摘  要：本文以上海世博轴工程的建设为背景，介绍索膜结构的相关施工技术。

关键词：施工技术；世博轴  索膜结构  深化设计  制作  安装  

1.    工程及结构概况

图1 施工中的世博轴工程

世博轴及地下综合体工程(简称“世博轴”)，位于浦东世博园核心区，南起耀华路，跨雪野路、北环路及浦明路，至滨江世博公园。南北长1045m，东西宽地下99.5m～110.5m，地面以上宽80m，基地面积130699m2，总建筑面积227169m2，其中地上建筑面积42877m2，地下建筑面积184292m2。由-6.5m、-1.0m、4.5m、10m标高的混凝土结构平面及膜结构屋顶组成，并设有6个造型特异的阳光谷以满足地下空间的自然采光。索膜结构由19个三角形单元连续构成，部分与阳光谷相连。

 图2 世博轴索膜结构效果图

索膜屋顶为单元连续张拉结构，总长度约840m，最大宽度约97m，总面积约64,000m2。包括支承系统和膜面系统两个主要方面。

图3 索膜结构单元轴测图 (海世博会世博轴工程)

支承系统由钢桅杆和群索组成。其中边桅杆31根，中桅杆19根，由钢管和铸钢节点组合而成；索分为结构索和膜面构造索，均采用外包PE护套的高强度平行钢丝索，单根最长110m，总长度21,465m；膜面为聚四氟乙烯涂层的玻璃纤维织物(PTFE) ，部分采用双层构造。

2. 世博轴大跨度多单元连续索膜结构施工技术

2.1 世博轴索膜结构深化设计

索膜结构的深化设计主要任务是解决三方面的问题：其一，材料选择；其二，膜结构的找形和膜材裁剪设计；其三，构件和节点的深化及优化。

1) 膜材料的选择除了需满足结构所要求的力学性能之外，尚需要满足自洁、防火及耐久性等建筑上的要求。本工程采用膜材为美国圣戈班高功能塑料有限公司的PTFE膜材。

首先，确定膜结构在自重和预应力状态下形状，即找形，再进行膜材的裁剪。膜材的裁剪需要以设计预应力5kN/m为基准，通过双轴拉伸试验数据确定基本补偿率，考虑膜材的蠕变和松弛因素适当放大作为最终裁剪补偿率。在确定了必要的参数后即可以规划膜材的裁剪。膜面节点的深化需要充分考虑膜面应力的分布，以及膜材裁切的样式与建筑效果相匹配。

2) 桅杆、钢索作为膜结构系统的支承结构，其深化设计主要考虑以下一些因素：

a.确定了整个膜结构的形态，相应就决定了索、桅杆的位置、方向和几何尺寸；

b.根据索的内力，确定所需索的规格和长度，以及根据预应力施工工艺，确定张拉构造的设置；

c.桅杆外形的优化和节点构造的深化，以及根据制作、运输和安装工艺确定桅杆的分段。

 图4 外桅杆顶部多索汇交节点 (索膜结构施工技术)

难点主要在于外桅杆柱顶多索汇交的铸钢节点的深化设计上，最多有十三根索汇交于一个节点。节点的深化设计需考虑建筑外形的美观、节点构造的优化和强度的复核、铸造工艺的可行、以及钢索安装工艺的要求等。整个深化设计几经调整，耗时数月才完成。

2.2 索膜结构的结构和节点试验

世博轴索膜结构因其位于世博园区的中心轴线的重要位置，且规模巨大，又具有多单元连续的特点，为确保结构的安全和施工质量，在设计和施工的过程中，作了必要的结构试验和节点试验。

1) 结构整体的缩尺试验。为了检验世博轴索膜结构在部分约束失效的状态下结构的稳定性和安全度，作了结构整体缩尺试验（1：20）。试验结果证明，结构在若干个约束失效的状态下，仍可保持整体稳定。

2) 膜材的双向拉伸试验。根据规范要求，膜材一般只需作单向拉伸试验以检验膜材的强度，但鉴于本工程的膜结构均处于双向拉伸的受力状态，为检验其在双向拉伸时的受力性能，补做了膜材的双向拉伸试验。试验中反映出膜材受力后的某些特点，并对膜结构边缘约束构造作了优化和调整。

图5 膜材双向拉伸试验 (索膜结构施工技术)

3) 双层膜材的粘接试验。本工程采用了民用膜材最高强度的A级膜，但仍不能满足膜结构的受力要求，在应力大的部位需以双层膜材进行补强。因为是首次采用大量的大面积双层膜材构造，为了使双层膜材共同受力且避免褶皱，进行了双层膜材的粘接试验，调整和完善了粘接工艺。

4) 单元膜成品强度的加载试验。在膜材双向拉伸试验的基础上，又进行了单元膜（6m2）的堆载法加载试验，以验证膜结构在双向应力状态下的受力性能。

2.3 索膜结构的制作

1) 膜结构的制造。膜材经过品质检验后，根据深化设计要求由数控下料机进行裁剪，然后进行拼接，折叠并进行必要保护后运抵现场。所有连接件采用铝合金或不锈钢，均在工程制作完成。

图6 工厂膜面制作实景 (索膜结构施工技术)

2) 钢索的制造。钢索采用高强度平行钢丝索外包PE护套。所有原材料经质量检验合格，钢丝整编成索，热注PE塑料护套，采用热铸(冷铸)法固定端部锚具并采取封闭防锈蚀措施，进行拉伸试验，最后成品索盘索出厂。

3) 桅杆的制造。桅杆最长达40余米，其两端采用铸钢节点，桅杆本体为三根弧形弦管和横隔钢板组成的梭状结构。铸钢节点单个重逾20t，先根据深化设计制作模具，采用消失模铸造工艺进行铸造，进行热处理消除铸造应力，再进行表面检查、内部无损检测和外形尺寸检测；桅杆本体进行下料、弯管、组立、焊接和检测；铸钢节点和桅杆本体组合完成后，进行表面处理和涂装，并根据运输和现场安装要求分段发运。

图7 生产工程中的铸钢节点 (索膜结构施工技术)

图8 外桅杆工厂组装 (索膜结构施工技术)

2.4 索膜结构的安装

1) 钢桅杆的安装。世博轴的索膜结构上的桅杆共58根，分为两类：边桅杆（39根）与中桅杆（19根）。

边桅杆长40m，重50t，向外倾斜立于基坑内两侧的砼基础上。外桅杆采用400t履带吊分节吊装的方法，即在现场将工厂制作分段拼装成吊装分段，起重机停于基坑外侧，在竖直状态下分段安装焊接，再由起重机辅助，利用缆风绳调整至设计要求的倾斜位置；中桅杆长25m，重6t，垂直竖立在砼平台的中间。边桅杆采用12t汽车吊分2段吊装，吊装到位后设置缆风和脚手支架，形成临时稳定结构。

图9 外桅杆现场组装

图10 外桅杆现场吊装

2) 钢索安装。钢索分为背索、水平索、脊索和谷索。索的最大直径100mm，最长110 m。当每个索膜单元的桅杆安装到位后，即进行该单元钢索的安装。当钢索就位后随即进行背索和水平索的预张拉，及时形成具有一定刚度的稳定结构体系。

图11 背索安装与水平索安装 (索膜结构施工技术)

3) 膜面安装。每个单元的膜面一般为三块，单块膜面面积最大达1700余平方米。在安装膜面的垂直下方，先铺设防护材料，再将膜面循序展开，多点提升，逐边安装。膜面到位后应及时张紧，防止大风暴雨损坏膜面。

图12 现场膜面安装

2.5 索膜结构的预应力施工

索膜结构是通过预应力的施加形成结构刚度的，而世博轴的索膜结构又是多单元连续的特大索膜结构，必须确定合理和可操作的张拉顺序，因此预应力的施工是本工程结构安装的关键。钢索张拉采用专门设计的液压千斤顶张拉机具。群索的张拉遵循“循序分步张拉，保持基本同步”的原则。每个张拉点采用2台液压千斤顶，分级同步施加预应力。当达到设计拉力时，超张拉5％左右，并持荷一定时间以弥补徐变产生的预应力损失；膜面张拉施工时，利用可调节的专用夹具沿膜边界张拉膜面系统，先沿脊索和谷索初步张拉，再沿下环完成最后的张拉。使膜面应力和膜面索内力同步增长至设计要求的预应力水平。膜结构单元之间以脊索分界，属于柔性边界的连接，张力是连续传递的，单元之间的相互影响大，故相邻单元实施分步张拉时，应控制预应力差值不致过大。

 图13 钢索的预应力施工 (索膜结构施工技术)

2.6 索膜结构的施工检测和健康监测

世博轴多单元连续大跨度索膜结构是一种预应力的新型结构，施工过程中的检测和建成后的健康监测十分重要。索膜结构的应力检测一向是个较为棘手的难题，同济大学研制了真空膜面应力检测仪和磁通量钢索测力环，攻克了这一难关。每个膜面单元设置若干个应力测点，进行施工过程的跟踪检测，同时选择部分单元的背索和水平索安装测力环进行全过程检测，作为施工控制和竣工验收的依据。健康检测除了应力监测外，还包括变形监测，定期定点进行，在世博会期间也不间断。特别是台风影响期间，更是健康检测的重要时机，以检验设计假定与实际是否相符和判断结构工作是否正常。

图14 健康监测的部分仪器和传感器

世博轴建成以后成为世博园区最大的单体项目，是世博园区空间景观和人流交通的主轴线，也是整个世博园区的标志性建筑，整个世博轴工程的建设过程中涉及了多种领域的先进技术，其中许多都是国内首创，部分达到国际先进水平，凝聚着建设者们智慧和心血。“世博轴”以其卓约的风姿，笑迎接八方来客。

图15 建成后的世博轴夜景 (索膜结构施工技术)

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