日益增多，这就使得各类体育场馆工程及大型公共建筑的兴建数量也逐渐增多。空间结构无疑是解决大跨度建筑最具有竞争性的结构，因为相对平面结构，它具有受力合理、刚度大、重量轻、造价低等特点，且结构形式新颖丰富、生动活泼，可以突出结构美并富有艺术表现力。1948年美国著名雕塑家Snelson展示了索杆组成的张拉体系艺术品。在该作品的启发下，1962年Fuller提出了张拉整体体系(TensegritySystems)全新的

2、结构思想。Fuller希望在这种结构中尽可能地减少受压状态，结构处于连续的张力状态，使压力成为张力海洋中的孤岛。由于这种状态认为是符合自然界固有的规律，能最大限度利用结构的材料特性，从而实现了以尽量少的材料建造更大跨度的空间。索穹顶结构是索结构（包括悬索结构、斜拉结构、张弦结构等）中一种全张力体系，一经问世便成功地应用于一些大跨度、超大跨度的结构。由于其外形类似于一个穹顶，而主要的构件又是钢索，因此工程师将其命名为索穹顶(CableDome，图1)。索穹顶结构以其新颖的造型、经济的造价、巧妙地构思引起了人们广泛的兴趣和注意。国外的一些著名学者、结构工程师纷纷对其展开了研究和

3、试验，一时索穹顶体系的分析、设计和施工成为先进建筑技术的标志。索穹顶是一种结构效率极高的全张力体系。由于整个索穹顶结构除少数几根压杆外都处于张力状态，所以充分发挥了钢索的强度。如能避免柔性结构有可能发生的结构松弛，则索穹顶结构绝无弹性失稳之虞。美国已故著名结构工程师D.Geiger对实现这种结构思想作出了极大的贡献。Geiger事务所设计和建造了令世人瞩目的太阳海岸穹顶（直径210m）、汉城奥林匹克运会的体操馆和击剑馆。图1Geiger索穹顶结构国外索穹顶工程的成功应用为我国应用该类结构提供了宝贵经验，但涉及到技术保密等原因，公开报道的资料较少，仅有几篇也只是对几个实际工程

4、施工过程的简单描述。我国对索穹顶结构的研究相对滞后，最初的报道始于二十世纪90年代,随后天津大学、同济大学和浙江大学等对索穹顶结构开展了研究，取得了一些初步研究成果。在索穹顶预应力张拉施工成形方面一些高校也作了许多有意义的理论探索研究，进行了索穹顶成形模型试验研究，提出了一些施工方法。但索穹顶新结构因安装施工的一些关键技术得不到解决，在2009年以前国内大陆一直得不到实际工程应用，南京东大现代预应力工程有限责任公司在东南大学土木工程施工研究所的技术支撑下，产、学、研结合，利用十年多在悬索结构、斜拉结构和张弦结构等预应力钢结构工程中积累的拉索预应力施工经验，对索穹顶施工的关键

5、技术进行了攻关研究，实现了对索穹顶安装技术的突破，创新提出了索穹顶无支架“ω”形整体提升索杆累积安装技术，成功施工了无锡太湖国际高科技园区科技交流中心钢结构屋盖的我国首个刚性屋面索穹顶结构和山西太原煤炭交易中心钢屋盖中庭玻璃采光顶索穹顶结构工程。基于研究提出的“ω”形整体提升的索穹顶创新安装方法，于2008年11月12日申请了核心发明专利“索穹顶塔架提升索杆累计安装方法”，2010年7月7日授权发明专利ZL2.1。此外，还申请了系列辅助索穹顶施工分析和索头张拉工装的发明专利，“拉索张拉斜拼传力横梁”，授权发明专利ZL3.9，“一种确定索穹顶初始平衡态的逐环递推方法”,授权发

6、明专利ZL7.8，“确定索杆系静力平衡状态的非线性动力有限元法”，授权发明专利ZL3.6。本工法以多项发明专利和索穹顶新结构的成功工程应用为背景进行编写。本工法在2011年1月30日被南京东大现代预应力工程有限责任公司批准为企业工法，2011年2月15日由江苏省住房和城乡建设厅主持，通过了江苏省级专家鉴定，该工法鉴定为达到国际领先水平。2.工法特点2.1索穹顶结构在本质上是一个预应力索杆结构体系，如暂不考虑屋面材料的铺设，其施工过程就是将受拉单元的索和受压单元的撑杆等构件进行就位和预应力施加的过程。这一过程通俗上讲就是将它“绷”起来。2.2对于索穹顶结构工程施工真正的困难在

7、于结构设计与施工的一体化要求特别高，施工过程的跟踪和分析难。因为它的成形过程伴有刚体位移和严重的几何非线性，而较一般结构复杂的多，通常的有限元软件无法分析。尽管国内一些学者做了一些这方面的分析研究，但尚不成熟，且无实际的工程供参考。如何达到工程设计要求的“形”和“力”是索穹顶施工成败的关键。本工法用授权发明专利ZL7.8“确定索杆系静力平衡状态的非线性动力有限元法”攻克了这一难题，实施了索穹顶拉索超大位移和机构位移的有效施工分析。2.3对于放射状的由多根定长的轴线径向索、多根斜索和多道环索组成的大直径索穹顶结构，如