鋼結構技術論文
中國建筑金屬結構協會
建筑鋼結構分會主辦
摘 要：本文以上海世博軸工程的建設為背景，介紹索膜結構的相關施工技術。
關鍵詞：施工技術；世博軸 索膜結構 深化設計 制作 安裝
1. 工程及結構概況
圖1 施工中的世博軸工程
世博軸及地下綜合體工程(簡稱“世博軸”)，位于浦東世博園核心區(qū)，南起耀華路，跨雪野路、北環(huán)路及浦明路，至濱江世博公園。南北長1045m，東西寬地下99.5m～110.5m，地面以上寬80m，基地面積130699m2，總建筑面積227169m2，其中地上建筑面積42877m2，地下建筑面積184292m2。由-6.5m、-1.0m、4.5m、10m標高的混凝土結構平面及膜結構屋頂組成，并設有6個造型特異的陽光谷以滿足地下空間的自然采光。索膜結構由19個三角形單元連續(xù)構成，部分與陽光谷相連。
圖2 世博軸索膜結構效果圖
索膜屋頂為單元連續(xù)張拉結構，總長度約840m，最大寬度約97m，總面積約64,000m2。包括支承系統(tǒng)和膜面系統(tǒng)兩個主要方面。
圖3 索膜結構單元軸測圖 (海世博會世博軸工程)
支承系統(tǒng)由鋼桅桿和群索組成。其中邊桅桿31根，中桅桿19根，由鋼管和鑄鋼節(jié)點組合而成；索分為結構索和膜面構造索，均采用外包PE護套的高強度平行鋼絲索，單根最長110m，總長度21,465m；膜面為聚四氟乙烯涂層的玻璃纖維織物(PTFE) ，部分采用雙層構造。
2. 世博軸大跨度多單元連續(xù)索膜結構施工技術
2.1 世博軸索膜結構深化設計
索膜結構的深化設計主要任務是解決三方面的問題：其一，材料選擇；其二，膜結構的找形和膜材裁剪設計；其三，構件和節(jié)點的深化及優(yōu)化。
1) 膜材料的選擇除了需滿足結構所要求的力學性能之外，尚需要滿足自潔、防火及耐久性等建筑上的要求。本工程采用膜材為美國圣戈班高功能塑料有限公司的PTFE膜材。
首先，確定膜結構在自重和預應力狀態(tài)下形狀，即找形，再進行膜材的裁剪。膜材的裁剪需要以設計預應力5kN/m為基準，通過雙軸拉伸試驗數據確定基本補償率，考慮膜材的蠕變和松弛因素適當放大作為最終裁剪補償率。在確定了必要的參數后即可以規(guī)劃膜材的裁剪。膜面節(jié)點的深化需要充分考慮膜面應力的分布，以及膜材裁切的樣式與建筑效果相匹配。
2) 桅桿、鋼索作為膜結構系統(tǒng)的支承結構，其深化設計主要考慮以下一些因素：
a.確定了整個膜結構的形態(tài)，相應就決定了索、桅桿的位置、方向和幾何尺寸；
b.根據索的內力，確定所需索的規(guī)格和長度，以及根據預應力施工工藝，確定張拉構造的設置；
c.桅桿外形的優(yōu)化和節(jié)點構造的深化，以及根據制作、運輸和安裝工藝確定桅桿的分段。
圖4 外桅桿頂部多索匯交節(jié)點 (索膜結構施工技術)
難點主要在于外桅桿柱頂多索匯交的鑄鋼節(jié)點的深化設計上，最多有十三根索匯交于一個節(jié)點。節(jié)點的深化設計需考慮建筑外形的美觀、節(jié)點構造的優(yōu)化和強度的復核、鑄造工藝的可行、以及鋼索安裝工藝的要求等。整個深化設計幾經調整，耗時數月才完成。
2.2 索膜結構的結構和節(jié)點試驗
世博軸索膜結構因其位于世博園區(qū)的中心軸線的重要位置，且規(guī)模巨大，又具有多單元連續(xù)的特點，為確保結構的安全和施工質量，在設計和施工的過程中，作了必要的結構試驗和節(jié)點試驗。
1) 結構整體的縮尺試驗。為了檢驗世博軸索膜結構在部分約束失效的狀態(tài)下結構的穩(wěn)定性和安全度，作了結構整體縮尺試驗（1：20）。試驗結果證明，結構在若干個約束失效的狀態(tài)下，仍可保持整體穩(wěn)定。
2) 膜材的雙向拉伸試驗。根據規(guī)范要求，膜材一般只需作單向拉伸試驗以檢驗膜材的強度，但鑒于本工程的膜結構均處于雙向拉伸的受力狀態(tài)，為檢驗其在雙向拉伸時的受力性能，補做了膜材的雙向拉伸試驗。試驗中反映出膜材受力后的某些特點，并對膜結構邊緣約束構造作了優(yōu)化和調整。
圖5 膜材雙向拉伸試驗 (索膜結構施工技術)
3) 雙層膜材的粘接試驗。本工程采用了民用膜材最高強度的A級膜，但仍不能滿足膜結構的受力要求，在應力大的部位需以雙層膜材進行補強。因為是首次采用大量的大面積雙層膜材構造，為了使雙層膜材共同受力且避免褶皺，進行了雙層膜材的粘接試驗，調整和完善了粘接工藝。
4) 單元膜成品強度的加載試驗。在膜材雙向拉伸試驗的基礎上，又進行了單元膜（6m2）的堆載法加載試驗，以驗證膜結構在雙向應力狀態(tài)下的受力性能。
2.3 索膜結構的制作
1) 膜結構的制造。膜材經過品質檢驗后，根據深化設計要求由數控下料機進行裁剪，然后進行拼接，折疊并進行必要保護后運抵現場。所有連接件采用鋁合金或不銹鋼，均在工程制作完成。
圖6 工廠膜面制作實景 (索膜結構施工技術)
2) 鋼索的制造。鋼索采用高強度平行鋼絲索外包PE護套。所有原材料經質量檢驗合格，鋼絲整編成索，熱注PE塑料護套，采用熱鑄(冷鑄)法固定端部錨具并采取封閉防銹蝕措施，進行拉伸試驗，最后成品索盤索出廠。
3) 桅桿的制造。桅桿最長達40余米，其兩端采用鑄鋼節(jié)點，桅桿本體為三根弧形弦管和橫隔鋼板組成的梭狀結構。鑄鋼節(jié)點單個重逾20t，先根據深化設計制作模具，采用消失模鑄造工藝進行鑄造，進行熱處理消除鑄造應力，再進行表面檢查、內部無損檢測和外形尺寸檢測；桅桿本體進行下料、彎管、組立、焊接和檢測；鑄鋼節(jié)點和桅桿本體組合完成后，進行表面處理和涂裝，并根據運輸和現場安裝要求分段發(fā)運。
圖7 生產工程中的鑄鋼節(jié)點 (索膜結構施工技術)
圖8 外桅桿工廠組裝 (索膜結構施工技術)
2.4 索膜結構的安裝
1) 鋼桅桿的安裝。世博軸的索膜結構上的桅桿共58根，分為兩類：邊桅桿（39根）與中桅桿（19根）。
邊桅桿長40m，重50t，向外傾斜立于基坑內兩側的砼基礎上。外桅桿采用400t履帶吊分節(jié)吊裝的方法，即在現場將工廠制作分段拼裝成吊裝分段，起重機停于基坑外側，在豎直狀態(tài)下分段安裝焊接，再由起重機輔助，利用纜風繩調整至設計要求的傾斜位置；中桅桿長25m，重6t，垂直豎立在砼平臺的中間。邊桅桿采用12t汽車吊分2段吊裝，吊裝到位后設置纜風和腳手支架，形成臨時穩(wěn)定結構。
圖9 外桅桿現場組裝
圖10 外桅桿現場吊裝
2) 鋼索安裝。鋼索分為背索、水平索、脊索和谷索。索的最大直徑100mm，最長110 m。當每個索膜單元的桅桿安裝到位后，即進行該單元鋼索的安裝。當鋼索就位后隨即進行背索和水平索的預張拉，及時形成具有一定剛度的穩(wěn)定結構體系。
圖11 背索安裝與水平索安裝 (索膜結構施工技術)
3) 膜面安裝。每個單元的膜面一般為三塊，單塊膜面面積最大達1700余平方米。在安裝膜面的垂直下方，先鋪設防護材料，再將膜面循序展開，多點提升，逐邊安裝。膜面到位后應及時張緊，防止大風暴雨損壞膜面。
圖12 現場膜面安裝
2.5 索膜結構的預應力施工
索膜結構是通過預應力的施加形成結構剛度的，而世博軸的索膜結構又是多單元連續(xù)的特大索膜結構，必須確定合理和可操作的張拉順序，因此預應力的施工是本工程結構安裝的關鍵。鋼索張拉采用專門設計的液壓千斤頂張拉機具。群索的張拉遵循“循序分步張拉，保持基本同步”的原則。每個張拉點采用2臺液壓千斤頂，分級同步施加預應力。當達到設計拉力時，超張拉5％左右，并持荷一定時間以彌補徐變產生的預應力損失；膜面張拉施工時，利用可調節(jié)的專用夾具沿膜邊界張拉膜面系統(tǒng)，先沿脊索和谷索初步張拉，再沿下環(huán)完成最后的張拉。使膜面應力和膜面索內力同步增長至設計要求的預應力水平。膜結構單元之間以脊索分界，屬于柔性邊界的連接，張力是連續(xù)傳遞的，單元之間的相互影響大，故相鄰單元實施分步張拉時，應控制預應力差值不致過大。
圖13 鋼索的預應力施工 (索膜結構施工技術)
2.6 索膜結構的施工檢測和健康監(jiān)測
世博軸多單元連續(xù)大跨度索膜結構是一種預應力的新型結構，施工過程中的檢測和建成后的健康監(jiān)測十分重要。索膜結構的應力檢測一向是個較為棘手的難題，同濟大學研制了真空膜面應力檢測儀和磁通量鋼索測力環(huán)，攻克了這一難關。每個膜面單元設置若干個應力測點，進行施工過程的跟蹤檢測，同時選擇部分單元的背索和水平索安裝測力環(huán)進行全過程檢測，作為施工控制和竣工驗收的依據。健康檢測除了應力監(jiān)測外，還包括變形監(jiān)測，定期定點進行，在世博會期間也不間斷。特別是臺風影響期間，更是健康檢測的重要時機，以檢驗設計假定與實際是否相符和判斷結構工作是否正常。
圖14 健康監(jiān)測的部分儀器和傳感器
世博軸建成以后成為世博園區(qū)最大的單體項目，是世博園區(qū)空間景觀和人流交通的主軸線，也是整個世博園區(qū)的標志性建筑，整個世博軸工程的建設過程中涉及了多種領域的先進技術，其中許多都是國內首創(chuàng)，部分達到國際先進水平，凝聚著建設者們智慧和心血。“世博軸”以其卓約的風姿，笑迎接八方來客。
圖15 建成后的世博軸夜景 (索膜結構施工技術)
（上海市機械施工有限公司 上海 200072）
： 