一种斜交轮辐式索桁架结构的施工方法与流程

1.本发明属于预应力空间结构施工技术领域，特别涉及一种斜交轮辐式索桁架结构的施工方法。


背景技术：

2.斜交轮辐式索桁架是一种极为特殊的预应力空间结构体系，它由中部内环索通过斜交式上层索系、径向下层索系与外环梁张拉形成整体结构，其中斜交式上层索系包括交叉布置的上层索系和下层索系。与常规的索桁架结构不同，斜交轮辐式索桁架结构中的斜交式索系，使得结构可以获得较好的侧向刚度，更有利于结构的稳定性。然而，斜交轮辐式索桁架结构的斜交式上层索系和径向下层索系不是简单的单榀在投影面重合的索桁架体系，而是采用斜交式上层索系与径向下层索系投影非重合的布置方式。因此，这种斜交轮辐式索桁架结构受力复杂，各类型的索系内力变化对其他拉索影响较大，控制施工过程中结构的位形十分困难。
3.斜交轮辐式索桁架结构体系具有如下特点：其基本组成单元为索系，柔性较大，在张拉成型前，结构没有任何刚度，无法承受荷载；该类结构跨度较大，往往达到200米以上，属于超大跨结构；结构受力复杂，索系空间布置整体呈辐射状，斜交式上层索系与径向下层索系在空间的投影面不重合，每根斜交式上层索系要与多个径向下层索系斜交。
4.一般的柔性索网结构体系的施工成形方法主要由两类：第一种方法是高空搭设满堂红脚手架，在脚手架上对索网结构进行拼装，之后采取或张拉径向索、或张拉环索、或顶升撑杆等方法完成张拉成形的工作，这种施工方法需要大量的脚手架，施工措施费昂贵，而且占用了大面积的施工现场空间，影响其他专业交叉作业。第二种是“地面组装、同步提升、整体张拉成形”的施工方法，将所有结构构件在地面按照空间位置的投影进行铺放，对径向索进行同步提升，提升到位后，索体与外环梁结构完成安装工作，最后对索网进行整体张拉成形，这种施工方法需要将所有构件在地面组装，而斜交轮辐式索桁架体系各类构件众多，分布复杂，在地面组装平面空间无法按照空间投影铺放下众多构件；又由于结构跨度超大，屋盖结构整体自重非常大，整体提升需要大量的提升设备，对设备吨位要求很高，安全性难以保证；斜交轮辐式索桁架成形前没有刚度，柔性太大，整体提升过程中容易失稳，稳定不易控制，施工质量难以保证。
5.斜交轮辐式索桁架结构在施工过程中会经历多种不同的几何态和预应力态，采取何种预应力施工方法，才能准确的控制该类柔性空间结构的施工成型过程，是工程中亟待解决的技术性难题。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种斜交轮辐式索桁架结构的施工方法，以解决上述背景技术中斜交轮辐式索桁架结构施工操作复杂、对提升设备要求高、安装过程稳定性难以控制，影响施工质量的问题。
7.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种斜交轮辐式索桁架结构的施工方法，其中，斜交轮辐式索桁架结构包括内环索、斜交式上层索系、径向下层索系、外环梁和撑杆，所述内环索包括上环索和下环索，并通过斜交式上层索系、径向下层索系与外环梁形成整体结构，所述斜交式上层索系包括斜向交叉布置的上层索系和下层索系，所述上环索和下环索之间、斜交式上层索系与径向下层索系之间均设置撑杆，包括以下步骤：步骤一、铺放上环索：在预设上环索的投影位置搭设支撑架，将上环索铺放在支撑架上；步骤二、依次铺放径向下层索系、下层索系、上层索系和附加索：所述径向下层索系外侧、下层索系外侧和上层索系外侧均通过提升钢线与外环梁连接，所述附加索外侧与外环梁连接，内侧与上环索连接；步骤三、提升上环索：通过提升附加索提升上环索；步骤四、铺放、提升下环索：将下环索铺放在支撑架上，将径向下层索系内侧与下环索连接，拉动径向下层索系外侧的提升钢线提升下环索；步骤五、安装上环索和下环索之间的撑杆；步骤六、分批次安装径向下层索系和斜交式上层索系之间的撑杆；步骤七、连接斜交式上层索系与外环梁：通过提升钢线提升斜交式上层索系，将斜交式上层索系外侧与外环梁连接；步骤八、安装、张拉径向下层索系：通过提升钢线提升径向下层索系，将径向下层索系安装至外环梁上，最后将径向下层索系张拉至设计索力。
8.进一步地，所述步骤二中，所述下层索系内侧和上层索系内侧均与上环索连接；所述径向下层索系内侧为自由端。
9.进一步地，所述步骤二中，在铺设上层索系前，标记上层索系和下层索系的交叉位置，并在下层索系上对应交叉位置安装索夹，随后铺设上层索系，并将上层索系与索夹连接。
10.进一步地，所述步骤三中，上环索的提升高度为其设计高度的一半。
11.进一步地，所述步骤四中，下环索的提升高度与步骤三中上环索的高度差不小于撑杆的高度。
12.进一步地，所述步骤五中，撑杆安装时，先安装顶端，再安装底端，撑杆安装过程中，在上环索和下环索之间安装交叉索。
13.进一步地，所述步骤六中，将径向下层索系分为第一批径向下层索系和第二批径向下层索系，所述第一批径向下层索系和第二批径向下层索系相互交错设置；通过提升钢线提升第一批径向下层索系，安装第二批径向下层索系上的撑杆；然后通过提升钢线提升第二批径向下层索系，安装第一批径向下层索系上的撑杆。
14.进一步地，所述步骤七中，斜交式上层索系安装时，上环索与外环梁等高；斜交式上层索系安装完成后，拆除附加索。
15.进一步地，所述步骤八中，径向下层索系外侧索头设置调节螺杆，外环梁对应设置拉索耳板，所述拉索耳板上设置长圆形销孔，调节螺杆通过销轴与拉索耳板连接。
16.进一步地，所述上环索对应斜交式上层索系的位置设置索夹，所述斜交式上层索
系内侧与上环索的索夹连接；所述下环索对应径向下层索系的位置设置索夹，所述径向下层索系内侧与下环索的索夹连接。
17.本发明具有以下有益效果：1、本发明提供的一种斜交轮辐式索桁架结构的施工方法，提出了柔性空间结构的全新施工方法，采用“支撑架拼装内环索、分组提升径向索、张拉下径向索”的施工成形方法，避免大跨度空间结构搭设满堂红脚手架的施工措施，节约了时间，为地面争取了施工操作空间，有利于多工种进行交叉作业，提高了施工进度，减小了施工措施费用，降低了施工成本；通过对内环索、索系的分批次提升，降低单次提升重量，降低对提升设备的要求，提高结构安装的稳定性和安全性。
18.2、本发明提供的一种斜交轮辐式索桁架结构的施工方法，分批安装径向下层索系和斜交式上层索系之间的撑杆，动态地留出了撑杆安装的空间，降低施工难度，解决了多圈不同径撑杆安装的难题，同时，保证了安装过程的稳定性。
19.3、本发明提供的一种斜交轮辐式索桁架结构的施工方法，沿径向辐射状布置附加索，通过附加索对上环索进行提升，保证上环索受力均匀、可靠，解决斜交式上层索系难以均匀、稳定提升上内环索的技术问题。
附图说明
20.图1为本发明涉及的斜交轮辐式索桁架结构的整体结构示意图；图2为本发明涉及的斜交式上层索系的布设位置图；图3为本发明涉及的斜交轮辐式索桁架结构的结构示意图；图4为本发明涉及的施工步骤一示意图；图5为本发明涉及的施工步骤二示意图；图6为本发明涉及的施工步骤三示意图；图7为本发明涉及的施工步骤四示意图；图8为本发明涉及的施工步骤五示意图；图9为本发明涉及的施工步骤六示意图；图10为本发明涉及的施工步骤七示意图；图11为本发明涉及的安装、张拉径向下层索系的施工示意图；图12为本发明涉及的拉索耳板与调节螺杆的关系示意图。
21.图中：1-内环索、11-上环索、12-下环索、2-斜交式上层索系、21-上层索系、22-下层索系、3-径向下层索系、4-外环梁、5-撑杆、6-附加索。
具体实施方式
22.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
23.如图1、2、3所示，本发明提供的一种斜交轮辐式索桁架结构的施工方法，所述斜交轮辐式索桁架结构包括内环索1、斜交式上层索系2、径向下层索系3、外环梁4和撑杆5，内环
索1通过斜交式上层索系2、径向下层索系3与外环梁4张拉形成整体结构，其中内环索1包括上环索11和下环索12，斜交式上层索系2包括斜向交叉布置的上层索系21和下层索系22，上层索系21和下层索系22的交叉位置与径向下层索系3在空间的投影面重合，斜交式上层索系2与径向下层索系3在空间的投影面不重合，每根斜交式上层索系2与多根径向下层索系3斜交，上环索11和下环索12之间、斜交式上层索系2与径向下层索系3之间均竖向设置撑杆5。上环索11的提升依靠附加索6实施，附加索6沿径向辐射状布置，保证上环索11受力均匀可靠。
24.一种斜交轮辐式索桁架结构的施工方法，如图4-11所示，包括以下步骤，步骤一、铺放上环索11：在预设上环索11的投影位置搭设支撑架，然后将上环索11铺放在支撑架上，并在上环索11对应斜交式上层索系2的位置设置索夹。其中，放置支撑架时，首先应确定架体的位置和高度，避免在上环索11脱离支撑架时，附加索6压到看台板。一般来说，在上环索11投影位置搭设支撑架，如果附加索6压到看台板，则需要把支撑架搭设位置移动适当的距离。上环索11的铺放采用履带吊配合放索盘展开的方式，即将环索置于放索盘上，通过履带吊把放索盘放在铺索起始位置，汽车吊辅助把索头放在支撑架上，用倒链固定，随着履带吊摆臂或移动把索体放在支撑架上，一根索展开完毕，用吊车把索头放在支撑架上，卸载放索盘，依次铺放其他位置环索，铺放过程中，需要依次将每根环索的索头对齐，索头对齐以后进行加固。相邻索体连接时借助吊车、倒链和扁担梁，即利用扁担梁和倒链将索体接头位置调平，接着将索体的螺杆缓慢旋入相邻索体的接头锚具内。
25.步骤二、依次铺放径向下层索系3、斜交式上层索系2和附加索6：依次铺设径向下层索系3、下层索系22、上层索系21和附加索6，铺放索体前，在索体投影位置设置垫片，避免索体与地面或看台直接接触。径向下层索系3、斜交式上层索系2和附加索6的铺设方法相同。
26.径向下层索系3外侧索头设置提升钢线，提升钢线外侧与外环梁4连接，径向下层索系3内侧索头为自由端，放置在支撑架上；具体操作方法为，利用吊车把索体放在放索盘上，并在场地内地面展开，然后利用履带吊把径向下层索系3吊起，用提升钢线与外环梁4连接，内侧索头放置在支撑架上。
27.斜交式上层索系2外侧索头设置提升钢线，提升钢线外侧与外环梁4连接，斜交式上层索系2内侧索头与上环索11的索夹连接。具体操作方法为，利用吊车把索体放在放索盘上，并在场地内地面展开，然后利用履带吊把斜交式上层索系2吊起，用提升钢线与外环梁4连接，内侧与上环索11的索夹连接。在铺设上层索系21前，应找出上层索系21和下层索系22的交叉位置，并在下层索系22的索体上对应交叉位置进行标记，然后在下层索系22的标记位置上安装索夹，实现下层索系22和上层索系21在交叉位置的连接。随后进行上层索系21的铺设，上层索系21的两端连接完成之后，将上层索系21与下层索系22的索夹连接。
28.附加索6外侧索头通过工装与外环梁4连接，内侧索头与上环索11的索夹连接。
29.步骤三、提升上环索11：通过提升附加索6，把上环索11提升到距离地面h1米的高度，h1根据工程施工模拟仿真计算分析的结果确定，优选的，h1为上环索11设计高度的1/2。斜交式上层索系2的内端随上环索11提升而提高，外端通过提升钢线进行收紧。
30.步骤四、铺放、提升下环索12：铺放下环索12的方式与铺放上环索11的方法相同，下环索12铺放在支撑架上，下环索12对应径向下层索系3的位置设置索夹，将径向下层索系
3的内侧索头与下环索12的索夹连接，然后拉动径向下层索系3外侧的提升钢线，进而将下环索12提升到距离地面h2米的高度。h2与h1的高度差不小于撑杆5的高度，便于撑杆5的安装。
31.步骤五、安装上环索11和下环索12之间的撑杆5：撑杆5采用履带吊和汽车吊进行吊装，操作人员利用举人车到达施工位置，当撑杆5具备安装条件时，先安装撑杆5顶端，再安装撑杆5底端，安装时，用吊车将撑杆5顶端吊起，将撑杆5顶端与上环索11索夹的耳板连接，然后利用倒链将下环索12抬起，将撑杆5底端与下环索12索夹的耳板连接，在撑杆5安装过程中，可根据实际施工条件进行上环索11和下环索12间的交叉索安装。
32.步骤六、分批次安装径向下层索系3和斜交式上层索系2之间的撑杆5：在上环索11和下环索12之间的撑杆5安装完成后，径向下层索系3处于受力状态，此时由于斜交式上层索系2受力较小，产生了往下的挠度，径向下层索系3和斜交式上层索系2之间的距离小于撑杆5的高度，所以不具备撑杆5安装的条件。
33.撑杆5对应下层索系22和上层索系21的交叉点布置，以下层索系22的方向为参考基准，撑杆5对应布设n圈，将每圈撑杆5由内至外依次编号为cg1、cg2、cg3、cg4、
……
、cgn，其中，cg1圈撑杆5位于上环索11和下环索12之间。编号数字为奇数的撑杆5（cg1除外）位于相同的径向下层索系3上，编号数字为偶数的撑杆5位于相同的径向下层索系3上，且编号数字为奇数和偶数的撑杆5不在相同的径向下层索系3上。将径向下层索系3划分为两个批次，分别为第一批径向下层索系和第二批径向下层索系，其中，编号数字为奇数的撑杆5（cg1除外）位于第一批径向下层索系上，编号数字为偶数的撑杆5位于第二批径向下层索系上。首先安装编号数字为偶数的撑杆5，通过提升钢线提升第一批径向下层索系，环索1随之提升，而第二批径向下层索系会产生向下的挠度，即第二批径向下层索系对应的撑杆5两端连接节点的距离将大于撑杆5自身的长度，此时具备安装条件，可以进行编号数字为偶数的撑杆5的安装；然后安装编号数字为奇数的撑杆5，通过提升钢线提升第二批径向下层索系，环索1随之提升，第一批径向下层索系会产生向下的挠度，进行编号数字为奇数的撑杆5的安装。编号数字为奇数的撑杆5和编号数字为偶数的撑杆5的安装顺序可以根据施工情况调整。
34.撑杆5安装前，先把径向下层索系3和撑杆5底端连接，然后再整体吊装安装至下层索系22的索夹。撑杆5由汽车吊后者履带吊起吊，工人通过举人车到达工作位置进行操作。对于部分举人车无法达到位置，采用吊篮进行操作。
35.步骤七、连接斜交式上层索系2与外环梁4：通过提升钢线提升斜交式上层索系2，使上环索11的高度与外环梁4的高度相同，此时将斜交式上层索系2与外环梁4连接。斜交式上层索系2的索体上均设置提升工装，利用提升工装牵引斜交式上层索系2的外侧索头与外环梁4连接安装。
36.步骤八、拆除附加索6：斜交式上层索系2安装完成后，附加索6作为上环索11的稳定作用已经不明显，可以提前拆除，利用吊装固定附加索6，提升千斤顶端部把附加索6的钢绞线切断，再将千斤顶及剩余绞线整体吊至地面。
37.步骤九、安装、张拉径向下层索系3：径向下层索系3外侧设置调节螺杆，外环梁4对应设置拉索耳板，调节螺杆通过销轴与拉索耳板连接，提升径向下层索系3，调长径向下层索系3的调节螺杆，将径向下层索系3安装至外环梁4的拉索耳板上，再通过张拉的方式将径向下层索系3张拉至设计索力。
38.为了确保施工安全，采用将径向下层索系3的调节螺杆调长、提前安装销轴再张拉的工艺，径向下层索系3安装完成后的索力为f，安装销轴的索力为f0（f0《f），为了便于张拉，如图12所示，拉索耳板的销孔设置为长圆孔，使销轴在销孔内有活动空间，进而利用活动空间完成对拉索的张拉。
39.优选的，在步骤二中，由于看台倾斜，需要对径向下层索系3、斜交式上层索系2和附加索6的外侧索头位置进行加固，防止拉索铺放完毕后沿看台下滑。
40.径向下层索系3和斜交式上层索系2上对应撑杆5的位置均设置索夹。
41.环索1的索夹上设有耳板和夹板，耳板用于撑杆5的安装，夹板用于径向下层索系3或斜交式上层索系2等索体的连接，上环索11的索夹上还设置连接板，用于附加索6的连接。
42.最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。