第 1 章 绪论
1.1 研究背景及意义
住建部于 2017 年印发了《建筑节能与绿色建筑发展“十三五”规划》，目的是通过建设节能低碳、绿色生态、集约高效的建筑用能体系，来推动建筑领域供给侧结构性改革。发展绿色高性能结构体系是其中一个重点研究方向。受拉杆件、受压杆件、受弯杆件是组成承重结构的三类基本构件。其中拉杆的受力最为有利，由其组成的悬索结构材料利用率高、消耗小，是建筑结构领域中先进的结构体系。在大跨空间结构中应用悬索结构可以显著降低用钢量，可以达到绿色建筑的发展目标[1]。
悬索结构是一种古老的结构形式，在古代人们就开始尝试将自由发挥材料强度的、合理的悬索结构应用在屋盖结构上。最原始的悬索结构是使用藤蔓等制作的简单的悬索桥，在亚洲、南美等植物茂盛的地区自古以来就有这种桥。在罗马时代的圆形竞技场，人们采用大规模的张拉索来操作开闭式遮蓬。第二次工业革命后，在全俄博览会和芝加哥博览会上都尝试应用了悬索屋盖结构，但是由于当时技术不足，难以解决风对悬索屋盖结构的作用[2]，悬索结构并没有大规模的应用。第二次世界大战后随着经济文化的发展，人们对于公共建筑需求逐渐增多，并随着建筑技术和材料科学的发展，古老的悬索结构也焕发了新的活力。各种索结构例如：张弦梁、索穹顶、弦支穹顶、索网结构等在许多国内外的体育场馆、干煤棚、机库、航站楼等都得以应用。索结构屋盖的主要结构形式如表 1-1 所示。
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1.2.1 索网结构特点
单根的悬索是一种几何可变结构，其平衡形式随荷载分布方式而变，特别是当荷载作用方向与垂度方向相反时，悬索就失去了承载能力。因此，需要布置一些索系或结构来提高屋盖结构的稳定性[3]。马鞍形索网结构由两组曲率相反的索形成，下凹的索为承重索，作用为承受屋面恒荷载和向下的活荷载；上凸的索为稳定索，作用为承受由风荷载产生的向上的吸力作用，两组索相交处由索夹连接，索网两端锚固在周边刚性构件上。图 1-2 给出了 4 中常见的马鞍形索网结构形式。由于两组索曲率相反，所以可以对其中一组或两组索进行张拉来在索网中建立预应力。当施加足够的预应力时，马鞍形索网便会具有良好的稳定性和刚度，施加配重后，承重索和稳定索共同工作，保持张力。马鞍形索网的边缘构件多采用闭合的空间曲梁，索网的水平力在空间曲梁内自平衡，在两组索的拉力作用下，空间曲梁为压弯构件。由于索网水平力由空间曲梁承受，对下部支承结构和基础的受力较为有利。
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第 2 章 马鞍形单层正交索网结构简介及施工分析原理
2.1 背景工程简介
国家速滑馆位于北京市朝阳区奥林匹克森林公园西侧，国家网球中心钻石球场南侧，总建筑面积 9.7 万平方米，2022 年北京冬奥会期间，国家速滑馆将承担速度滑冰项目的比赛和训练。速滑馆主体结构为现浇钢筋混凝土结构，屋盖为大跨度马鞍形索网结构，结构跨度 124m×198m，支撑于外围钢结构环桁架上，并在环桁架外侧设置幕墙拉索[49]。
钢结构环桁架采用立体桁架的结构形式，网格间距 4m，桁架内弦杆最大规格为P1600×60mm，节点采用相贯焊接的形式连接。环桁架与型钢混凝土柱之间采用成品球铰支座连接。外围幕墙支撑结构采用钢拉索加竖向波浪形钢龙骨，效果图如图 2-1 所示：
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一般结构中，位移与荷载的关系是线性的，可以忽略荷载对结构的影响，当荷载拆除后，结构将恢复初始状态，建立平衡条件时不区分变形前和变形后的位形和物体的位置及形状，这就属于线性分析的问题。但索网结构属于典型的非线性变形体系，张拉会引起结构刚度显著变化，其位移与荷载呈非线性关系。引起索网结构非线性的原因主要有[51]：
（1）材料非线性
指材料的本构关系是非线性的。在弹塑性分析中，材料非线性是指材料具有非线性的应力—应变关系。加载历史、环境温度、加载的时间总量都会影响材料的应力—应变特性。
（2）几何非线性
指材料应变与位移的关系是非线性的。由于荷载的变化导致结构的平衡位置发生改变。主要包括大位移小应变问题、大位移大应变问题。对于索网结构，在施工过程中结构的变形远大于构件几何尺寸，属于大变形问题。
（3）状态变化
指由于结构表现出与状态相关的非线性变化。只能受拉的拉索可能是张紧的也可能是松弛的，这种由于状态的改变导致系统刚度值的改变称为状态的变化，这种状态的改变与荷载相关。
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第 3 章 马鞍形单层正交索网结构施工方案比选研究 ........................... 19
3.1 施工方案选择原则 ................................. 19
3.2 支座约束方案比选 ................................ 19
第 4 章 马鞍形单层正交索网结构施工全过程仿真研究 ....................... 31
4.1 施工步骤划分 ....................................... 31
4.2 施工过程索网位形变化 .............................. 31
第 5 章 马鞍形单层正交索网结构施工误差分析研究 ........................... 46
5.1 索长误差分析 ............................ 46
5.1.1 承重索索长误差分析 ............................... 47
5.1.2 稳定索索长误差分析 ............................. 47
第 5 章 马鞍形单层正交索网结构施工误差分析研究
5.1 索长误差分析
目前预应力空间结构有两种张拉方法[58]，一种为“定长张拉法”，另一种为“定力张拉法”。定长张拉法是将拉索原长安装锚固在外环刚性结构上；定力张拉法是制作带有调节端头可以调节长度的拉索，这种拉索安装完成后可以调整拉索的调节端长度，使实际索力与设计索力一致。定长张拉的拉索称为被动张拉索，定力张拉的拉索称为主动张拉索。显然如果采用定长张拉法，那么就需要忽略拉索的加工误差、力学性能误差、构件加工误差等[59]。但是实际工程中，各类材料制作、加工、安装等环节都会出现偏差，这种偏差是不可忽视的，即使材料加工和结构施工均满足规范要求，但是由于结构特点、边界条件等不同，通用规范不一定满足实际工程的要求。因此仅采用定长张拉法是不够的，必须要控制拉索的张拉力，采用定力张拉法。如果对所有拉索都采用定力张拉，那么结构将不会有预应力偏差。
本工程拉索数量众多，如果均采用定力张拉法的话，会浪费大量的人力、财力、物力。因此本节希望通过计算分析，对一定数量的拉索采用定力张拉，另一部分采用定长安装。一般来说，主动张拉的拉索越多，越容易控制结构预应力分布的偏差，但是张拉张拉相同数量主动索的情况下，选择不同类型的主动索，对误差控制的效果不同[60]。综上所述，本节的主要内容是研究不同类型拉索偏差对结构的影响，制定一个符合以下两个条件的张拉方案：（1）控制主动张拉索的数量以控制成本。（2）将结构预应力偏差控制在可以接受的水平。
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结论与展望
6.1 结论
本文对大跨度马鞍形单层正交索网结构施工成形关键技术进行了详细的研究，主要针对结构施工方案的选择，施工全过程模拟分析，施工误差控制技术以及监测技术等关键问题进行了分析。通过本文的研究，可以得出如下的结论。
（1）对结构由零状态到初始态转变的过程进行施工仿真分析是非常必要的，本文介绍了国家速滑馆屋面和幕墙索工程的结构特点和有限元仿真计算方法。采用有限元软件 Midas/Gen，对建模方法、初始预应力施加等进行了详细介绍，并提出了仿真计算的工作流程，为将来类似工程提供了依据。
（2）本文比较了索网结构常用的三种的施工方法，通过分析满堂脚手架法、高空溜索法、整体提升法的适用范围和优缺点结合现场实际情况，确定了地面组装索网，高空张拉的总体施工思路，此思路可以保证施工的效率。提出 4 种支座约束方案，计算了结构在 4 种支座约束情况下的受力状态。通过对比分析，采用长轴支座约束 X 水平向，短轴支座约束 Y 水平向，所有支座均约束竖向的方案有利于施工过程的安全，还可以保证施工质量。对比分析了先提升承重索和先提升稳定索的方案，计算了两种方案的提升力，通过计算分析出提升稳定索的方案提升力较大，需要的施工措施费较高，且变形不均匀，因此考虑提升承重索的方案。比较了三种张拉方案，分析了三种方案索力随张拉过程的变化历程，依据经济性和高效性的原则，选择整体同步张拉稳定索的张拉方案。最后根据以上施工方案比选，确定了最终整体施工过程的分步实施方案。
（3）对提出的施工方案进行了详细的施工仿真计算，跟踪了结构在施工过程中的索网索力、位形和环桁架应力变化，由施工仿真计算可以得到结论：①环桁架在施工过程中跨度先上升再下降，施加配重后整体跨度达到 197.78m×124.24m。索网竖向位移随着张拉的进行，整体呈上升趋势，最后趋于稳定。②提升过程中承重索索力逐渐增加，张拉开始后，端部承重索索力下降，稳定索、幕墙索索力逐渐增加，张拉完毕后所有拉索均达到设计值。③施工过程中环桁架最大拉应力为 205.12MPa，最大压应力为-189.08MPa，一直处于安全状态。最后介绍了结构监测的测点布置和器材，通过收集的实测数据与仿真计算的理论值对比，验证了施工仿真计算方法的准确性。
参考文献（略）