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【摘 要】 为了适应经济的发展的需要，人们需求一种具有大空间、受力合理、经济美观特点的房屋结构形式，弦支穹顶（suspen-dome）便是适应这种趋势应运而生的新型复合空间体系。本文通过常熟某工程弦支穹顶屋盖钢结构安装工程来探讨下安装过程中特别是拉索现场施工过程遇到的重点、难点以及解决方案。
【关键词】 弦支穹顶；预应力钢结构；拉索
【中图分类号】 TU721.4 【文献标识码】 A 【文章编号】 1727-5123（2013）06-046-02
随着社会经济和文化的发展，已有的房屋结构的跨度和建筑造型不能满足经济发展的需求，在这种需求的推动下，空间结构体系的发展得到极大的推动。空间结构为三维受力体系，能有效优化体系的传力形式，具有重量轻，跨度大，造型美观，施工便捷的特点。习惯上空间结构可以划分为钢筋混凝土薄壳结构、平板网架结构、网壳结构、悬索结构、膜结构和索-膜结构以及混合结构等。
弦支穹顶结构是由日本学者川口卫等学者在1993年提出的一种新型的空间复合结构体系，它由上部的单层球面网壳、下部的预应力环索、拉索以及联系两者的撑杆组成。弦支穹顶结构综合了索穹顶和网壳结构的优点，同时弥补了各自的缺点。它改善了单层网壳结构的稳定性，使结构可以跨越更大的跨度，同时又有一定的初始刚度，比索穹顶结构更容易施工。
弦支穹顶结构的力学原理为通过对下部张拉整体部分施加预应力增强单层网壳结构的刚度，以改善结构受力性能，因此张拉整体部分的预应力设计是该类设计的关键。但是涉及到弦支穹顶屋盖由图纸变为实物，我们还要对施工全过程及控制理论进行分析，并根据自己的实际情况选择合适的安装方案。
1 工程概况
常熟市体育中心期体育馆位于常熟市体育中心内，总建筑面积32249m2，建筑为地上三层，局部四层，为钢筋混凝土+钢结构形式。屋面外形呈海螺状，建成后将成为集体育比赛、健身、娱乐、展览、休闲、城市景观于一体的公共体育文化活动中心，其中钢结构部分共包括有2个单体工程，分别为比赛馆、训练馆。其中比赛馆屋盖结构采用了弦支穹顶结构作为屋面的承重结构。
本工程主体钢结构即弦支穹顶部分通过外环桁架与下部混凝土圈梁相连，弦支穹顶的边界节点与环形桁架的上弦节点通过焊接球节点连接，环形桁架的下弦节点与混凝土柱的连接采用焊接球支座形式，共设24个支座。下部索杆体系采用Geiger型索系，由环索、径向索和撑杆构成，共设6圈。其中环索为平行钢丝束，径向索为钢拉杆，撑杆采用圆钢管，上端与网壳采用球铰节点，下端与索夹固接。
2 弦支穹顶钢结构屋盖基本安装程序
根据屋盖的外形特点，采用布置满堂脚手架高空散装的安装方案。
3 拉索施工难点分析
3.1 拉索张拉方法。本工程拉索体量大、分布面广，且由径向钢拉杆、环向索及撑杆组成了整体张拉索杆体系。首先，拉索施工应穿插于单层网壳结构的安装施工中，与普通钢结构的施工顺序、方法和工艺密切相关。其次，弦支穹顶屋盖预应力的建立方法不同于普通预应力钢结构。由于张拉整体索杆体系中的径向钢拉杆、环向索及撑杆为一有机整体，索力与撑杆内力是密切相关的，相互影响、互为依托。对其中任何一个进行张拉，也可在其它中建立相应的预应力，也就是说能达到同样的预应力效果。因此本工程须进行详尽的考虑和分析，根据工程的特点，选择合理的张拉方法，以便确定具体施工中采用的节点构造、张拉机具、施工工艺。同时，在满足在结构中建立设计所要求的预应力的基础上，考虑施工方便、节点构造简单、美观、容易控制误差和环索线形等方面，降低施工难度。
此外，对于本工程而言，不论采取何种拉索张拉方法，一般均不可能对所有拉索同时同步施加预应力，通常的做法是采取分批分级的办法来实现。当结构较柔时，拉索分批分级张拉会因张拉先后顺序和张拉力级别的不同，导致群索之间的索力相互影响较大。因此，需对本工程进行张拉施工全过程的分析，来确定合理的张拉方案。
3.2 节点设计。本工程撑杆下端索夹节点空间性强、受力复杂、空间定位要求准，且径向钢拉杆为Geiger型索系，对索夹上耳板方向和角度的定位要求较高。因此，进行索夹节点构造设计时，除需考虑准确定位和受力安全外，还应满足拉索实际施工的要求（包括拉索安装和张拉）。同时，对于撑杆上端节点，设计初步给定了球铰节点形式，因此在选择拉索张拉方法时应考虑这一特点。
3.3 支座形式对结构施工的影响。支座形式的选择在施工阶段主要考虑预应力的效率及张拉时预应力自平衡的建立，此外也考虑施工阶段张拉控制的难度。
3.4 支架对结构预应力态的影响。本工程屋盖上部网壳安装时搭设了满堂脚手架，在拉索张拉时有两种选择，一是保留支架，待拉索张拉完毕后再拆除支架。二是拆除所有支架后再进行拉索张拉。前者可确保施工阶段结构的安全性，防止发生意外事故，但若张拉过程中屋盖始终不脱架，那么支架将会对施工过程中索力和结构变形产生一定的影响。而对于后者，因本屋盖网壳矢跨比较小（1/10），在形成整体结构（弦支穹顶）之前拆除支架，屋盖将产生较大的结构变形和支座反力，对自身结构和下部支承体系都不利。因此，需比较两种情况下结构的受力性能，以选择相对合适的张拉方案
4 拉索难点解决措施
4.1 根据本工程的情况，撑杆调节法、环向索张拉法和径向索张拉法等张拉方法都可以采用，但是经详细的结构分析和方案对比，综合施工控制方面的因素，最终确定采用径向钢拉杆张拉法在结构中建立所需的预应力，即拉索张拉主要是主动张拉径向钢拉杆。
4.2 支座形式的选择上，本工程采用的是沿径向可滑动铰支座（个别支座固定）。一般来说，为提高预应力效率，在施工阶段，特别是在预应力张拉阶段，预应力空间钢屋盖结构允许支座滑动，从而使预应力完全建立在屋盖结构中，形成预应力自平衡体系，避免下部结构对预应力的损耗。 4.3 为了避免支架对索力和结构的影响，同时保证施工阶段的安全性。拉索的张拉分为两个阶段，第一个阶段张拉前，网壳必须安装成型，张拉在有支架的条件下由外圈向内圈进行。第二阶段张拉前，支架主动脱离结构，在无支架的条件下由内圈向外圈进行第二阶段张拉，以避免支架对张拉的影响。
5 拉索施工总体方案
根据对本工程弦支穹顶钢结构屋盖的工程特点、难点的分析，结合现场施工控制的需要，拿出了拉索施工解决的方案和措施，由此我们能够把握拉索施工的总体原则和顺序。
现场拉索施工主要包括两个方面：拉索的安装和张拉
5.1 拉索的安装。拉索安装顺序随着网壳拼装过程进行的，撑杆、径向钢拉杆和环索依次从内环向外环安装。同一环内，先安装撑杆，再安装索夹和环向索，最后安装径向钢拉杆。拉索安装前，先对环索、径向钢拉杆、环索索夹进行编号，特别要精确定好各个构件的初始无应力长度，对环索还应确定好索夹位置和各索段的长度，并做好标记。同时测量索端实际距离，以考虑结构安装偏差，调整索长。拉索安装基本完成后，还需对施工现场钢结构主要节点位置进行实测，根据实际安装偏差对拉索索长及索夹位置进行微调。等所有预应力拉索索系的各个构件安装调整完毕后再实施张拉。拉索安装工序及进行张拉前的初步调整将会大大影响拉索张拉的进程和施工质量。
5.2 拉索的张拉。张拉前整个体育馆屋盖钢结构应全部安装完成，合拢为一整体。直接和径向钢拉杆、撑杆相连的网壳节点，其空间坐标精度需严格控制。节点上与索相连的耳板方向也应严格控制，以免影响拉索施工和结构受力。为了保证张拉顺利进行，模拟张拉过程，进行施工全过程力学分析，预控在先。拉索张拉控制采用双控原则：控制结构内力和变形，其中以控制张拉点索力为主。
6 工程结论
本工程的屋盖跨度为95米，网壳结构难以保证大跨度钢结构的稳定性，使用索穹顶又对施工过程中控制提出很高的要求。但是采用弦支穹顶结构屋盖跨度能够满足场馆的使用要求，在施工控制、节点设计等方面由于用网壳结构代替了索穹顶的上部结构，大大降低设计分析难度和施工难度。本工程使用弦支穹顶这种新型的刚柔兼具的新型的空间结构，不仅仅完美的完成了业主对于建筑的使用要求，在新型结构的应用方面也作出了贡献，常熟项目比赛馆屋盖是国内前十的弦支穹顶钢结构项目。
7 弦支穹顶的前景展望
弦支穹顶结构作为一种新型空间结构，具有跨度宏伟、造型明快、施工方便和富于时代气息等鲜明的结构特点，而这种特点能够满足现代社会对于建筑的要求。我们可以预期随着弦支穹顶技术的成熟，在未来会出现在更多的体育场馆、商务展览、交通设施等建筑上。
【关键词】 弦支穹顶；预应力钢结构；拉索
【中图分类号】 TU721.4 【文献标识码】 A 【文章编号】 1727-5123（2013）06-046-02
随着社会经济和文化的发展，已有的房屋结构的跨度和建筑造型不能满足经济发展的需求，在这种需求的推动下，空间结构体系的发展得到极大的推动。空间结构为三维受力体系，能有效优化体系的传力形式，具有重量轻，跨度大，造型美观，施工便捷的特点。习惯上空间结构可以划分为钢筋混凝土薄壳结构、平板网架结构、网壳结构、悬索结构、膜结构和索-膜结构以及混合结构等。
弦支穹顶结构是由日本学者川口卫等学者在1993年提出的一种新型的空间复合结构体系，它由上部的单层球面网壳、下部的预应力环索、拉索以及联系两者的撑杆组成。弦支穹顶结构综合了索穹顶和网壳结构的优点，同时弥补了各自的缺点。它改善了单层网壳结构的稳定性，使结构可以跨越更大的跨度，同时又有一定的初始刚度，比索穹顶结构更容易施工。
弦支穹顶结构的力学原理为通过对下部张拉整体部分施加预应力增强单层网壳结构的刚度，以改善结构受力性能，因此张拉整体部分的预应力设计是该类设计的关键。但是涉及到弦支穹顶屋盖由图纸变为实物，我们还要对施工全过程及控制理论进行分析，并根据自己的实际情况选择合适的安装方案。
1 工程概况
常熟市体育中心期体育馆位于常熟市体育中心内，总建筑面积32249m2，建筑为地上三层，局部四层，为钢筋混凝土+钢结构形式。屋面外形呈海螺状，建成后将成为集体育比赛、健身、娱乐、展览、休闲、城市景观于一体的公共体育文化活动中心，其中钢结构部分共包括有2个单体工程，分别为比赛馆、训练馆。其中比赛馆屋盖结构采用了弦支穹顶结构作为屋面的承重结构。
本工程主体钢结构即弦支穹顶部分通过外环桁架与下部混凝土圈梁相连，弦支穹顶的边界节点与环形桁架的上弦节点通过焊接球节点连接，环形桁架的下弦节点与混凝土柱的连接采用焊接球支座形式，共设24个支座。下部索杆体系采用Geiger型索系，由环索、径向索和撑杆构成，共设6圈。其中环索为平行钢丝束，径向索为钢拉杆，撑杆采用圆钢管，上端与网壳采用球铰节点，下端与索夹固接。
2 弦支穹顶钢结构屋盖基本安装程序
根据屋盖的外形特点，采用布置满堂脚手架高空散装的安装方案。
3 拉索施工难点分析
3.1 拉索张拉方法。本工程拉索体量大、分布面广，且由径向钢拉杆、环向索及撑杆组成了整体张拉索杆体系。首先，拉索施工应穿插于单层网壳结构的安装施工中，与普通钢结构的施工顺序、方法和工艺密切相关。其次，弦支穹顶屋盖预应力的建立方法不同于普通预应力钢结构。由于张拉整体索杆体系中的径向钢拉杆、环向索及撑杆为一有机整体，索力与撑杆内力是密切相关的，相互影响、互为依托。对其中任何一个进行张拉，也可在其它中建立相应的预应力，也就是说能达到同样的预应力效果。因此本工程须进行详尽的考虑和分析，根据工程的特点，选择合理的张拉方法，以便确定具体施工中采用的节点构造、张拉机具、施工工艺。同时，在满足在结构中建立设计所要求的预应力的基础上，考虑施工方便、节点构造简单、美观、容易控制误差和环索线形等方面，降低施工难度。
此外，对于本工程而言，不论采取何种拉索张拉方法，一般均不可能对所有拉索同时同步施加预应力，通常的做法是采取分批分级的办法来实现。当结构较柔时，拉索分批分级张拉会因张拉先后顺序和张拉力级别的不同，导致群索之间的索力相互影响较大。因此，需对本工程进行张拉施工全过程的分析，来确定合理的张拉方案。
3.2 节点设计。本工程撑杆下端索夹节点空间性强、受力复杂、空间定位要求准，且径向钢拉杆为Geiger型索系，对索夹上耳板方向和角度的定位要求较高。因此，进行索夹节点构造设计时，除需考虑准确定位和受力安全外，还应满足拉索实际施工的要求（包括拉索安装和张拉）。同时，对于撑杆上端节点，设计初步给定了球铰节点形式，因此在选择拉索张拉方法时应考虑这一特点。
3.3 支座形式对结构施工的影响。支座形式的选择在施工阶段主要考虑预应力的效率及张拉时预应力自平衡的建立，此外也考虑施工阶段张拉控制的难度。
3.4 支架对结构预应力态的影响。本工程屋盖上部网壳安装时搭设了满堂脚手架，在拉索张拉时有两种选择，一是保留支架，待拉索张拉完毕后再拆除支架。二是拆除所有支架后再进行拉索张拉。前者可确保施工阶段结构的安全性，防止发生意外事故，但若张拉过程中屋盖始终不脱架，那么支架将会对施工过程中索力和结构变形产生一定的影响。而对于后者，因本屋盖网壳矢跨比较小（1/10），在形成整体结构（弦支穹顶）之前拆除支架，屋盖将产生较大的结构变形和支座反力，对自身结构和下部支承体系都不利。因此，需比较两种情况下结构的受力性能，以选择相对合适的张拉方案
4 拉索难点解决措施
4.1 根据本工程的情况，撑杆调节法、环向索张拉法和径向索张拉法等张拉方法都可以采用，但是经详细的结构分析和方案对比，综合施工控制方面的因素，最终确定采用径向钢拉杆张拉法在结构中建立所需的预应力，即拉索张拉主要是主动张拉径向钢拉杆。
4.2 支座形式的选择上，本工程采用的是沿径向可滑动铰支座（个别支座固定）。一般来说，为提高预应力效率，在施工阶段，特别是在预应力张拉阶段，预应力空间钢屋盖结构允许支座滑动，从而使预应力完全建立在屋盖结构中，形成预应力自平衡体系，避免下部结构对预应力的损耗。 4.3 为了避免支架对索力和结构的影响，同时保证施工阶段的安全性。拉索的张拉分为两个阶段，第一个阶段张拉前，网壳必须安装成型，张拉在有支架的条件下由外圈向内圈进行。第二阶段张拉前，支架主动脱离结构，在无支架的条件下由内圈向外圈进行第二阶段张拉，以避免支架对张拉的影响。
5 拉索施工总体方案
根据对本工程弦支穹顶钢结构屋盖的工程特点、难点的分析，结合现场施工控制的需要，拿出了拉索施工解决的方案和措施，由此我们能够把握拉索施工的总体原则和顺序。
现场拉索施工主要包括两个方面：拉索的安装和张拉
5.1 拉索的安装。拉索安装顺序随着网壳拼装过程进行的，撑杆、径向钢拉杆和环索依次从内环向外环安装。同一环内，先安装撑杆，再安装索夹和环向索，最后安装径向钢拉杆。拉索安装前，先对环索、径向钢拉杆、环索索夹进行编号，特别要精确定好各个构件的初始无应力长度，对环索还应确定好索夹位置和各索段的长度，并做好标记。同时测量索端实际距离，以考虑结构安装偏差，调整索长。拉索安装基本完成后，还需对施工现场钢结构主要节点位置进行实测，根据实际安装偏差对拉索索长及索夹位置进行微调。等所有预应力拉索索系的各个构件安装调整完毕后再实施张拉。拉索安装工序及进行张拉前的初步调整将会大大影响拉索张拉的进程和施工质量。
5.2 拉索的张拉。张拉前整个体育馆屋盖钢结构应全部安装完成，合拢为一整体。直接和径向钢拉杆、撑杆相连的网壳节点，其空间坐标精度需严格控制。节点上与索相连的耳板方向也应严格控制，以免影响拉索施工和结构受力。为了保证张拉顺利进行，模拟张拉过程，进行施工全过程力学分析，预控在先。拉索张拉控制采用双控原则：控制结构内力和变形，其中以控制张拉点索力为主。
6 工程结论
本工程的屋盖跨度为95米，网壳结构难以保证大跨度钢结构的稳定性，使用索穹顶又对施工过程中控制提出很高的要求。但是采用弦支穹顶结构屋盖跨度能够满足场馆的使用要求，在施工控制、节点设计等方面由于用网壳结构代替了索穹顶的上部结构，大大降低设计分析难度和施工难度。本工程使用弦支穹顶这种新型的刚柔兼具的新型的空间结构，不仅仅完美的完成了业主对于建筑的使用要求，在新型结构的应用方面也作出了贡献，常熟项目比赛馆屋盖是国内前十的弦支穹顶钢结构项目。
7 弦支穹顶的前景展望
弦支穹顶结构作为一种新型空间结构，具有跨度宏伟、造型明快、施工方便和富于时代气息等鲜明的结构特点，而这种特点能够满足现代社会对于建筑的要求。我们可以预期随着弦支穹顶技术的成熟，在未来会出现在更多的体育场馆、商务展览、交通设施等建筑上。