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，南起耀華路，跨雪野路、北環路及浦明路，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。包括支承系統和膜面系統兩個主要方面。
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，構件和節點的深化及優化。
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劃膜材的裁剪。膜面節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，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.桅桿外形的優化和節點構造的深化，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點的深化設計上，最多有十三根索匯交于一個節點。節點的深化設計需考慮建筑外形的美觀、節點構造的優化和強度的復核、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點試驗
世博軸索膜結構因其位于世博園區的中心軸線的重要位置，且規模巨大，又具有多單元連續的特點，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，結構在若干個約束失效的狀態下，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，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運。
圖7 生產工程中的鑄鋼節點 (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，利用可調節的專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，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測外，還包括變形監測，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和人流交通的主軸線，也是整個世博園區的標志性建筑，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，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）
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