大跨椭圆形弦支穹顶结构：设计原理、施工技术与工程实践

大跨椭圆形弦支穹顶结构：设计原理、施工技术与工程实践一、引言1.1研究背景与意义随着现代社会的快速发展，人们对建筑的功能和美学要求日益提高。大跨度空间结构作为现代建筑的重要形式之一，广泛应用于体育场馆、展览馆、会议中心等大型公共建筑中，为人们提供了宽敞、舒适的活动空间。弦支穹顶结构作为一种新型的大跨度空间结构形式，结合了单层网壳结构和张拉索杆体系的优点，具有受力合理、刚度大、重量轻、造型美观等特点，在近年来得到了越来越广泛的应用。大跨椭圆形弦支穹顶结构作为弦支穹顶结构的一种特殊形式，不仅具有一般弦支穹顶结构的优点，还因其独特的椭圆形平面形状，能够更好地适应场地条件和建筑功能需求，为建筑设计提供了更多的创意和可能性。例如，天津中医药大学新建体育馆工程平面呈椭圆形，钢屋盖采用大跨椭圆形弦支穹顶结构，长轴92m，短轴73m，其独特的造型不仅满足了体育馆的功能需求，还成为了校园内的一道亮丽风景线。然而，大跨椭圆形弦支穹顶结构的设计与施工也面临着诸多挑战。由于其平面形状的不规则性和结构体系的复杂性，使得结构的受力分析、构件设计和施工过程控制都变得更加困难。在设计过程中，需要考虑结构在各种荷载作用下的受力性能，包括重力荷载、风荷载、地震作用等，确保结构的安全性和可靠性。同时，还需要考虑结构的稳定性、抗震性能和防火性能等方面的要求。在施工过程中，由于结构的跨度大、构件数量多，施工难度较大，需要采用合理的施工方法和技术措施，确保施工质量和进度。例如，在天津中医药大学新建体育馆的施工中，由于网壳拼装完成后需要进行预应力张拉，张拉过程中网壳会经过复杂的力变状态，某些杆件会从受压变成受拉，中部起拱值达67mm，安装精度要求高，精度控制便成为保证张拉后成型的关键。因此，对大跨椭圆形弦支穹顶结构的设计与施工进行深入研究具有重要的理论意义和工程实用价值。通过对其设计理论和施工技术的研究，可以为该结构形式的广泛应用提供理论支持和技术保障，推动现代建筑技术的发展。同时，也可以为类似工程的设计和施工提供参考和借鉴，提高工程建设的质量和效益。1.2国内外研究现状弦支穹顶结构最早由日本学者川口卫于1993年提出，并应用于日本福冈体育馆的建造。此后，弦支穹顶结构在国际上得到了广泛的关注和研究。国外学者主要侧重于对弦支穹顶结构的力学性能、稳定性、抗震性能等方面的理论研究。在力学性能研究方面，[学者姓名1]通过理论分析和数值模拟，研究了弦支穹顶结构在不同荷载工况下的受力特性，揭示了结构的内力分布规律和变形特点。在稳定性研究方面，[学者姓名2]采用非线性有限元方法，对弦支穹顶结构的稳定性进行了深入研究，提出了结构的稳定判别准则和提高稳定性的措施。在抗震性能研究方面，[学者姓名3]通过振动台试验和数值模拟，研究了弦支穹顶结构的抗震性能，分析了结构在地震作用下的动力响应和破坏模式，提出了结构的抗震设计方法和减震控制措施。在国内，弦支穹顶结构的研究起步相对较晚，但发展迅速。近年来，随着我国大型公共建筑的建设需求不断增加，弦支穹顶结构在国内得到了广泛的应用，相关的研究也取得了丰硕的成果。国内学者在借鉴国外研究成果的基础上，结合我国的工程实际，对弦支穹顶结构的设计理论、施工技术、监测方法等方面进行了深入研究。在设计理论研究方面，[学者姓名4]对大跨椭圆形弦支穹顶结构的选型、布置和计算方法进行了系统研究，提出了适用于该结构形式的设计理论和方法。在施工技术研究方面，[学者姓名5]以天津中医药大学新建体育馆工程为背景，对大跨椭圆形弦支穹顶结构的施工过程进行了模拟分析，提出了合理的施工方案和技术措施，确保了施工质量和进度。在监测方法研究方面，[学者姓名6]通过对弦支穹顶结构施工过程中的应力、变形等参数进行实时监测，验证了结构的设计合理性和施工安全性，为类似工程的监测提供了参考。尽管国内外学者在大跨椭圆形弦支穹顶结构的设计与施工方面取得了一定的研究成果，但仍存在一些不足之处。一方面，目前的研究主要集中在结构的静力性能和弹性阶段，对结构在动力荷载作用下的非线性行为以及结构的疲劳性能、耐久性等方面的研究还相对较少；另一方面，由于大跨椭圆形弦支穹顶结构的复杂性，现有的设计理论和方法还不够完善，在实际工程应用中还存在一定的局限性，需要进一步的研究和改进。此外，在施工过程中，如何更好地控制结构的变形和应力，确保施工安全和质量，也是需要进一步研究的问题。1.3研究内容与方法1.3.1研究内容本文围绕大跨椭圆形弦支穹顶结构的设计与施工展开研究，具体内容如下：结构选型与布置：深入分析大跨椭圆形弦支穹顶结构的特点，探讨其结构选型的原则和方法。研究不同的弦支体系布置方式对结构受力性能的影响，通过对比分析，确定最适合大跨椭圆形弦支穹顶结构的弦支体系布置方案。例如，研究索杆体系的布置形式、索的初始预应力大小以及撑杆的长度和位置等因素对结构整体性能的影响。力学性能分析：运用结构力学、材料力学等相关理论，对大跨椭圆形弦支穹顶结构在各种荷载作用下的力学性能进行分析。包括结构的内力分布、变形情况、稳定性等方面的研究。采用有限元分析软件，建立大跨椭圆形弦支穹顶结构的数值模型，对结构在不同荷载工况下的力学性能进行模拟分析，为结构设计提供理论依据。结构设计方法：根据力学性能分析的结果，结合相关规范和标准，提出大跨椭圆形弦支穹顶结构的设计方法。包括结构构件的截面设计、连接节点的设计以及结构的抗震设计等方面。研究如何在设计中充分考虑结构的特点和受力性能，确保结构的安全性和可靠性。施工方法与技术措施：研究大跨椭圆形弦支穹顶结构的施工方法，包括网壳的拼装、索杆体系的安装以及预应力的施加等环节。分析不同施工方法的优缺点，结合工程实际情况，选择合理的施工方法。同时，提出相应的技术措施，如施工过程中的测量控制、变形监测以及质量控制等，确保施工质量和进度。工程实例分析：以实际工程为背景，对大跨椭圆形弦支穹顶结构的设计与施工进行详细分析。通过对工程实例的研究，验证本文提出的设计方法和施工技术的可行性和有效性，为类似工程的设计和施工提供参考和借鉴。1.3.2研究方法为实现上述研究内容，本论文拟采用以下研究方法：文献研究法：广泛查阅国内外相关文献资料，了解大跨椭圆形弦支穹顶结构的研究现状和发展趋势，掌握该结构形式的设计理论、施工技术以及相关的规范和标准。通过对文献的分析和总结，为本研究提供理论基础和研究思路。数值模拟法：利用有限元分析软件，如ANSYS、SAP2000等，建立大跨椭圆形弦支穹顶结构的数值模型。通过对模型进行各种荷载工况下的模拟分析，研究结构的力学性能和变形规律，为结构设计和施工提供数据支持。数值模拟可以快速、准确地得到结构在不同工况下的响应，同时可以方便地进行参数分析，研究不同因素对结构性能的影响。理论分析法：运用结构力学、材料力学、弹性力学等相关理论，对大跨椭圆形弦支穹顶结构的力学性能进行理论分析。推导结构的内力计算公式和变形计算公式，研究结构的稳定性和抗震性能等方面的理论问题。理论分析可以深入揭示结构的受力机理和性能特点，为数值模拟和工程实践提供理论依据。案例分析法：选取实际工程案例，对大跨椭圆形弦支穹顶结构的设计与施工过程进行详细分析。通过对案例的研究，了解实际工程中遇到的问题和解决方法，总结工程经验，验证研究成果的可行性和有效性。案例分析可以使研究更加贴近实际工程，为工程实践提供参考和借鉴。二、大跨椭圆形弦支穹顶结构的特点与优势2.1结构组成与形式大跨椭圆形弦支穹顶结构主要由上层网壳、下部索杆体系及支撑结构三部分组成。上层网壳作为结构的主要受力构件之一，通常采用钢结构，其形状呈椭圆形曲面，依据具体的建筑设计需求和受力特性，可选用不同的网格形式，如施威德勒型、凯威特型、联方型等。以天津中医药大学新建体育馆工程为例，其上层网壳采用超大空心加肋焊接球和空心杆件焊接而成，形式为施威德勒-凯威特型网壳。这种网壳形式具有较高的空间刚度和承载能力，能够有效地将屋面荷载传递到下部结构。下部索杆体系是大跨椭圆形弦支穹顶结构的关键组成部分，由竖向撑杆、径向拉杆和环向拉索构成。竖向撑杆的上端与单层网壳对应的各环节点铰接，其作用是将网壳的竖向荷载传递给索杆体系；撑杆下端由径向拉索与单层网壳的下一环节点连接，同一环的撑杆下端由环向拉索连接在一起，形成一个稳定的索杆体系。索杆体系施加预应力后，通过撑杆在上部网壳中形成一个多点弹性支撑体系，使上部网壳由传统的周边刚性支撑体系转变为周边刚性支撑体系与中间弹性支撑体系共同支撑的形式，从而显著提高结构的整体稳定性和承载能力。在天津中医药大学新建体育馆工程中，下部柔性体系由4环环拉索、5圈径向拉杆和81根竖向撑杆组成。支撑结构一般采用钢筋混凝土柱或钢柱，用于承担整个弦支穹顶结构的重量，并将其传递到基础。在实际工程中，支撑结构的布置需根据建筑平面布局和受力要求进行合理设计。如天津中医药大学新建体育馆的整个屋盖坐落在内圈26根混凝土柱和北侧跨度为55.6m的桁架上，与外圈32根混凝土柱采用竖向异形平面桁架连接，柱顶预埋弹簧支座，柱身留有预埋件，网壳与异形平面桁架，异形平面桁架与弹簧支座、预埋件焊接，形成稳定体系。这种支撑结构的布置方式有效地保证了结构的稳定性和安全性。2.2力学性能特点大跨椭圆形弦支穹顶结构的力学性能特点主要体现在荷载传递路径和结构稳定性等方面。在荷载传递路径上，该结构主要承受竖向荷载、水平荷载（如风荷载、地震作用等）以及温度作用等。在竖向荷载作用下，荷载首先由屋面结构传至上层网壳，上层网壳通过与撑杆的连接将荷载传递给下部索杆体系。由于索杆体系中的索只能承受拉力，因此索会产生拉力来平衡上部网壳传来的荷载。同时，撑杆将索的拉力传递给网壳，使网壳处于受压和受弯状态。在水平荷载作用下，结构通过整体的空间作用来抵抗水平力，索杆体系和网壳共同发挥作用，将水平力传递到基础。在温度作用下，结构会产生温度应力，通过结构的变形和内力重分布来适应温度变化。例如，当温度升高时，结构会膨胀，索杆体系和网壳会产生相应的内力和变形，以保持结构的平衡。在结构稳定性方面，大跨椭圆形弦支穹顶结构具有较好的稳定性。一方面，上部网壳采用钢结构，具有较高的强度和刚度，能够有效地承受荷载和抵抗变形。另一方面，下部索杆体系施加预应力后，通过撑杆在上部网壳中形成一个多点弹性支撑体系，大大提高了结构的整体稳定性。索杆体系的预应力可以有效地减小结构在荷载作用下的变形，提高结构的承载能力。当结构受到外部荷载作用时，索杆体系的预应力可以使结构更快地恢复到原来的状态，从而保证结构的稳定性。此外，大跨椭圆形弦支穹顶结构的稳定性还与其几何形状、构件布置和连接方式等因素有关。椭圆形的平面形状使得结构在不同方向上的受力更加均匀，减少了应力集中的现象。合理的构件布置和连接方式可以保证结构的整体性和协同工作能力，进一步提高结构的稳定性。例如，在天津中医药大学新建体育馆工程中，通过对结构的几何形状、构件布置和连接方式进行优化设计，有效地提高了结构的稳定性和承载能力。2.3与其他结构形式的对比优势与其他常见的大跨结构形式相比，大跨椭圆形弦支穹顶结构在多个方面展现出独特的优势。在空间利用方面，大跨椭圆形弦支穹顶结构具有卓越的表现。以传统的平面桁架结构为例，其往往受到平面布置的限制，在形成大跨度空间时，内部会存在较多的杆件交叉，导致空间被分割，使用空间不够规整和开阔。而大跨椭圆形弦支穹顶结构，由于其独特的空间曲面造型和合理的结构布置，能够在大跨度范围内形成较为规整、无柱的大空间，极大地提高了空间的利用率。这种开阔的无柱空间为建筑内部的功能布局提供了更大的灵活性，例如在体育场馆中，可以更方便地布置观众席和比赛场地，满足大型赛事和活动的需求；在展览馆中，能为展品展示提供更宽敞、连续的空间，提升展览效果。在经济性方面，大跨椭圆形弦支穹顶结构也具有显著优势。与双层网壳结构相比，双层网壳结构由于具有上下两层网格，杆件数量众多，钢材用量较大，相应的加工、运输和安装成本也较高。而大跨椭圆形弦支穹顶结构通过下部索杆体系施加预应力，有效地改善了上部网壳的受力性能，使网壳杆件的内力分布更加均匀，从而可以减小杆件的截面尺寸，降低钢材用量。同时，由于结构的整体性能得到提升，在满足相同承载能力和使用要求的情况下，其基础的规模和造价也可能相应降低。例如，在一些实际工程中，通过对大跨椭圆形弦支穹顶结构和双层网壳结构的造价对比分析发现，大跨椭圆形弦支穹顶结构在材料成本和施工成本上都有一定程度的降低，具有更好的经济效益。在结构性能方面，大跨椭圆形弦支穹顶结构同样表现出色。与单层网壳结构相比，单层网壳结构的稳定性相对较差，尤其是在大跨度情况下，容易出现失稳现象。而大跨椭圆形弦支穹顶结构下部的索杆体系对上部网壳形成了多点弹性支撑，大大提高了结构的整体稳定性和刚度。在承受风荷载和地震作用等水平荷载时，能够更好地抵抗变形，保证结构的安全。例如，在数值模拟分析中，对相同跨度和荷载条件下的单层网壳结构和大跨椭圆形弦支穹顶结构进行风荷载和地震作用的模拟，结果显示大跨椭圆形弦支穹顶结构的位移和内力响应明显小于单层网壳结构，充分证明了其在结构性能方面的优势。三、大跨椭圆形弦支穹顶结构设计理论与方法3.1设计准则与规范依据在大跨椭圆形弦支穹顶结构的设计过程中，需严格遵循一系列设计准则与规范依据，以确保结构的安全性、适用性和耐久性，使其在整个使用周期内能够稳定可靠地运行。安全性准则是结构设计的首要准则，要求结构在各种可能出现的荷载作用下，包括恒载、活载、风荷载、地震作用以及温度作用等，都应具备足够的承载能力，不发生破坏或失稳现象。以天津中医药大学新建体育馆工程为例，在设计时充分考虑了该地区的风荷载和地震作用特性。依据当地的气象资料和地震区划图，确定了该地区的基本风压和地震设防烈度。在风荷载作用下，通过风洞试验或数值模拟等方法，准确获取结构表面的风压力分布，进而计算结构在风荷载作用下的内力和变形。在地震作用方面，根据抗震设计规范，采用合适的地震作用计算方法，如反应谱法或时程分析法，对结构进行抗震分析，确保结构在地震作用下的安全性能。适用性准则要求结构在正常使用状态下，其变形、裂缝等应控制在规定的范围内，以满足建筑物的使用功能要求。对于大跨椭圆形弦支穹顶结构，其变形控制尤为重要，过大的变形可能会影响建筑物的正常使用，如导致屋面漏水、吊顶开裂等问题。在天津中医药大学新建体育馆工程中，通过合理设计结构的构件尺寸和布置方式，结合预应力技术，有效减小了结构在荷载作用下的变形。同时，对结构的裂缝开展进行了严格控制，确保结构的耐久性。耐久性准则是保证结构在规定的使用年限内，在各种环境因素作用下，仍能保持其设计性能的重要准则。大跨椭圆形弦支穹顶结构通常暴露在自然环境中，易受到大气侵蚀、温度变化等因素的影响。因此，在设计时需考虑结构材料的耐久性，选择合适的防腐、防锈措施，如采用热浸镀锌、涂层防护等方法，提高结构的耐久性。在天津中医药大学新建体育馆工程中，对钢结构构件采用了热浸镀锌处理，并在表面涂刷防腐漆，以延长结构的使用寿命。在规范依据方面，大跨椭圆形弦支穹顶结构的设计主要遵循《钢结构设计标准》（GB50017-2017）、《空间网格结构技术规程》（JGJ7-2010）、《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）（2016年版）以及《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）等相关国家标准和行业规范。《钢结构设计标准》规定了钢结构的材料选用、构件设计、连接计算等方面的要求，为大跨椭圆形弦支穹顶结构的钢结构部分设计提供了基本依据。《空间网格结构技术规程》则针对空间网格结构的特点，对其设计、制作、安装等全过程进行了详细规定，是大跨椭圆形弦支穹顶结构设计的重要参考规范。《建筑抗震设计规范》明确了建筑结构在地震作用下的设计原则、计算方法和构造措施，确保结构在地震中的安全性。《建筑结构荷载规范》给出了各类荷载的取值方法和组合原则，为结构设计提供了荷载计算的依据。在实际工程设计中，设计人员应深入理解这些设计准则和规范依据，结合工程的具体特点和要求，进行全面、细致的结构设计，确保大跨椭圆形弦支穹顶结构的设计质量和安全性能。3.2结构选型与布置优化在大跨椭圆形弦支穹顶结构的设计中，结构选型与布置优化是至关重要的环节，直接影响着结构的受力性能、经济性以及建筑功能的实现。结构选型需紧密结合建筑功能和场地条件。从建筑功能角度出发，不同的建筑用途对空间布局和使用要求各异。以体育场馆为例，比赛场地和观众席的布局需要开阔、无柱的大空间，以确保观众的观赛视野和运动员的活动空间。大跨椭圆形弦支穹顶结构能够满足这一需求，通过合理设计网壳的形状和索杆体系的布置，可形成较大的内部空间。在设计天津中医药大学新建体育馆时，根据其作为体育赛事和活动举办场所的功能需求，采用了大跨椭圆形弦支穹顶结构，长轴92m，短轴73m，为观众和运动员提供了宽敞的空间。而对于展览馆，需要灵活的空间划分来展示不同的展品，大跨椭圆形弦支穹顶结构可以通过调整内部结构布置，满足不同的展示需求。场地条件也是结构选型的重要考虑因素。场地的地形地貌、地质条件以及周边环境都会对结构选型产生影响。如果场地地形复杂，存在高差，在设计中就需要考虑如何利用地形，减少土方开挖和基础处理的工作量。在地质条件较差的场地，如软土地基，需要选择对基础要求相对较低的结构形式，或者采取相应的地基处理措施。若周边环境存在对建筑高度、外观等方面的限制，结构选型也需与之相适应。比如，当场地周边有历史建筑或对建筑高度有严格限制时，大跨椭圆形弦支穹顶结构的高度和造型设计就要充分考虑与周边环境的协调性。在结构布置优化方面，不同的弦支体系布置方式对结构受力性能有着显著影响。索杆体系的布置形式是结构布置优化的关键因素之一。常见的索杆体系布置形式有肋环型、葵花型、轮辐型等。肋环型布置形式中，环向拉索和径向拉杆呈规则的肋环分布，这种布置方式传力路径明确，结构受力较为均匀，能够有效地提高结构的整体稳定性。葵花型布置形式则具有独特的造型，其索杆体系的布置类似于葵花的形状，在某些情况下能够满足建筑的特殊造型需求，同时也能在一定程度上改善结构的受力性能。轮辐型布置形式以中心节点为核心，拉索呈放射状分布，类似于车轮的辐条，这种布置方式能够使结构在各个方向上的受力更加均衡，适用于对结构各向同性要求较高的情况。通过对不同布置形式的对比分析，结合工程的具体特点和要求，可以确定最适合大跨椭圆形弦支穹顶结构的索杆体系布置方案。索的初始预应力大小也是影响结构受力性能的重要因素。适当的初始预应力可以有效地改善结构的受力状态，减小结构在荷载作用下的变形，提高结构的承载能力。如果初始预应力过小，索杆体系对上部网壳的支撑作用就会减弱，结构的刚度和稳定性也会相应降低；而初始预应力过大，则可能导致索杆体系的内力过大，增加结构的材料用量和施工难度，同时也可能对结构的安全性产生不利影响。因此，需要通过理论分析和数值模拟等方法，对索的初始预应力大小进行优化设计，确定合理的预应力值。在天津中医药大学新建体育馆的设计中，通过对不同初始预应力值下结构受力性能的分析，确定了合适的索初始预应力，有效地提高了结构的整体性能。撑杆的长度和位置对结构的受力性能也有一定的影响。撑杆作为连接上部网壳和下部索杆体系的关键构件，其长度和位置的变化会改变结构的传力路径和内力分布。合理调整撑杆的长度和位置，可以使结构的受力更加合理，减少应力集中现象，提高结构的稳定性。例如，通过有限元分析软件对撑杆长度和位置进行参数化分析，研究不同参数下结构的受力性能变化，从而确定撑杆的最优长度和位置。在实际工程中，还需要考虑撑杆的制作和安装难度，确保设计方案的可行性。综上所述，在大跨椭圆形弦支穹顶结构设计中，应综合考虑建筑功能、场地条件等因素进行结构选型，并通过对索杆体系布置形式、索的初始预应力大小以及撑杆的长度和位置等方面的优化，提高结构的受力性能和经济性，确保结构的安全可靠和建筑功能的实现。3.3荷载取值与组合大跨椭圆形弦支穹顶结构设计中，荷载取值与组合至关重要，直接关系到结构的安全性与可靠性。依据《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）等相关规范，需要全面考虑多种荷载类型，并合理进行组合。恒载主要涵盖结构自身重量以及永久性附属设施的重量。以上层网壳采用钢结构的大跨椭圆形弦支穹顶结构为例，计算钢结构重量时，可根据钢材的密度（通常为7850kg/m³）以及各构件的几何尺寸来精确计算。对于不同规格的钢梁、钢柱等，分别计算其体积，再乘以密度得出重量。屋面材料若采用彩钢板，可依据彩钢板的型号和厚度确定单位面积重量，一般常见的彩钢板单位面积重量在10-30kg/m²之间。若屋面设有保温层、防水层等附属设施，同样要根据其材料特性和厚度准确计算重量，如常见的保温材料聚苯乙烯泡沫板，密度一般在18-22kg/m³，根据铺设厚度计算单位面积重量后，累加至恒载中。活载包含人员活动、设备重量以及可能出现的临时荷载等。在体育馆这类大跨椭圆形弦支穹顶结构建筑中，人员活动荷载需依据建筑的使用功能和容纳人数来确定。按照规范，体育馆观众区域的活载取值一般为3.5-4.0kN/m²，这是考虑到观众在观赛时的人员密度和活动情况。对于放置有体育设备的区域，如篮球架、体操器械等，需根据设备的实际重量计算活载。若存在临时展览、演出等活动，还需考虑临时增加的设备和人员荷载，例如临时搭建的舞台、音响设备等，根据实际布置情况估算其重量，并计入活载。风荷载的取值与建筑所在地区的地貌、地形以及周边环境紧密相关。确定基本风压时，需参考当地的气象资料，根据《建筑结构荷载规范》中的全国基本风压分布图，找到对应地区的基本风压值。对于大跨椭圆形弦支穹顶结构，其体型复杂，风荷载作用下的受力情况特殊，通常需通过风洞试验或数值模拟来准确获取结构表面的风压力分布。以天津中医药大学新建体育馆工程为例，通过风洞试验，精确测定了不同风向角下结构表面的风压力系数，再结合基本风压、风压高度变化系数以及地形修正系数等，计算出结构在各个部位所承受的风荷载。在数值模拟中，利用计算流体力学（CFD）软件，建立包含建筑结构和周边环境的模型，模拟风流场，从而得到风荷载分布。地震作用的取值取决于建筑所在地区的抗震设防烈度、场地类别以及结构的自振特性等因素。依据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）（2016年版），首先根据建筑所在地区的地震区划图确定抗震设防烈度，例如北京部分地区抗震设防烈度为8度。再根据场地的地质条件确定场地类别，场地类别分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四类，不同类别场地对地震波有不同的放大作用。通过结构动力分析，计算出结构的自振周期和振型，采用反应谱法或时程分析法来计算地震作用。在反应谱法中，根据抗震设防烈度、场地类别等参数，查取对应的地震影响系数曲线，结合结构自振周期计算地震作用。时程分析法中，选取合适的地震波，如EI-Centro波、Taft波等，输入结构模型进行动力时程分析，得到结构在地震作用下的响应。在荷载组合方面，需遵循《建筑结构荷载规范》规定的原则。承载能力极限状态下，采用基本组合，其表达式为：γ₀S=γGSGk+γQ1SQ1k+γQ2ψc2SQ2k+…+γQnψcnSQnk，其中γ₀为结构重要性系数，对于安全等级为一级的结构，γ₀取1.1；安全等级为二级的结构，γ₀取1.0；安全等级为三级的结构，γ₀取0.9。γG为永久荷载分项系数，一般情况下取1.2，当永久荷载对结构有利时，取1.0。γQi为第i个可变荷载分项系数，一般情况下取1.4，对标准值大于4kN/m²的工业房屋楼面结构的活荷载，取1.3。ψci为第i个可变荷载的组合值系数，风荷载的组合值系数一般取0.6，雪荷载的组合值系数一般取0.7。正常使用极限状态下，采用标准组合或准永久组合，标准组合表达式为：S=SGk+SQ1k+ψc2SQ2k+…+ψcnSQnk，准永久组合表达式为：S=SGk+ψq1SQ1k+ψq2SQ2k+…+ψqnSQnk，其中ψqi为第i个可变荷载的准永久值系数，根据不同荷载类型取值，如办公楼楼面活荷载的准永久值系数一般取0.4，住宅楼面活荷载的准永久值系数一般取0.5。通过合理的荷载取值与组合，能够确保大跨椭圆形弦支穹顶结构在各种可能的荷载工况下，满足强度、刚度和稳定性要求，保障结构的安全可靠。3.4计算模型与分析方法为了准确分析大跨椭圆形弦支穹顶结构的力学性能，需建立合理的计算模型并采用科学的分析方法。在建模过程中，运用有限元分析软件ANSYS进行模型构建。以天津中医药大学新建体育馆的大跨椭圆形弦支穹顶结构为例，该结构长轴92m，短轴73m，矢高6.5m，上层网壳采用超大空心加肋焊接球和空心杆件焊接而成，形式为施威德勒-凯威特型网壳，下部柔性体系由4环环拉索、5圈径向拉杆和81根竖向撑杆组成。在有限元模型中，对于上部网壳的钢结构构件，选用梁单元Beam188进行模拟。该单元基于铁木辛柯梁理论，能较好地考虑剪切变形的影响，适用于模拟各种受弯、受压和受拉的梁状结构。通过合理定义单元的截面属性，包括截面形状、尺寸以及材料特性，如钢材的弹性模量、泊松比等，准确模拟网壳构件的力学行为。例如，根据钢结构设计规范，确定钢材的弹性模量为2.06×10⁵MPa，泊松比为0.3。对于下部索杆体系中的拉索，采用只受拉的Link10单元模拟，该单元能够准确模拟拉索只能承受拉力、不能承受压力的力学特性。撑杆则选用Link8单元，该单元可承受拉压荷载，能有效模拟撑杆在结构中的受力状态。在定义拉索和撑杆单元时，同样要精确设定其截面和材料属性，确保模型的准确性。边界条件的设置对模型分析结果至关重要。在大跨椭圆形弦支穹顶结构中，通常将结构与下部支撑结构的连接节点设置为固定铰支座或弹性支座。对于固定铰支座，约束节点的三个平动自由度，模拟节点在实际结构中不能发生水平和竖向位移，但可以自由转动的情况。若考虑下部支撑结构的弹性变形对弦支穹顶结构的影响，则采用弹性支座，通过定义支座的弹簧刚度来模拟支撑结构的弹性性能。例如，在天津中医药大学新建体育馆工程中，根据下部混凝土柱和桁架的实际刚度，计算并设定弹性支座的弹簧刚度，以准确反映结构的实际受力情况。在结构分析方法上，采用线性静力分析和非线性分析相结合的方式。线性静力分析用于初步分析结构在各种荷载作用下的内力和变形。通过将前文确定的恒载、活载、风荷载和地震作用等按照规范要求的荷载组合方式施加到有限元模型上，求解结构的响应。在求解过程中，基于弹性力学和结构力学的基本原理，运用有限元方法将结构离散为多个单元，通过建立单元刚度矩阵并组装成整体刚度矩阵，求解平衡方程，得到结构各节点的位移和单元的内力。例如，在计算结构在恒载作用下的内力时，将恒载以节点力或均布荷载的形式施加到模型上，通过求解得到网壳杆件和索杆体系的内力分布情况，为后续的设计和分析提供基础数据。然而，大跨椭圆形弦支穹顶结构在实际受力过程中，尤其是在大变形情况下，会表现出明显的非线性行为，因此需要进行非线性分析。几何非线性分析主要考虑结构的大变形效应，即结构在荷载作用下的变形会对其受力状态产生显著影响。在ANSYS软件中，通过激活大变形选项来考虑几何非线性。例如，在分析结构在风荷载作用下的响应时，随着风荷载的增大，结构的变形逐渐增大，几何非线性效应逐渐显现。通过几何非线性分析，可以更准确地得到结构在大变形情况下的内力和变形分布，避免因忽略几何非线性而导致的分析结果偏差。材料非线性分析则考虑材料的非线性本构关系，如钢材在达到屈服强度后会进入塑性阶段，其应力-应变关系不再是线性的。在ANSYS中，可选用双线性随动强化模型（BKIN）或多线性随动强化模型（MKIN）来模拟钢材的材料非线性行为。以双线性随动强化模型为例，该模型需要定义钢材的屈服强度、弹性模量和强化模量等参数。通过材料非线性分析，可以深入了解结构在受力过程中材料进入塑性阶段后的力学性能变化，为结构的安全性评估提供更全面的依据。通过建立合理的有限元计算模型，并采用线性静力分析和非线性分析相结合的方法，可以全面、准确地分析大跨椭圆形弦支穹顶结构的力学性能，为结构的设计和施工提供可靠的理论依据。四、工程案例分析-以天津中医药大学体育馆为例4.1项目概况天津中医药大学体育馆坐落于天津市静海县，作为2017年第十三届全运会的重要比赛场馆之一，承载着举办篮球赛事等重要体育活动的使命，在赛事筹备与举办过程中发挥了关键作用。该项目凭借其独特的设计与卓越的建造质量，荣获2015年度“中国钢结构金奖”，彰显了其在建筑领域的杰出成就。从建筑规模来看，天津中医药大学体育馆总建筑面积达17420平方米，占地面积11015.8平方米。主体建筑为一层，局部四层，建筑高度24.3米。其平面形状呈椭圆形，长轴尺寸为92.2米，短轴为73米，矢高6.5米，这样的尺度规模使其内部空间宽敞开阔，能够满足大型体育赛事及各类活动的需求。在结构组成上，体育馆主体采用钢筋混凝土框架结构，为整个建筑提供了坚实稳定的基础支撑。屋盖部分则采用大跨椭圆形弦支穹顶结构，这也是该建筑的一大结构特色。屋盖通过弹簧支座支撑于内圈26根混凝土柱顶上，并与外围径向桁架连接成整体，形成了稳固的受力体系。支撑钢屋盖的混凝土柱共计58根，分为两圈布置，外圈柱32根，柱顶标高在16.13-21.89米之间；内圈柱26根，柱顶标高处于20.14-21.89米范围。在北侧场馆入口处，由于功能需求抽空6根柱的区域，采用了截面呈三角形、跨度为55.6米、高度为4.5米的加强桁架，以确保该区域的结构稳定性和空间完整性，满足场馆入口处大跨度、大空间的功能要求。从使用功能角度分析，该体育馆是甲级中型体育建筑，设计使用年限为50年。馆内中心区域为标准的篮球比赛场地，能够满足各类高水平篮球赛事的场地要求，为运动员提供了优质的比赛环境。周围环绕着阶梯式看台，可容纳5300多人，为观众提供了良好的观赛视野，能够营造热烈的赛事氛围。此外，该体育馆在满足体育赛事功能的基础上，还充分考虑了赛后的多功能利用。校方希望比赛结束后，场馆可以兼做礼堂、剧场，用于开学典礼、文艺节庆活动等。通过精确计量和灵活设计，将部分场地地板设计为可转换形式，在赛后可改为座席，同时场馆特别设计了一至二层的大台阶，为学生社团提供露天表演、展示的空间，大大提高了场馆的使用效率和多功能性，实现了体育场馆从赛时到赛后的功能转变与可持续利用。4.2结构设计要点天津中医药大学体育馆大跨椭圆形弦支穹顶结构的设计遵循了严格的设计准则和规范依据，同时在结构选型、荷载取值与组合以及计算模型与分析方法等方面具有独特的设计要点。在结构选型上，充分结合建筑功能和场地条件。体育馆作为举办体育赛事和活动的场所，需要开阔、无柱的大空间，以满足比赛和观众观赛的需求。大跨椭圆形弦支穹顶结构正好满足了这一功能要求，其独特的空间造型和结构体系，能够在大跨度范围内形成较为规整、无柱的大空间，为体育馆的功能布局提供了极大的便利。从场地条件来看，该体育馆位于天津中医药大学内，周边环境相对开阔，椭圆形的平面形状与周边环境相协调，同时也能够充分利用场地空间。在弦支体系布置方面，经过多方案对比分析，确定了最终的布置形式。下部索杆体系由4环环向拉索、5圈径向拉杆和81根竖向撑杆组成。这种布置形式使得索杆体系能够有效地协同工作，将上部网壳传来的荷载均匀地传递到下部支撑结构上。环向拉索和径向拉杆的布置，增强了结构的整体性和稳定性，竖向撑杆则起到了连接上部网壳和下部索杆体系的作用，使整个结构形成一个有机的整体。索的初始预应力大小通过理论分析和数值模拟进行优化确定。在设计过程中，利用有限元分析软件对不同初始预应力值下结构的受力性能进行了模拟分析，通过对比结构的变形、内力分布等指标，确定了合适的初始预应力值。合理的初始预应力能够有效地改善结构的受力状态，减小结构在荷载作用下的变形，提高结构的承载能力。撑杆的长度和位置也经过了精心设计。根据结构的受力要求和建筑空间布局，确定了撑杆的长度和位置，使其能够在保证结构受力合理的前提下，满足建筑空间的需求。撑杆的合理布置能够有效地减小网壳杆件的内力，提高结构的稳定性。荷载取值与组合严格按照相关规范进行。恒载包括结构自重和屋面材料重量等，根据结构构件的尺寸和材料密度进行计算。活载考虑了人员活动、设备重量等因素，根据体育馆的使用功能和相关规范取值。风荷载通过风洞试验确定，考虑了建筑的体型系数、风压高度变化系数等因素，准确地反映了风荷载对结构的作用。地震作用根据建筑所在地区的抗震设防烈度和场地类别，采用反应谱法进行计算。在荷载组合方面，考虑了多种荷载工况的组合，包括恒载与活载组合、恒载与风荷载组合、恒载与地震作用组合等，以确保结构在各种可能的荷载工况下都具有足够的安全性。计算模型采用有限元分析软件MIDAS/Gen800建立。在模型中，对不同构件采用了合理的单元类型进行模拟。对于上部网壳的钢结构构件，采用梁单元进行模拟，能够准确地模拟其受力和变形特性。下部索杆体系中的拉索采用只受拉单元模拟，撑杆采用杆单元模拟，符合其实际受力特点。边界条件根据结构的实际支撑情况进行设置，将结构与下部支撑结构的连接节点设置为固定铰支座或弹性支座，考虑了下部支撑结构的弹性变形对弦支穹顶结构的影响。在结构分析中，进行了线性静力分析和非线性分析。线性静力分析用于计算结构在各种荷载工况下的内力和变形，为结构设计提供基本数据。非线性分析考虑了几何非线性和材料非线性，更真实地反映了结构在大变形情况下的受力性能。通过非线性分析，能够发现结构在受力过程中的薄弱环节，为结构的优化设计提供依据。天津中医药大学体育馆大跨椭圆形弦支穹顶结构的设计要点充分考虑了结构的受力性能、建筑功能和场地条件等因素，通过合理的结构选型、荷载取值与组合以及精确的计算分析，确保了结构的安全性、可靠性和经济性。4.3施工过程与技术措施天津中医药大学体育馆大跨椭圆形弦支穹顶结构的施工过程复杂，涉及多个关键阶段和技术措施，各环节紧密相连，对施工精度和质量控制要求极高。在脚手架搭设阶段，经对扣件式钢管脚手架、碗扣式钢管脚手架、安德固脚手架和扣件式脚手架的综合比选，最终选用扣件式脚手架作为支撑体系。该工程的弦支穹顶结构上部单层网壳呈椭圆曲面，为便于施工，需根据穹顶曲面搭建塔梯，这就需要众多长度不一的立杆。扣件式脚手架立杆长度为0.5-3.0m，水平杆为0.3-2m，规格齐全，能有效解决立杆长度不一的问题。同时，它还能在高空两立杆间任意增设横杆钢梁，并在钢梁上增设立杆，可灵活避开竖向撑杆、径向拉杆和环向索，当支撑脚手架与弦支穹顶结构出现不适配时，仅需调整部分脚手架构件位置即可解决，极大地方便了施工。其稳定性好、承载力高、安全可靠且调节灵活方便，为后续施工创造了安全可靠的环境。脚手架主要承受钢屋盖荷载、三维调整转换装置、施工人员和设备等荷载。经计算，焊球处节点反力为16kN，三维调整转换装置荷载为0.65kN/m²，施工人员和设备荷载为3kN/m²，荷载组合的恒载分项系数取1.2，活载分项系数取1.4。计算结果表明，三维调整转换装置中工字钢的最大应力σmax为70.62N/mm²，小于钢材的抗弯强度设计值FM=205N/mm²；立杆支座力σ为107.2N/mm²，小于立杆的抗压强度设计值[f]=300N/mm²；地基承载力也满足要求。网壳拼装是施工的关键环节之一。该体育馆上部网壳由417个焊接球和1921个杆件组成，采用高空散装的施工方法。在支撑脚手架形成的操作平台上，设置三维调整转换装置。将网壳构件和焊球吊装至操作平台后，利用全站仪进行精准定位，通过反复测量、调整、纠偏，直至达到设计值后进行安装焊接。为保证安装精度，设定了三级控制网，搭建测量平台，并自行设计研制了三维可调节定位转换装置。在安装过程中，遵循随定随核、一步一核的原则，焊前与焊后都进行复核，整体完工后再次复核，预应力张拉前还要进行复核。网壳拼装完成后，经测量，纵横向长度偏差为5mm，最大挠度值为16mm，满足规范和设计要求。在焊接过程中，焊接球和杆件的连接共有3842道焊缝，设计等级为全熔透二级焊缝。焊前进行了焊接工艺评定，为减少焊接应力及变形，采取由外向内分环分区对称焊接的方式，全部焊缝经超声波探伤检测，合格率达到100%。索杆体系安装在网壳拼装完成后进行。竖向撑杆和径向拉杆与环向索同时安装，施工在支撑脚手架上完成。由于该工程椭球形网壳下挂高钒索，高钒索平面形状呈椭圆形，索张拉过程中摩擦力加大，预应力损失严重，各段索力不均，且高钒索最大直径为86mm，索重3.75t，挂索安装难度大，张拉最大应力为1801kN。为解决这些问题，对内圈高钒索结构进行了优化。内环索环半径小且设计呈六边形，原设计的50mm实心高钒索刚度大，折弯镶嵌入撑杆下预留空位施工困难。经有限元软件Midas仿真计算分析结构受力情况，对比拉索和拉杆性能后，将高钒索改为环向拉杆，降低了施工难度。预应力张拉是整个施工过程的核心环节，风险较大。经多种张拉方案比较优化，最终采用张拉“径向拉杆”的方法。通过Midas软件仿真计算，确定了每根杆件的张拉力和变形值。在张拉过程中，严格按照计算结果进行操作，采用先进的张拉设备，确保张拉力的准确性。同时，对张拉过程进行实时监测，利用传感技术、无线信息技术、信号处理技术将力变过程监测出来，实时掌握杆件的受力情况，将真实值与计算值进行比较，及时调整张拉过程，确保张拉施工的安全和质量。在整个施工过程中，还采用了信息化技术和BIM技术。利用BIM技术建立了网架和支撑架体模型，进行碰撞检验，规避了施工过程中支撑架体杆件与预应力杆件的碰撞问题，提前发现并解决了潜在的施工矛盾，提高了施工效率和质量。同时，采用先进的监测设备对施工过程中的关键部位和关键参数进行实时监测，包括结构的变形、应力等，确保施工过程中结构的安全和稳定。如在预应力张拉过程中，对索杆体系和网壳的应力、变形进行实时监测，根据监测数据及时调整张拉顺序和张拉力，保证结构在施工过程中的安全性和最终的成型效果。通过这些施工过程与技术措施的有效实施，确保了天津中医药大学体育馆大跨椭圆形弦支穹顶结构的顺利建成，为类似工程的施工提供了宝贵的经验。4.4施工监测与控制在天津中医药大学体育馆大跨椭圆形弦支穹顶结构的施工过程中，施工监测与控制是确保结构安全和施工质量的关键环节，主要涉及结构变形监测、应力监测以及基于监测结果的施工控制措施。在结构变形监测方面，采用全站仪进行高精度测量。在网壳拼装阶段，对417个焊接球和1921个杆件的空间位置进行实时监测。以焊接球节点为例，在每个焊接球上设置监测点，通过全站仪测量监测点的三维坐标，与设计坐标进行对比，及时发现并纠正拼装过程中的偏差。在索杆体系安装和预应力张拉阶段，重点监测结构关键部位的竖向位移和水平位移。例如，在网壳的中心区域、支撑点以及索杆体系的连接点等部位布置监测点，定期测量这些点的位移变化。通过建立变形监测数据与施工进度的对应关系，绘制变形-时间曲线，直观地反映结构在施工过程中的变形发展趋势。如在预应力张拉过程中，随着张拉力的逐渐施加，结构会发生一定的变形，通过监测数据可以及时掌握变形情况，确保变形在设计允许范围内。应力监测则利用应变片和应力传感器来实现。在网壳的关键杆件以及索杆体系的拉索和撑杆上粘贴应变片，将应变片连接到数据采集系统，实时采集应变数据，并根据材料的力学性能参数，计算出杆件的应力值。在索杆体系中，对于承受较大拉力的拉索，采用应力传感器直接测量索力。通过应力监测，能够实时了解结构在施工过程中的受力状态，及时发现应力集中和异常受力情况。比如，在施工过程中，如果发现某根杆件的应力值接近或超过设计允许值，就需要立即停止施工，分析原因并采取相应的措施进行调整，以保证结构的安全。基于监测结果的施工控制措施至关重要。在施工过程中，当监测数据显示结构变形或应力超出预警值时，及时调整施工方案。例如，在预应力张拉过程中，如果监测到某些杆件的应力增长过快或变形过大，就需要调整张拉顺序或张拉力大小。通过实时反馈调整，确保施工过程中结构的安全性和稳定性。在网壳拼装过程中，根据监测到的杆件位置偏差，及时调整拼装工艺，采用合适的定位和校正方法，保证网壳的拼装精度。同时，利用监测数据对结构的力学性能进行评估，验证设计的合理性。如果发现监测结果与设计预期存在较大差异，及时与设计人员沟通，对设计进行优化和调整。例如，在结构整体完工后，通过对变形和应力监测数据的分析，评估结构的实际承载能力和稳定性，为结构的验收和后续使用提供依据。通过全面、系统的施工监测与控制，天津中医药大学体育馆大跨椭圆形弦支穹顶结构在施工过程中实现了高精度的质量控制，确保了结构的安全可靠，为类似工程的施工监测与控制提供了宝贵的实践经验。4.5项目实施效果与经验总结天津中医药大学体育馆大跨椭圆形弦支穹顶结构项目在设计与施工过程中，通过严格遵循设计准则、精心规划施工流程并采用先进技术，取得了显著的实施效果，同时也积累了丰富的经验教训。从实施效果来看，该项目在结构性能方面表现出色。建成后的体育馆结构稳定，各项指标均满足设计和规范要求。在荷载作用下，结构的内力分布合理，变形控制在允许范围内。例如，在风荷载和地震作用的模拟分析中，结构能够保持良好的受力状态，未出现明显的应力集中和过大变形，充分验证了结构设计的合理性和可靠性。在空间利用上，大跨椭圆形弦支穹顶结构为体育馆创造了宽敞、无柱的大空间，满足了体育赛事和各类活动的需求。观众席的布局合理，观众能够获得良好的观赛视野；比赛场地开阔，为运动员提供了充足的活动空间。同时，场馆在赛后还能灵活转变功能，通过对部分场地地板的灵活设计，可兼做礼堂、剧场等，提高了场馆的使用效率和多功能性。从外观上看，该体育馆独特的“喜旋”造型，从底部到顶部螺旋状的外立面，充分展示了体育建筑的力量美与运动美，成为校园内的标志性建筑。其内部采用超白彩釉U型玻璃拼接而成的红色立体空间与外墙构成观众通道和休息区，象征着生命的力量，为场馆增添了独特的魅力。在施工过程中，通过采用先进的施工技术和严格的质量控制措施，确保了施工进度和质量。脚手架的合理选型为施工提供了安全可靠的工作平台；网壳拼装采用高空散装的施工方法，通过精确的测量和定位，保证了拼装精度，网壳拼装完成后纵横向长度偏差仅为5mm，最大挠度值为16mm，满足规范和设计要求。索杆体系安装和预应力张拉过程中，通过优化施工方案和实时监测，成功解决了高钒索安装与张拉的难题，确保了结构的最终成型效果。然而，该项目在实施过程中也遇到了一些问题，从中总结出了宝贵的经验教训。在结构设计方面，虽然通过多种分析方法确保了结构的安全性，但对于复杂的大跨椭圆形弦支穹顶结构，在某些特殊工况下的受力性能仍有待进一步深入研究。例如，在极端风荷载或地震作用下，结构的非线性行为可能更加复杂，需要更精确的分析模型和方法来评估结构的安全性。在施工过程中，虽然采用了先进的监测设备对施工过程进行实时监测，但监测数据的分析和反馈机制还可以进一步优化。在实际施工中，有时会出现监测数据与预期不符的情况，需要更快速、准确地分析原因并采取相应的调整措施，以确保施工安全和质量。此外，施工过程中各工种之间的协调配合也非常重要。大跨椭圆形弦支穹顶结构施工涉及多个专业和工种，如钢结构安装、索杆体系安装、预应力张拉等，各工种之间的交叉作业较多。在该项目中，虽然采取了一系列措施来协调各工种之间的工作，但仍存在一些沟通不畅和配合不够紧密的问题，影响了施工效率和质量。因此，在今后的类似工程中，需要进一步加强各工种之间的沟通与协作，建立更加完善的协调机制，确保施工过程的顺利进行。总体而言，天津中医药大学体育馆大跨椭圆形弦支穹顶结构项目的实施效果良好，为类似工程的设计与施工提供了重要的参考和借鉴。通过对该项目的经验总结，有助于进一步提高大跨椭圆形弦支穹顶结构的设计与施工水平，推动该结构形式在大型公共建筑中的广泛应用。五、大跨椭圆形弦支穹顶结构施工技术与工艺5.1施工流程与总体方案大跨椭圆形弦支穹顶结构的施工流程复杂且严谨，需经过多个关键阶段，每个阶段紧密相连，共同确保结构的顺利建成。以天津中医药大学体育馆为例，其施工流程主要包括以下几个关键环节。施工准备阶段是整个工程的基础，涵盖了场地平整、测量放线、材料与设备准备以及施工方案制定等多项重要工作。在场地平整方面，需确保施工现场地势平坦，无障碍物，为后续施工提供良好的作业条件。测量放线则是依据设计图纸，利用全站仪等高精度测量仪器，精确确定结构的平面位置和标高，为各构件的安装提供准确的定位依据。材料与设备准备至关重要，要确保钢结构构件、索杆体系、张拉设备等材料和设备的质量合格且数量充足。在天津中医药大学体育馆施工中，对采购的钢结构构件进行了严格的质量检验，包括钢材的材质检验、构件的尺寸精度检查等，确保其符合设计要求。施工方案制定则需综合考虑工程特点、施工条件和安全要求等因素，制定详细的施工组织设计和技术方案。例如，针对该体育馆大跨椭圆形弦支穹顶结构的特点，制定了合理的施工顺序和施工方法，明确了各阶段的施工任务和质量控制要点。脚手架搭设是施工过程中的重要环节，为后续的网壳拼装、索杆体系安装等工作提供安全可靠的操作平台。在天津中医药大学体育馆工程中，经对扣件式钢管脚手架、碗扣式钢管脚手架、安德固脚手架和扣件式脚手架的综合比选，最终选用扣件式脚手架作为支撑体系。扣件式脚手架立杆长度为0.5-3.0m，水平杆为0.3-2m，规格齐全，能有效解决因穹顶曲面搭设塔梯所需立杆长度不一的问题。同时，它还能在高空两立杆间任意增设横杆钢梁，并在钢梁上增设立杆，可灵活避开竖向撑杆、径向拉杆和环向索，当支撑脚手架与弦支穹顶结构出现不适配时，仅需调整部分脚手架构件位置即可解决，极大地方便了施工。其稳定性好、承载力高、安全可靠且调节灵活方便，为后续施工创造了安全可靠的环境。脚手架主要承受钢屋盖荷载、三维调整转换装置、施工人员和设备等荷载。经计算，焊球处节点反力为16kN，三维调整转换装置荷载为0.65kN/m²，施工人员和设备荷载为3kN/m²，荷载组合的恒载分项系数取1.2，活载分项系数取1.4。计算结果表明，三维调整转换装置中工字钢的最大应力σmax为70.62N/mm²，小于钢材的抗弯强度设计值FM=205N/mm²；立杆支座力σ为107.2N/mm²，小于立杆的抗压强度设计值[f]=300N/mm²；地基承载力也满足要求。网壳拼装是施工的关键步骤之一，直接影响到结构的整体质量和性能。天津中医药大学体育馆上部网壳由417个焊接球和1921个杆件组成，采用高空散装的施工方法。在支撑脚手架形成的操作平台上，设置三维调整转换装置。将网壳构件和焊球吊装至操作平台后，利用全站仪进行精准定位，通过反复测量、调整、纠偏，直至达到设计值后进行安装焊接。为保证安装精度，设定了三级控制网，搭建测量平台，并自行设计研制了三维可调节定位转换装置。在安装过程中，遵循随定随核、一步一核的原则，焊前与焊后都进行复核，整体完工后再次复核，预应力张拉前还要进行复核。网壳拼装完成后，经测量，纵横向长度偏差为5mm，最大挠度值为16mm，满足规范和设计要求。在焊接过程中，焊接球和杆件的连接共有3842道焊缝，设计等级为全熔透二级焊缝。焊前进行了焊接工艺评定，为减少焊接应力及变形，采取由外向内分环分区对称焊接的方式，全部焊缝经超声波探伤检测，合格率达到100%。索杆体系安装在网壳拼装完成后进行，也是施工的重要环节。竖向撑杆和径向拉杆与环向索同时安装，施工在支撑脚手架上完成。由于该工程椭球形网壳下挂高钒索，高钒索平面形状呈椭圆形，索张拉过程中摩擦力加大，预应力损失严重，各段索力不均，且高钒索最大直径为86mm，索重3.75t，挂索安装难度大，张拉最大应力为1801kN。为解决这些问题，对内圈高钒索结构进行了优化。内环索环半径小且设计呈六边形，原设计的50mm实心高钒索刚度大，折弯镶嵌入撑杆下预留空位施工困难。经有限元软件Midas仿真计算分析结构受力情况，对比拉索和拉杆性能后，将高钒索改为环向拉杆，降低了施工难度。预应力张拉是整个施工过程的核心环节，风险较大。经多种张拉方案比较优化，天津中医药大学体育馆最终采用张拉“径向拉杆”的方法。通过Midas软件仿真计算，确定了每根杆件的张拉力和变形值。在张拉过程中，严格按照计算结果进行操作，采用先进的张拉设备，确保张拉力的准确性。同时，对张拉过程进行实时监测，利用传感技术、无线信息技术、信号处理技术将力变过程监测出来，实时掌握杆件的受力情况，将真实值与计算值进行比较，及时调整张拉过程，确保张拉施工的安全和质量。施工总体方案的选择依据主要包括结构特点、施工条件和经济性等因素。大跨椭圆形弦支穹顶结构的独特形状和复杂构造，决定了其施工方法的特殊性。例如，由于网壳呈椭圆形曲面，采用高空散装的施工方法能够更好地适应其形状特点，保证安装精度。施工条件也是选择总体方案的重要依据，包括施工现场的场地条件、周边环境以及施工设备和人员的配备情况等。在天津中医药大学体育馆施工中，考虑到施工现场场地有限，大型吊装设备难以进场，因此选择了利用脚手架进行高空散装的施工方案。经济性因素同样不可忽视，在保证施工质量和安全的前提下，应选择成本较低的施工方案。通过对不同施工方案的成本分析，包括材料成本、设备租赁成本、人工成本等，选择了最经济合理的方案。例如，在脚手架选型时，通过对扣件式钢管脚手架、碗扣式钢管脚手架、安德固脚手架和扣件式脚手架的成本比较，最终选择了成本相对较低且性能满足要求的扣件式脚手架。综上所述，大跨椭圆形弦支穹顶结构的施工流程需严格按照各阶段的要求进行，施工总体方案的选择需综合考虑多方面因素，以确保施工的顺利进行和结构的质量安全。5.2脚手架选型与搭建在大跨椭圆形弦支穹顶结构施工中，脚手架的选型至关重要，不同类型的脚手架具有各自的特点和适用性，需综合多方面因素进行考量。扣件式钢管脚手架是应用较为广泛的一种脚手架类型，它具有搬运方便、通用性强以及成本低的优势。然而，在大跨椭圆形弦支穹顶结构施工中，其局限性也较为明显。该结构的弦杆呈立体姿态，且穹顶为曲面，扣件式钢管脚手架很难适应这种复杂的空间变化。若使用该类型脚手架，为满足施工需求，可能需要切割和更换大量钢管，这不仅会造成材料的大量浪费，还会增加施工成本和时间成本。此外，频繁切割和更换钢管会对脚手架的结构稳定性产生不利影响，难以保证施工过程中的安全性。碗扣式脚手架的碗扣接头结构较为合理，轴力可由立杆直接传递，这使得其结构强度较高，整体性较好，在一定程度上能满足施工安全的需要。在天津周边地区，碗扣式脚手架的生产厂家众多。但在长期施工实践中发现，租赁单位从多家厂家购买产品或为一个项目租赁多批产品后，产品质量标准和制造精度难以统一。杆件和碗扣混用，横杆接头上的牙印误差、水平杆的长度误差、立杆上碗扣的间距误差以及上下碗扣齿痕的宽度和深度不匹配等问题较为常见，这些问题会导致脚手架碗扣紧固力不足，整体稳定性变差，给施工带来较大的安全隐患。另外，施工单位租赁后若出现杆件损失，通过自行重组弥补数量，会进一步增大杆件加工质量误差，难以保证网壳的组装精度。安德固脚手架能满足大跨椭圆形弦支穹顶结构施工的使用要求，不存在上述扣件式钢管脚手架和碗扣式脚手架的缺点。国内目前缺乏针对安德固脚手架的行业规范和标准，这使得在施工过程中，与业主、监理和施工单位以及政府相关管理部门进行检查和沟通时存在不便。在一些工程中，由于规范和标准的缺失，对于安德固脚手架的验收和质量评估缺乏明确依据，容易引发争议，影响施工进度和工程质量。以天津中医药大学体育馆为例，该工程最终选用扣件式脚手架作为支撑体系。其立杆长度为0.5-3.0m，水平杆为0.3-2m，规格齐全，这一特点在满足大跨椭圆形弦支穹顶结构施工需求方面具有显著优势。由于上部单层网壳呈椭圆形曲面，为便于施工，需按照穹顶曲面搭设塔梯，这就需要众多长度不一的立杆。扣件式脚手架丰富的规格能够很好地解决立杆长度不一的问题，无需对杆件进行大量切割和改造，减少了材料浪费和施工成本。同时，它还具备灵活的杆件布置能力，能在高空两立杆间任意增设横杆钢梁，并在钢梁上增设立杆。在遇到竖向撑杆、径向拉杆和环向索时，可通过调整杆件位置灵活避开，当支撑脚手架与弦支穹顶结构出现不适配时，仅需调整部分脚手架构件位置即可解决问题，极大地提高了施工的便利性和效率。其稳定性好、承载力高、安全可靠且调节灵活方便，为环向索、竖向撑杆、径向拉杆的安装和预应力张拉施工创造了安全可靠的施工环境。在搭建扣件式脚手架时，首先要依据施工方案和设计图纸，准确测量定位，确定脚手架的搭设位置和范围。基础应坚实、平整，必要时需进行加固处理，以确保脚手架的稳定性。按照设计要求，将立杆、水平杆、斜杆等构配件进行组装，立杆应垂直，水平杆应水平，各杆件之间的连接应牢固可靠。在天津中医药大学体育馆施工中，严格控制立杆的垂直度偏差在允许范围内，确保每根立杆都能均匀承受荷载。在组装过程中，要注意扣件的拧紧程度，使用扭矩扳手按照规定的扭矩值进行拧紧，以保证节点的连接强度。同时，要设置足够的连墙件，将脚手架与主体结构可靠连接，增强脚手架的整体稳定性。对于高度较高或荷载较大的部位，还应增设斜撑和剪刀撑，以提高脚手架的抗倾覆能力。在搭设过程中，要随时进行检查和校正，确保脚手架的搭设质量符合要求。在搭建过程中，还需注意以下事项。严禁使用有明显变形、裂纹、锈蚀等缺陷的构配件，这些缺陷会严重影响脚手架的承载能力和安全性。在脚手架上进行高处作业时，作业人员必须系好安全带，设置安全网等防护设施，防止发生坠落事故。在恶劣天气条件下，如大风、暴雨、大雾等，应停止脚手架的搭设作业，避免因天气原因导致安全事故。在脚手架使用过程中，要定期进行检查和维护，及时发现并处理松动、变形等问题，确保脚手架始终处于安全可靠的状态。5.3网壳拼装与安装技术大跨椭圆形弦支穹顶结构的网壳拼装与安装技术是确保结构整体质量和性能的关键环节，涉及构件加工制作、运输、现场拼装以及安装精度控制等多个方面。在网壳构件加工制作阶段，精度控制极为重要。以天津中医药大学体育馆为例，其上层网壳采用超大空心加肋焊接球和空心杆件焊接而成。对于焊接球的加工，首先依据设计图纸精确计算其尺寸，包括直径、壁厚等参数。在加工过程中，利用高精度的数控机床进行球体的车削加工，确保球体的圆度误差控制在极小范围内，一般要求圆度偏差不超过±0.5mm。同时，严格控制焊接球上螺栓孔的位置精度，采用先进的钻孔设备，保证螺栓孔的位置偏差在±0.3mm以内，以确保杆件与焊接球连接的准确性。对于空心杆件，采用自动化的钢管切割设备，按照设计长度进行切割，长度误差控制在±1mm以内。杆件两端的坡口加工也需严格按照设计要求进行，坡口角度误差控制在±2°以内，以保证焊接质量。在焊接工艺方面，对焊工进行严格的培训和考核，要求焊工具备相应的资质和丰富的焊接经验。采用先进的焊接设备和工艺，如二氧化碳气体保护焊，在焊接过程中严格控制焊接电流、电压和焊接速度等参数，确保焊缝的质量。对所有焊缝进行100%的超声波探伤检测，确保焊缝的内部质量符合设计要求，如天津中医药大学体育馆网壳焊接球和杆件连接的3842道焊缝，经超声波探伤检测，合格率达到100%。网壳构件的运输同样不容忽视。由于大跨椭圆形弦支穹顶结构的网壳构件尺寸较大、重量较重，在运输前需制定详细的运输方案。根据构件的尺寸和重量，选择合适的运输车辆和装卸设备。对于超长、超重的杆件，采用专门的平板拖车进行运输，并在运输过程中设置可靠的固定装置，防止构件在运输途中发生位移和碰撞。在装卸过程中，使用大型起重机进行操作，确保构件的平稳起吊和放置。例如，对于天津中医药大学体育馆中长度超过10m的杆件，采用50吨以上的起重机进行装卸作业，同时在构件与起重机吊钩之间设置缓冲垫，避免因吊装过程中的碰撞而损坏构件。现场拼装是网壳安装的重要步骤。天津中医药大学体育馆采用高空散装的施工方法，在支撑脚手架形成的操作平台上进行拼装作业。首先，在操作平台上设置三维调整转换装置，利用全站仪对网壳构件和焊球进行精准定位。全站仪通过测量已知控制点和构件上的测量点之间的角度和距离，计算出构件的实际位置，并与设计位置进行对比。当发现位置偏差时，通过三维调整转换装置对构件进行调整，包括水平方向的平移和垂直方向的升降，以及绕坐标轴的旋转，直至构件的位置达到设计值。在调整过程中，采用高精度的测量仪器进行实时监测，确保调整的准确性。例如，在天津中医药大学体育馆网壳拼装过程中，通过全站仪对每个焊接球节点的三维坐标进行测量，与设计坐标进行对比，误差控制在±3mm以内。在安装过程中，遵循严格的测量和复核流程。每安装一个构件，都要进行测量和复核，确保其位置和尺寸符合设计要求。焊前与焊后都进行复核，检查构件的焊接变形情况，如发现变形超出允许范围，及时采取矫正措施。整体完工后再次复核，对整个网壳的外形尺寸、挠度等进行全面检查。预应力张拉前还要进行复核，确保网壳在张拉前的状态满足设计要求。例如，天津中医药大学体育馆网壳拼装完成后，经测量，纵横向长度偏差为5mm，最大挠度值为16mm，满足规范和设计要求。为保证安装精度，还采取了一系列质量控制措施。设定三级控制网，搭建测量平台，为全站仪等测量仪器提供稳定的测量基准。自行设计研制三维可调节定位转换装置，提高构件定位和调整的灵活性和准确性。在安装过程中，遵循随定随核、一步一核的原则，及时发现并纠正安装过程中的偏差。加强对施工人员的培训和管理，提高施工人员的质量意识和操作技能，确保施工过程严格按照施工方案和操作规程进行。大跨椭圆形弦支穹顶结构的网壳拼装与安装技术通过对构件加工制作、运输、现场拼装以及安装精度控制等环节的严格把控，确保了网壳安装的精度和质量，为整个弦支穹顶结构的安全可靠提供了有力保障。5.4索杆体系安装与预应力张拉索杆体系安装与预应力张拉是大跨椭圆形弦支穹顶结构施工的关键环节，直接影响结构的最终受力性能和稳定性。以天津中医药大学体育馆为例，深入剖析这一过程的技术要点与施工工艺。在索杆体系安装顺序上，竖向撑杆和径向拉杆与环向索同时安装，整个施工过程在支撑脚手架上完成。先安装竖向撑杆，将其上端与上层网壳对应的各环节点进行铰接连接，确保连接的牢固性和准确性。例如，在天津中医药大学体育馆施工中，采用高精度的测量仪器对竖向撑杆的安装位置进行定位，保证其垂直度偏差控制在极小范围内，一般要求垂直度偏差不超过±5mm。竖向撑杆安装完成后，安装径向拉杆。将径向拉杆的一端与竖向撑杆下端连接，另一端与单层网壳的下一环节点连接，通过调整拉杆的长度和角度，使其达到设计的受力状态。在安装过程中，利用拉力计等工具对径向拉杆的拉力进行实时监测，确保拉力符合设计要求。环向索的安装相对复杂，由于该工程椭球形网壳下挂高钒索，且高钒索平面形状呈椭圆形，给安装带来了较大难度。在安装时，先将环向索的一端固定在预定位置，然后通过牵引设备将索逐步展开并安装到位。在天津中医药大学体育馆施工中，针对高钒索最大直径为86mm，索重3.75t的情况，采用了大型起重机配合专用的索具进行安装，确保索的顺利就位。在安装过程中，要注意索的弯曲半径和受力情况，避免索体受到损伤。预应力张拉是索杆体系施工的核心环节，其控制策略和施工工艺至关重要。经多种张拉方案比较优化，天津中医药大学体育馆最终采用张拉“径向拉杆”的方法。在确定张拉力和张拉顺序时，通过Midas软件仿真计算，全面考虑结构的受力特性、变形要求以及施工过程中的各种因素，精确确定每根杆件的张拉力和变形值。例如，根据结构的力学分析，确定不同位置径向拉杆的张拉力在100-500kN之间，张拉顺序按照从内向外、对称张拉的原则进行。在张拉过程中，严格按照计算结果进行操作，采用先进的张拉设备，如液压千斤顶等，确保张拉力的准确性。同时，利用传感技术、无线信息技术、信号处理技术等对张拉过程进行实时监测，将力变过程监测出来，实时掌握杆件的受力情况。在天津中医药大学体育馆预应力张拉过程中，在每根径向拉杆上安装了高精度的压力传感器，将拉力数据实时传输到监控中心，与计算值进行比较。当发现实际拉力与计算值偏差超过允许范围时，及时调整张拉过程，如调整张拉速度、暂停张拉进行检查等，确保张拉施工的安全和质量。在张拉过程中，还需注意一些技术要点。张拉设备在使用前需进行校准和调试，确保其性能可靠，测量精度满足要求。例如，液压千斤顶的校准精度要求达到±1%。张拉过程要缓慢、均匀进行，避免突然加载或卸载，防止结构产生过大的应力和变形。在天津中医药大学体育馆预应力张拉时，控制张拉速度为每分钟0.5-1kN，确保结构受力平稳。同时，要对张拉过程中的结构变形进行监测，利用全站仪等测量仪器，对网壳的关键节点位移进行实时测量。如果发现结构变形异常，如位移超过设计允许值，应立即停止张拉，分析原因并采取相应的措施进行调整。此外，在张拉完成后，要对索杆体系的内力和变形进行复测，确保其符合设计要求。在天津中医药大学体育馆施工中，张拉完成后，对索杆体系的内力进行了全面检测，结果显示内力偏差均在允许范围内，结构变形也满足设计要求。索杆体系安装与预应力张拉通过合理的安装顺序、精确的张拉力和张拉顺序控制以及严格的施工过程监测，确保了大跨椭圆形弦支穹顶结构的施工质量和最终受力性能，为结构的安全可靠提供了有力保障。5.5施工过程中的质量控制与安全措施在大跨椭圆形弦支穹顶结构的施工过程中，质量控制与安全措施至关重要，直接关系到工程的顺利进行以及结构的安全性和稳定性。在质量控制方面，施工过程中可能出现多种质量问题。焊接质量问题较为常见，如焊缝存在气孔、夹渣、未焊透等缺陷。以天津中医药大学体育馆网壳焊接为例，焊接球和杆件连接的3842道焊缝，若焊接工艺控制不当，就可能出现上述缺陷。这些缺陷会削弱焊缝的强度，降低结构的承载能力，在荷载作用下容易引发焊缝开裂，导致结构破坏。为控制焊接质量，焊前需进行严格的焊接工艺评定，确定合适的焊接参数，如焊接电流、电压、焊接速度等。在天津中医药大学体育馆施工中，针对不同的焊接位置和构件，进行了多组焊接工艺评定试验，根据试验结果确定了最优的焊接参数。焊接过程中，要严格按照工艺要求进行操作，采用合适的焊接顺序和方法，减少焊接应力及变形。该体育馆采取由外向内分环分区对称焊接的方式，有效减少了焊接应力和变形。同时，对所有焊缝进行100%的超声波探伤检测，确保焊缝质量符合设计要求，天津中医药大学体育馆网壳焊缝经检测合格率达到100%。安装精度偏差也是施工中可能出现的质量问题。大跨椭圆形弦支穹顶结构的安装精度要求较高，如天津中医药大学体育馆在网壳拼装过程中，纵横向长度偏差要求控制在一定范围内，最大挠度值也有严格规定。若安装过程中测量不准确、定位不精准或施工人员操作不当，就可能导致安装精度偏差。这会影响结构的受力性能，使结构内力分布不均匀，降低结构的稳定性。为保证安装精度，需设定三级控制网，搭建测量平台，采用高精度的测量仪器，如全站仪进行实时监测。在天津中医药大学体育馆施工中，利用全站仪对网壳构件和焊球进行精准定位，通过反复测量、调整、纠偏，确保安装精度。同时，自行设计研制三维可调节定位转换装置，提高构件定位和调整的灵活性和准确性。在安装过程中，遵循随定随核、一步一核的原则，及时发现并纠正安装过程中的偏差。材料质量问题同样不容忽视。钢结构构件、索杆体系等材料的质量直接影响结构的性能。若材料的强度、刚度等性能指标不满足设计要求，如钢材的屈服强度不足，在荷载作用下就容易发生塑性变形，甚至导致结构破坏。在天津中医药大学体育馆施工中，对采购的钢结构构件进行了严格的质量检验，包括钢材的材质检验、构件的尺寸精度检查等。对索杆体系的材料，如高钒索等，也