高空大跨度索桁式弦支結(jié)構(gòu)的施工與監(jiān)測(cè)

金 振 劉海安 吳小偉 閆海飛

1. 廣廈建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 杭州 310013；2. 浙江省建工集團(tuán)有限責(zé)任公司 杭州 310012；3. 浙江精工鋼結(jié)構(gòu)股份有限公司 紹興 312000

1 工程概況

樂(lè)清體育中心位于浙江省樂(lè)清市旭陽(yáng)路，其中體育館建筑面積22 155 m2，南北長(zhǎng)約為148 m，東西寬約為128 m，屋面最高標(biāo)高為28 m，上部覆蓋剛性屋面。屋蓋結(jié)構(gòu)采用索桁式弦支結(jié)構(gòu)，由單層曲面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)和空間索桁結(jié)構(gòu)雜交而成，內(nèi)圈是弦支結(jié)構(gòu)，外圍是索桁結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)軸側(cè)圖如圖1所示。體育館周邊的V形柱和上下環(huán)梁形成的環(huán)形桁架作為屋蓋支撐體系。

圖1 結(jié)構(gòu)軸側(cè)示意

索桁式弦支結(jié)構(gòu)的索系由徑向外斜索、徑向內(nèi)斜索、外環(huán)索、內(nèi)環(huán)索和吊索組成，索桁式弦支結(jié)構(gòu)剖面如圖2所示。所有拉索均采用柔性索，通過(guò)兩端索頭與相應(yīng)節(jié)點(diǎn)銷軸連接，主結(jié)構(gòu)拉索采用Galfan（高釩）光面索。外斜索截面為Φ7 mm×121 mm，外環(huán)索截面為Φ7 mm×301 mm， 內(nèi)斜索截面為Φ7 mm×19 mm，內(nèi)環(huán)索截面為Φ7 mm×31 mm。徑向梁截面為□500 mm×400 mm×16 mm×18 mm和□800 mm×400 mm×25 mm×25 mm，徑向梁間內(nèi)環(huán)梁截面為□500 mm×400 mm×16 mm×18 mm，外環(huán)梁截面為Φ273 mm×10 mm。

圖2 索桁式弦支結(jié)構(gòu)剖面

2 施工方法[1-2]

索桁式弦支結(jié)構(gòu)必須要在結(jié)構(gòu)中建立預(yù)應(yīng)力，通過(guò)張拉具有足夠的剛度，以承受荷載和維持形狀。弦支穹頂結(jié)構(gòu)一般采用搭設(shè)滿堂腳手架，在腳手架上組裝索系，然后進(jìn)行各索的張拉。但本工程屋蓋采用的是索桁式弦支結(jié)構(gòu)，空間更復(fù)雜，施工難度更大，顯然搭設(shè)滿堂腳手架的施工方法費(fèi)用高、工期長(zhǎng)，而且將長(zhǎng)索吊運(yùn)至腳手架平臺(tái)上展開(kāi)和組裝的施工難度非常大。根據(jù)工程索系的特點(diǎn)和施工條件，采用“低空無(wú)應(yīng)力組裝， 空中牽引提升，高空分級(jí)同步張拉”的施工方法，其中外圍環(huán)索采用低空組裝同步提升，徑向外斜索分2 段進(jìn)行提升，內(nèi)圈弦支結(jié)構(gòu)在地面組裝后整體提升；預(yù)應(yīng)力施工采取分批分級(jí)同步張拉徑向內(nèi)外斜索施工技術(shù)。

2.1 施工流程

安裝網(wǎng)格結(jié)構(gòu)支撐胎架→安裝內(nèi)圈曲面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)→安裝外圍曲面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)→低空無(wú)應(yīng)力組裝外環(huán)索，并安裝提升工裝和垂直提升千斤頂→提升外環(huán)索及徑向外斜索，并安裝撐桿和索夾→外環(huán)索帶動(dòng)徑向外斜索1提升到位→在屋面徑向鋼梁上展開(kāi)徑向外斜索2，并安裝吊索夾→牽引徑向外斜索1，使其自由端穿越徑向鋼梁的預(yù)留孔→安裝徑向外斜索2下的吊索→對(duì)接徑向外斜索1和2→提升徑向外斜索2至上環(huán)梁位置→連接徑向外斜索1的索夾與撐桿→將撐桿3與外環(huán)索索夾焊接→調(diào)節(jié)外環(huán)索夾空間位置，同步張拉徑向外斜索→拆除外圍支撐胎架→地面組裝內(nèi)圈弦支索桿→整體提升內(nèi)圈弦支索桿→同步張拉徑向內(nèi)斜索→拆除中心支撐胎架

2.2 單層曲面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)安裝

2.2.1 支撐胎架安裝

支撐胎架采用8 個(gè)鋼結(jié)構(gòu)格構(gòu)柱，將支撐胎架搭設(shè)至單層曲面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)和空間索桁結(jié)構(gòu)位置，并在格構(gòu)柱之間采用水平鋼梁連接以提高整體穩(wěn)定性。

2.2.2 內(nèi)圈曲面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)安裝

先安裝內(nèi)圈曲面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，再安裝外圍曲面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。安裝內(nèi)圈曲面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)時(shí)，先將最中心位置的徑向梁交叉節(jié)點(diǎn)單獨(dú)作一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行吊裝。然后整段吊裝通長(zhǎng)徑向梁，通長(zhǎng)徑向梁之間的環(huán)梁和徑向梁組成一個(gè)單元在地面拼裝完成后整塊吊裝。

2.2.3 外圍曲面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)安裝

采用按區(qū)塊對(duì)稱同步安裝的方法進(jìn)行吊裝施工，即先對(duì)稱同步安裝2 個(gè)區(qū)塊，然后再對(duì)稱同步安裝相鄰的2 個(gè)區(qū)塊，以此類推，直到全部安裝完成。具體如下：

首先，按順時(shí)針?lè)侄蔚跹b徑向梁；接著，對(duì)稱吊裝相鄰的徑向梁；徑向梁吊裝就位后先用臨時(shí)連接耳板固定，然后吊裝該區(qū)塊徑向鋼梁之間的環(huán)梁；環(huán)梁吊裝到位后采用連接耳板臨時(shí)固定，等徑向梁之間的環(huán)梁全部吊裝完成后，再次復(fù)核徑向梁軸線和標(biāo)高并校正偏差；最后進(jìn)行徑向梁的正式焊接。

徑向梁焊接順序從一側(cè)開(kāi)始向另一側(cè)推進(jìn)，這樣的焊接方式可以用環(huán)梁作為主梁的拘束度，以減小徑向梁焊接變形；同時(shí)，避免了“雙桿單焊”所可能造成的熱裂紋。徑向梁焊接完成后進(jìn)行該區(qū)塊環(huán)梁的焊接。采取“分區(qū)進(jìn)行、每步歸零”的焊接原則，有效避免了長(zhǎng)距離誤差積累，同時(shí)在相對(duì)較短的區(qū)域和時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行局部合攏，合攏溫度為20 °C±2 °C，避免產(chǎn)生較大的應(yīng)力。

采用按區(qū)塊對(duì)稱同步安裝的方法進(jìn)行吊裝施工，最后外圍曲面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)分別在長(zhǎng)軸兩端完成合攏形成整體，整個(gè)曲面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)分別擱支在8 個(gè)鋼結(jié)構(gòu)格構(gòu)柱上。

2.3 拉索安裝

2.3.1 外環(huán)索安裝

外環(huán)索在其平面投影區(qū)域的1層樓面上內(nèi)低空無(wú)應(yīng)力組裝，如圖3所示。外環(huán)索在安裝時(shí)，保證與吊索偏擺方向和偏擺量的一致。然后在外環(huán)索垂直平面上的鋼環(huán)梁位置安裝提升工裝，并安裝垂直提升千斤頂，如圖4所示；在索夾兩側(cè)設(shè)置吊點(diǎn)，外環(huán)索與索夾組裝完成后利用垂直提升千斤頂同步提升外環(huán)索。

圖3 外環(huán)索低空無(wú)應(yīng)力組裝

2.3.2 徑向外斜索1安裝

首先將徑向外斜索1與環(huán)索通過(guò)環(huán)索夾進(jìn)行對(duì)接。根據(jù)環(huán)索夾與看臺(tái)的遠(yuǎn)近分2 種情況進(jìn)行安裝。當(dāng)環(huán)索夾與看臺(tái)距離較近時(shí)，環(huán)索提升到與看臺(tái)外邊相同標(biāo)高位置，然后與徑向外斜索直接連接；當(dāng)環(huán)索夾與看臺(tái)距離較遠(yuǎn)時(shí)，徑向外斜索直接在地面與環(huán)索連接。

當(dāng)所有徑向外斜索1與環(huán)索連接完成，繼續(xù)同步提升環(huán)索，當(dāng)提升高度達(dá)到方便安裝徑向外斜索與撐桿連接索夾的高度時(shí)，安裝索夾完成撐桿與徑向外斜索的連接。當(dāng)所有徑向外斜索1與環(huán)索連接完成后，繼續(xù)同步提升環(huán)索至結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)高。

2.3.3 徑向外斜索2安裝

首先在鋼梁上表面搭設(shè)鋪裝平臺(tái)，然后在場(chǎng)內(nèi)采用汽車吊將徑向外斜索2吊至徑向鋼梁上，將徑向外斜索2在徑向鋼梁上展開(kāi)。

在鋼結(jié)構(gòu)上環(huán)梁的上部安裝室外斜索提升裝置，先牽引徑向外斜索1另一端索頭，使之穿過(guò)徑向鋼梁預(yù)設(shè)孔（圖5），并與徑向外斜索2連接。索夾安裝時(shí)，嚴(yán)格按外斜索索體表面的標(biāo)識(shí)位置進(jìn)行初步定位，然后通過(guò)預(yù)緊來(lái)調(diào)整位置。完成徑向外斜索1與徑向外斜索2的連接后，通過(guò)徑向外斜索2提升裝置牽引徑向外斜索2索頭，將整根外斜索牽引到位后將其與外環(huán)鋼梁耳板連接。

圖4 垂直提升千斤頂安裝

圖5 穿越節(jié)點(diǎn)

2.3.4 吊索、撐桿與索夾的連接

徑向外斜索對(duì)接完成后，初步調(diào)整外環(huán)索索夾定位方向，然后進(jìn)行吊索與索夾、撐桿與索夾的連接，再次調(diào)整外環(huán)索索夾定位方向，再將吊索與索夾固定，撐桿與索夾采用焊接連接。

2.3.5 內(nèi)圈索系安裝

外圍索系安裝完成后，安裝內(nèi)圈索系。內(nèi)圈弦支結(jié)構(gòu)的索桿全部在其地面投影位置組裝完成，先安裝內(nèi)環(huán)索，再安裝內(nèi)斜索，內(nèi)環(huán)索與內(nèi)斜索通過(guò)索夾進(jìn)行連接，然后整體提升到結(jié)構(gòu)標(biāo)高位置。

2.3.6 安裝注意事項(xiàng)

施工前仔細(xì)核對(duì)節(jié)點(diǎn)的位置和方向，注意節(jié)點(diǎn)耳板方向。在工廠里對(duì)拉索進(jìn)行嚴(yán)格編號(hào)和精確標(biāo)記。按照初始預(yù)張力和制作長(zhǎng)度，在索頭調(diào)節(jié)裝置上標(biāo)記設(shè)計(jì)索長(zhǎng)的位置。安裝前尚需量測(cè)實(shí)際關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的安裝偏差，根據(jù)這些標(biāo)記和節(jié)點(diǎn)安裝偏差，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行拉索的安裝，并調(diào)節(jié)索長(zhǎng)。索夾安裝應(yīng)嚴(yán)格按徑向索索體表面的標(biāo)識(shí)位置初步定位，然后通過(guò)預(yù)緊來(lái)調(diào)整位置。

2.4 預(yù)應(yīng)力施工

建立初始預(yù)張力是索桁式弦支結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵問(wèn)題，本工程屋蓋由內(nèi)圈弦支結(jié)構(gòu)和外圍索桁結(jié)構(gòu)2 個(gè)不同類型的體系組成，具有明顯的創(chuàng)新性，給預(yù)應(yīng)力施工帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。針對(duì)本工程預(yù)應(yīng)力體系的特點(diǎn)，采取分批分級(jí)同步張拉的預(yù)應(yīng)力施工技術(shù)。

2.4.1 張拉方案

本工程外圍索桁體系由徑向外斜索、吊索和撐桿組成，一端與鋼環(huán)梁連接，另一端與環(huán)索連接。徑向索桿與鋼梁受力情況比一般的弦支穹頂結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如果只通過(guò)張拉環(huán)索而使各榀徑向索的桿件內(nèi)力達(dá)到設(shè)計(jì)值難度較大，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)和索系的安裝精度要求極高。因此，根據(jù)本工程結(jié)構(gòu)體系的特點(diǎn)，確定采用徑向斜索張拉法在結(jié)構(gòu)中建立所需的預(yù)應(yīng)力。

內(nèi)圈弦支結(jié)構(gòu)和外圍索桁體系在結(jié)構(gòu)受力上相對(duì)獨(dú)立，通過(guò)對(duì)先張拉外圍再?gòu)埨瓋?nèi)圈的施工模擬計(jì)算可知：內(nèi)圈預(yù)應(yīng)力施加完成時(shí)，外圍弦支體系的索桿內(nèi)力變化不大。因此，本工程體系預(yù)應(yīng)力建立采用“先外后內(nèi)”的施工順序，即先張拉外圍徑向斜索至設(shè)計(jì)預(yù)張力，再?gòu)埨瓋?nèi)圈弦支結(jié)構(gòu)的徑向斜索。

2.4.2 徑向斜索張拉端位置選擇

外圍索桁結(jié)構(gòu)的徑向外斜索選擇在靠近外環(huán)索端進(jìn)行張拉，內(nèi)圈弦支結(jié)構(gòu)的徑向內(nèi)斜索在靠近外環(huán)索上部張拉，張拉位置如圖6所示，張拉位置的選擇主要從以下3 個(gè)方面考慮：

圖6 內(nèi)外斜索張拉順序

（a）外環(huán)索提升安裝時(shí)在外環(huán)索垂直面上部的內(nèi)環(huán)梁上提供工裝及千斤頂，在徑向索張拉時(shí)方便將工裝及千斤頂轉(zhuǎn)運(yùn)至徑向索索端；

（b）內(nèi)外徑向索的張拉端在同一垂直面內(nèi)，方便張拉工作的倒換；

（c）外徑向索靠近外環(huán)索端張拉，張拉力直接傳遞給外環(huán)索，在張拉至徑向索設(shè)計(jì)值時(shí)，外環(huán)索內(nèi)力也可準(zhǔn)確判斷。

2.4.3 張拉機(jī)具

進(jìn)行張拉的徑向外斜索為24 根，徑向內(nèi)斜索為8 根。采用2 個(gè)千斤頂同時(shí)張拉施加預(yù)應(yīng)力，鑒于施工時(shí)最大張拉力約為1 100 kN，選用YCW60B型千斤頂進(jìn)行張拉，選用YCW150B型千斤頂作備用。張拉時(shí)拉索張拉力保持均衡，因此張拉時(shí)每臺(tái)油泵控制2 臺(tái)千斤頂。共需千斤頂8 臺(tái)，油泵4 臺(tái)。

2.4.4 分批分級(jí)循環(huán)張拉

為有效節(jié)約施工成本，保證預(yù)應(yīng)力施工過(guò)程結(jié)構(gòu)安全，內(nèi)圈和外圍索桿體系采用分批分級(jí)循環(huán)張拉的方法，先分批張拉徑向外斜索，再分批張拉徑向內(nèi)斜索。張拉順序?yàn)椋旱?批張拉外斜索1、外斜索7，第2批張拉外斜索4，第3批張拉外斜索5，第4批張拉外斜索3，第5批張拉外斜索2，第6批張拉外斜索6，第7批張拉內(nèi)斜索1、內(nèi)斜索3，第8批張拉內(nèi)斜索2（圖7）。

圖7 斜索示意

（a）第1階段：分級(jí)張拉徑向外斜索，10％→50％→90％→100％。

（b）第2階段：分級(jí)張拉徑向內(nèi)斜索，10％→90％→100％。

每個(gè)階段又分批進(jìn)行張拉，第一階段每級(jí)分6 個(gè)批次（預(yù)緊至10％不分批），第二階段每級(jí)分2 個(gè)批次（預(yù)緊不分批）。當(dāng)徑向外斜索張拉至目標(biāo)索力的90％時(shí)，整個(gè)結(jié)構(gòu)和胎架脫離，此時(shí)拆除支撐胎架。

2.4.5 張拉注意事項(xiàng)

為保證內(nèi)外斜索索力的均衡，每一批拉索應(yīng)同步分級(jí)張拉。千斤頂與油壓表需配套校驗(yàn)，標(biāo)定數(shù)據(jù)的有效期在6 個(gè)月以內(nèi)。

千斤頂張拉過(guò)程中，油壓應(yīng)緩慢、平穩(wěn)，并且邊張拉邊旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)裝置。嚴(yán)格按照標(biāo)定記錄，按計(jì)算拉索張拉力控制千斤頂實(shí)際張拉力。張拉過(guò)程統(tǒng)一指揮、協(xié)調(diào)管理。拉索張拉過(guò)程中停止張拉結(jié)構(gòu)其他項(xiàng)目的施工。

3 施工監(jiān)測(cè)[3]

預(yù)張力張拉過(guò)程是結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程，是結(jié)構(gòu)從零狀態(tài)向成形初始狀態(tài)轉(zhuǎn)變的過(guò)程。由于鋼結(jié)構(gòu)安裝誤差、拉索制作、安裝和張拉誤差、分析誤差以及環(huán)境影響等原因，實(shí)際結(jié)構(gòu)狀態(tài)與分析模型存在差異，因此對(duì)預(yù)應(yīng)力施工過(guò)程進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。

3.1 監(jiān)測(cè)內(nèi)容

對(duì)鋼索內(nèi)力采用磁通量、加速度傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)；對(duì)剛性構(gòu)件（環(huán)梁及徑向鋼梁）應(yīng)力采用應(yīng)變傳感器監(jiān)測(cè)；對(duì)鋼結(jié)構(gòu)及索體表面溫度采用氣溫測(cè)量?jī)x、光纖光柵傳感器監(jiān)測(cè)。

3.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果

（a）通過(guò)對(duì)張拉過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)溫度對(duì)索力的影響較大。溫度對(duì)索力的影響規(guī)律明顯，即溫度下降索力增加，溫度升高索力減小。索力的數(shù)值在張拉過(guò)程中呈波動(dòng)但緩慢上升的特點(diǎn)。進(jìn)入屋面板施工后，索力數(shù)值進(jìn)一步呈增大趨勢(shì)，波動(dòng)現(xiàn)象仍然明顯，但幅度沒(méi)有張拉階段大?？傮w上，索力變化與屋面板施工進(jìn)程符合較好。

（b）徑向梁和上環(huán)梁的應(yīng)力變化總體上較符合施工過(guò)程的結(jié)構(gòu)受力變化規(guī)律。無(wú)論是張拉階段還是屋面板施工階段，在徑向梁和上環(huán)梁上監(jiān)測(cè)的應(yīng)力較小，徑向梁應(yīng)力增量大多在30 MPa以內(nèi)，上環(huán)梁大多在20 MPa以內(nèi)。

（c）將張拉完畢時(shí)的磁通量EM索力監(jiān)測(cè)結(jié)果與設(shè)計(jì)張拉力進(jìn)行對(duì)比，大多數(shù)拉索的實(shí)際預(yù)張力與設(shè)計(jì)值的相對(duì)誤差在10％以內(nèi)。

各測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)和變化曲線顯示，結(jié)構(gòu)應(yīng)力與應(yīng)變基本與設(shè)計(jì)吻合，被測(cè)結(jié)構(gòu)處于良性受力狀態(tài)。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)索桁式弦支結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，采用“低空無(wú)應(yīng)力組裝， 空中牽引提升，高空分級(jí)同步張拉”的總體施工方法。對(duì)外環(huán)索采用低空組裝同步提升，徑向外斜索分兩段進(jìn)行提升；對(duì)內(nèi)圈弦支結(jié)構(gòu)在地面組裝后整體提升；結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力的建立采用張拉內(nèi)外徑向索的方法，先分批分級(jí)同步張拉外斜索，再分批分級(jí)同步張拉內(nèi)斜索。通過(guò)健康監(jiān)測(cè)，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工的科學(xué)性與有效性。