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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(guān)施工技術(shù)。

關(guān)鍵詞：施工技術(shù)；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(jiǎn)稱(chēng)“世博軸”)，位于浦東世博園核心區，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(cháng)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(gè)造型特異的陽(yáng)光谷以滿(mǎn)足地下空間的自然采光。索膜結構由19個(gè)三角形單元連續構成，部分與陽(yáng)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張拉結構，總長(cháng)度約840m，最大寬度約97m，總面積約64,000m2。包括支承系統和膜面系統兩個(gè)主要方面。

圖3 索膜結構單元軸測圖 (海世博會(huì )世博軸工程)

支承系統由鋼桅桿和群索組成。其中邊桅桿31根，中桅桿19根，由鋼管和鑄鋼節點(diǎn)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(cháng)110m，總長(cháng)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索膜結構施工技術(shù)

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(wù)是解決三方面的問(wèn)題：其一，材料選擇；其二，膜結構的找形和膜材裁剪設計；其三，構件和節點(diǎn)的深化及優(yōu)化。

1) 膜材料的選擇除了需滿(mǎn)足結構所要求的力學(xué)性能之外，尚需要滿(mǎn)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(jìn)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(guò)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劃膜材的裁剪。膜面節點(diǎn)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(gè)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，確定所需索的規格和長(cháng)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)化和節點(diǎn)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點(diǎn) (索膜結構施工技術(shù))

難點(diǎn)主要在于外桅桿柱頂多索匯交的鑄鋼節點(diǎn)的深化設計上，最多有十三根索匯交于一個(gè)節點(diǎn)。節點(diǎn)的深化設計需考慮建筑外形的美觀(guān)、節點(diǎn)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(gè)深化設計幾經(jīng)調整，耗時(shí)數月才完成。

2.2 索膜結構的結構和節點(diǎn)試驗

世博軸索膜結構因其位于世博園區的中心軸線(xiàn)的重要位置，且規模巨大，又具有多單元連續的特點(diǎn)，為確保結構的安全和施工質(zhì)量，在設計和施工的過(guò)程中，作了必要的結構試驗和節點(diǎn)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(gè)約束失效的狀態(tài)下，仍可保持整體穩定。

2) 膜材的雙向拉伸試驗。根據規范要求，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(shí)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(diǎn)，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(shù))

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(mǎn)足膜結構的受力要求，在應力大的部位需以雙層膜材進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jīng)過(guò)品質(zhì)檢驗后，根據深化設計要求由數控下料機進(jìn)行裁剪，然后進(jìn)行拼接，折疊并進(jìn)行必要保護后運抵現場(chǎng)。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(chǎng)膜面制作實(shí)景 (索膜結構施工技術(shù))

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(jīng)質(zhì)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(jìn)行拉伸試驗，最后成品索盤(pán)索出廠(chǎng)。

3) 桅桿的制造。桅桿最長(cháng)達40余米，其兩端采用鑄鋼節點(diǎn)，桅桿本體為三根弧形弦管和橫隔鋼板組成的梭狀結構。鑄鋼節點(diǎn)單個(gè)重逾20t，先根據深化設計制作模具，采用消失模鑄造工藝進(jìn)行鑄造，進(jìn)行熱處理消除鑄造應力，再進(jìn)行表面檢查、內部無(wú)損檢測和外形尺寸檢測；桅桿本體進(jìn)行下料、彎管、組立、焊接和檢測；鑄鋼節點(diǎn)和桅桿本體組合完成后，進(jìn)行表面處理和涂裝，并根據運輸和現場(chǎng)安裝要求分段發(fā)運。

圖7 生產(chǎn)工程中的鑄鋼節點(diǎn) (索膜結構施工技術(shù))

圖8 外桅桿工廠(chǎng)組裝 (索膜結構施工技術(shù))

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(lèi)：邊桅桿（39根）與中桅桿（19根）。

邊桅桿長(cháng)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履帶吊分節吊裝的方法，即在現場(chǎng)將工廠(chǎng)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(fēng)繩調整至設計要求的傾斜位置；中桅桿長(cháng)25m，重6t，垂直豎立在砼平臺的中間。邊桅桿采用12t汽車(chē)吊分2段吊裝，吊裝到位后設置纜風(fēng)和腳手支架，形成臨時(shí)穩定結構。

圖9 外桅桿現場(chǎng)組裝

圖10 外桅桿現場(chǎng)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(cháng)110 m。當每個(gè)索膜單元的桅桿安裝到位后，即進(jìn)行該單元鋼索的安裝。當鋼索就位后隨即進(jìn)行背索和水平索的預張拉，及時(shí)形成具有一定剛度的穩定結構體系。

圖11 背索安裝與水平索安裝 (索膜結構施工技術(shù))

3) 膜面安裝。每個(gè)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(kāi)，多點(diǎn)提升，逐邊安裝。膜面到位后應及時(shí)張緊，防止大風(fēng)暴雨損壞膜面。

圖12 現場(chǎng)膜面安裝

2.5 索膜結構的預應力施工

索膜結構是通過(guò)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(guān)鍵。鋼索張拉采用專(zhuān)門(mén)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(gè)張拉點(diǎn)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(shí)，超張拉5％左右，并持荷一定時(shí)間以彌補徐變產(chǎn)生的預應力損失；膜面張拉施工時(shí)，利用可調節的專(zhuān)用夾具沿膜邊界張拉膜面系統，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(cháng)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，張力是連續傳遞的，單元之間的相互影響大，故相鄰單元實(shí)施分步張拉時(shí)，應控制預應力差值不致過(guò)大。

 圖13 鋼索的預應力施工 (索膜結構施工技術(shù))

2.6 索膜結構的施工檢測和健康監測

世博軸多單元連續大跨度索膜結構是一種預應力的新型結構，施工過(guò)程中的檢測和建成后的健康監測十分重要。索膜結構的應力檢測一向是個(gè)較為棘手的難題，同濟大學(xué)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(guān)。每個(gè)膜面單元設置若干個(gè)應力測點(diǎn)，進(jìn)行施工過(guò)程的跟蹤檢測，同時(shí)選擇部分單元的背索和水平索安裝測力環(huán)進(jìn)行全過(guò)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測外，還包括變形監測，定期定點(diǎn)進(jìn)行，在世博會(huì )期間也不間斷。特別是臺風(fēng)影響期間，更是健康檢測的重要時(shí)機，以檢驗設計假定與實(shí)際是否相符和判斷結構工作是否正常。

圖14 健康監測的部分儀器和傳感器

世博軸建成以后成為世博園區最大的單體項目，是世博園區空間景觀(guān)和人流交通的主軸線(xiàn)，也是整個(gè)世博園區的標志性建筑，整個(gè)世博軸工程的建設過(guò)程中涉及了多種領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)，其中許多都是國內首創(chuàng )，部分達到國際先進(jìn)水平，凝聚著(zhù)建設者們智慧和心血?！笆啦┹S”以其卓約的風(fēng)姿，笑迎接八方來(lái)客。

圖15 建成后的世博軸夜景 (索膜結構施工技術(shù))

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