1工程简介

　　南京奥林匹克体育中心游泳馆是2005年第十届全国运动会的游泳、跳水比赛场，将是2008年北京奥运会举办前国内最具规模、功能最全、技术标准最高、环境最优美的综合性大型游泳馆。游泳馆由主馆、附馆以及连廊三部分构成，总建筑面积为32289M2，概算投资1.969亿元。其中主馆最高点为34.40M，附馆最高点为18.30M。该馆是一个极具创造性的地标建筑，内有游泳池、跳水池、训练池和戏水池各一座。它的造型、材料和建筑设计语言与游泳运动和谐的融为一体。游泳馆工程由南京龙江体育中心建设经营管理有限公司投资建设，江苏省建筑设计研究有限公司设计，中咨监理有限公司监理，江苏南通二建集团有限公司为土建承包商，广东金刚幕墙工程有限公司设计及施工幕墙。

　　2采光顶的建筑设计

　　幕墙工程包括竖明横隐铝合金玻璃幕墙、预辊涂铝单板幕墙（氟碳烤漆三辊三涂）、高强铯钾防火玻璃幕墙及上部电动玻璃通风百页、点式玻璃采光蓬和点驳接玻璃幕墙、电动遮阳百叶、电动排烟窗等1.5万多平方米 ，游泳馆是一座具有时代特色的建筑，其设计风格为“新现代建筑”，设计遵循现代建筑的原则和手法，注重造型，并有自己的特色和个性。整个建筑不但简洁明朗，而且充分利用了玻璃特性，使人与自然得到沟通，让整座建筑充满活力，营造出现代化的建筑空间。本工程幕墙工程量大，幕墙类型新颖，将成为南京地区标志性建筑。我公司充分理解、体会建筑师的设计意图，从安全、经济、美观三者并重考虑，经过我们共同的努力，把建筑师的设计意愿、灵感、创造性淋漓尽致地表现出来，创造出令人心旷神怡的美好空间形象。游泳馆由主馆、附馆以及连廊三部分构成，平面构图上有如一只在长江上畅游的鸭子，而在附馆上面的椭圆形采光顶，就犹如这只鸭子的明亮的眼睛。建筑师的设计意图就是这一部位的采光顶要尽可能的通透明亮，所以在支撑结构的选择上我们采用了单层索网，把结构构件对视线的阻挡减少到最小程度；在玻璃的选择上我们采用了超白中空low-e夹胶玻璃，整个玻璃面板组合的可见光透过率37%，完全可以保证采光顶达到晶莹明亮的效果，传热系数为1.69，遮阳系数为0.38，可以确保冬天的隔热保暖和防结露问题，夏天可以减少太阳能辐射如室内，减少空调耗能。面板组合的下面一层为夹层玻璃，由韧性好，粘结力强的PVB 膜夹胶而成的夹层玻璃是真正意义上的安全玻璃，一旦受到破坏,其碎片仍然与PVB膜牢固的粘结在一起，仍保持完整状态，不会出现碎片掉落现象，依然具有一定挡风遮雨的作用，避免因玻璃碎块掉落造成人体伤害,确保其安全性。

　　（图1）

　　3采光顶的结构设计

　　3.1采光顶的结构体系

　　整个椭圆采光顶长轴26米，短轴18米，高出屋面5米，由12根钢筋混凝土柱支撑整个采光顶屋面。在结构设计上是先在椭圆形的周边布置一圈直径351的钢管圈梁，然后在圈梁里面布纵横双向单层索网，为了减少在竖向荷作用下索网产生的挠度，在横向的四个轴位上，设置有四条悬索，以增加竖向刚度。拉索为轴心受拉构件，它把拉力传给钢管圈梁，纵横向索的预拉力经过精确计算确定形成一定比例，钢管圈梁在纵横向索预拉力的作用下，其受力为轴心受压，整个结构是一个自平衡体系，有如一个紧绷的网球拍。竖向荷载（包括自重、雪载、活荷载等）的传力途径为：外荷载由玻璃面板通过连接件传给纵向拉索，纵向拉索把荷载传给悬索，悬索再把荷载通过钢管圈梁传给钢筋混凝土柱。

　　（图2）

　　3.2 基本参数取值

　　3.2.1材料及其参数的确定

　　面板采用8+12A+8+1.52PVB+8 low-e中空夹胶钢化玻璃，面板分格为1600mm*1800mm,弹性模量E=72000N/mm2，其强度设计值为84N/mm2；圈梁钢管采用Q253b，直径351mm，弹性模量E=2.06*105N/mm2，其强度设计值为215N/mm2；拉索采用316不修钢绞线，横索直径18mm，拉力设计值为122KN，纵索直径24mm，拉力设计值为202KN，悬索直径28mm，拉力设计值为269KN，弹性模量E=1.4*105N/mm2。

　　3.2.2荷载及荷载组合

　　a)恒载：主要为玻璃面板自重,q=0.61KN/m2，钢结构及拉索自重在结构分析软件中自动添加；b)风荷载：由风洞试验资料取得，风洞试验结果显示，采光顶各部位在各方向风作用下，面板所受作用均为负压，负压的最大值为q=0.53KN/m2，负风压小于面板自重，是有利荷载，可以不参加荷载组合；c)地震作用：南京市抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.10g；d)温度：年温度变化设计值按80℃考虑，计算时以正负40℃两种工况进行计算；e)雪载：南京市基本雪压0.65 KN/m2，积雪分布系数为1.0；f）活载：按不上人屋面考虑取0.5KN/m2，屋面活载不与雪载同时组合；g）荷载组合：因永久荷载起控制作用，雪载大于活载，所以计算强度的最不利荷载组合为：1.35恒载+1.4雪载+温度作用（-40℃）；计算挠度的最不利荷载组合为：1.0恒载+1.0雪载+温度作用（+40℃）。

　　3.2.3挠度限值的确定

　　单层索网是一种新型的结构形式，挠度的限值如何确定没有现成的标准和规范可以参照；对于单层索网结构的立面幕墙系统，国内外有工程实例介绍按L/50进行控制，这对于以承受风荷载为主的结构来说，可能是合理的，因为50年一遇的暴风和强台风应属“偶然状况”作用，按照《建筑结构可靠度设计统一标准》（GB50068-2001）3.0.5条规定，可只作承载力极限状态验算而必作正常使用状态验算。但对于单层索网采光顶结构，其荷载主要为恒载，可变荷载主要为雪载和活载，都是常遇荷载，除了面板换成了可透光的玻璃外，其他条件与别的钢结构屋面并无区别，所以应以钢结构屋面的挠度限值进行考虑。《钢结构设计规范》（GB50017-2003）A.1.1条规定，屋盖檩条永久和可变荷载标准值产生的挠度（如有起拱应减去拱度）的容许值应按L/200考虑。在设计过程中我们在控制单层索网的挠度容许值时，在考虑雪载和活荷载时，我们是以L/200进行控制的。对于永久荷载产生的挠度，我们是通过调节连接件的高度使玻璃面板形成一定的反拱量来抵消永久荷载产生的挠度，使玻璃面板保持平整（图3）。

　　（图3）

　　3.3结构分析过程

　　结构分析使用ansys有限元计算软件进行，对整个结构包括12根钢筋混凝土柱进行整体建模（图5），钢管圈梁及压杆选用pipe16单元，拉索选用beam4单元。在ansys软件中，beam4单元的预拉力是通过对它添加预应变来产生的，一次性地对所有拉索添加预应变与实际施工过程并不相符，施工过程拉索预拉力的施加是一根一根施加的，这一根施加上预拉力，圈梁的形状就会产生相应的变化，所有的拉索预拉力就都发生变化。利用ansys软件的单元生死的设置和荷载步的分析，可以模拟施工过程预拉力的逐步施加以及整个过程各构件的内力情况和各节点的位移变化情况。具体操作如下：

　　①根据挠度限值，可以估算出纵索的最终预拉力值约100KN（图4）；

　　（图4）

　　自重荷载:  （恒载）
　　雪荷载： （活载）
　　屋面活荷载： （活载）
　　挠度限值:
　　夹角：   
　　预拉力：

　　（图5）

　　②对模型中的所有beam4单元进行kill操作，使得索单元暂时被冻结，以集中力替代索的预拉力，纵向大小为100KN，横向经过多次试算确定为50KN，在这组集中力的作用下，圈梁基本为轴心受压，刚度大，受力合理（图6、7）；

　　（图6）

　　（图7）

　　③进行模拟施工过程计算，施工张拉过程为每根索拉力分三批次张拉，每个施工步同时张拉两根索，对称张拉，纵横交错张拉，每一施工步必须用两个荷载步来进行分析，如图所示（图8），

　　（图8）

　　对于索5、6进行第一施工步的模拟计算，可先对索5、6单元进行kill操作，以集中力36KN替代索的预拉力，进行第一荷载步的计算，重新激活索5、6单元，并把其初预变的实参设置为ε=P/EA=36*1000/140000/324=0.00079，进行第二荷载布的计算，检查各构件的内力情况，确保其在安全范围内，记录各拉索的拉力变化情况和圈梁各节点位移情况，以供施工过程做参考，进行下一施工步的计算；

　　④预拉力施工模拟计算完成后，再加恒载和各种可变荷载，进行各荷载工况组合的计算。

　　3.4.1拉索编号及变形控制点位置（拉索编号,图9；拉索内力，控制点变形，表1）

　　（图9）
　　（表1）                           单位：kN,mm

　　4拉索结构的施工

　　4.1仪器设备

　　单层索网结构拉索的预张拉力很大，用扭力扳手是没有办法达到设计要求的张拉值的，必须用带有千斤顶的拉索张拉器（图10），同时用测力仪对拉索拉力进行实时测控（图11）。

　　（图10）                            （图11）

　　4.2张拉次序

　　在钢管圈梁施工完成后，先水平单层索网，为了使整个结构受力更均匀，应力变化平缓进行，每根索拉力分三批次张拉，每次张拉力增加为预拉力设计值的35%，每个施工步同时张拉两根索，对称张拉，纵横交错张拉，所有水平索都张拉三次后，等候48小时让其拉力达到稳定状态，再用测力仪对拉索拉力进行检测，如误差超过5%必须做最后拉力微调；水平单层索网张拉完毕后，再张拉悬索，悬索的张拉会形成反拱，施工中以检测反拱量为主，检测拉索张拉力为副，反拱量必须和计算玻璃恒载产生挠度抵消，最后装玻璃，可达到基本压平，微小的偏差量可最后用夹具的上下调节量来调平玻璃。

　　4.3施工环境温度对单层索网预拉力的影响

　　在设计计算中，是以环境温度为20℃做为假设条件的，实际的施工环境温度不可能刚好是理想的20℃，所以在施工过程中，必须监测当时的实际温度，并对拉索的张拉力值作温度补偿，施工环境温度高于20℃，施工时的张拉力必须比计算的理论值小，施工环境温度低于20℃，施工时的张拉力必须比计算的理论值大，具体的各拉索拉力值见下表（表2）。

　　施工温度拉力对照表（表2）

　　4.4拉索的检修和保养

　　在采光顶工程竣工验收后六个月时，必须对该工程进行一次全面的预拉力检测和调整，此后每三年宜检查一次；当有遭遇强风袭击后，也应对采光顶进行全面检查，对所有拉索进行一次预拉力检测和调整。

　　5结束语：

　　本工程已于2005年7月份施工完成并通过工程竣工验，个项技术指标均达到设计要求。

　　参考文献
　　[1] 《建筑结构荷载规范》（GB 50009-2001）
　　[2] 《建筑结构可靠度设计统一标准》（GB50068-2001）
　　[3] 《钢结构设计规范》（GB50017-2003）
　　[4] 广东金刚玻璃科技股份有限公司 《特种玻璃结构 幕墙技术》 汕头大学出版社 2003年 第1版