馬鞍形預(yù)應(yīng)力索膜結(jié)構(gòu)施工技術(shù)

中國(guó)建筑第二工程局有限公司（滬） 上海 200135

1 工程概況

武漢中央文化區(qū)漢秀劇場(chǎng)項(xiàng)目裝飾性造型幕墻設(shè)置在主體結(jié)構(gòu)外側(cè)，與結(jié)構(gòu)主體之間保持5～21 m的距離，其直徑為110 m，高約60 m，由橢圓形輪輻環(huán)管（前廳部分加強(qiáng)為環(huán)桁架）、傘撐、桅桿支撐、單層馬鞍形預(yù)應(yīng)力索網(wǎng)和豎索構(gòu)成，為非封閉的裝飾性構(gòu)筑物，其外表面由小圓盤與拉索構(gòu)成，造型獨(dú)特（圖1）。

索網(wǎng)幕墻為雙向單索幕墻系統(tǒng)，以橢圓形環(huán)管（前廳部分為桁架）為骨架，在骨架交叉形成的區(qū)格中填充單層馬鞍形預(yù)應(yīng)力索網(wǎng)。索網(wǎng)幕墻底部與裙樓拉接，立面上通過布置傘狀支撐與主體結(jié)構(gòu)相連，頂部通過桅桿支撐與屋蓋結(jié)構(gòu)相連。通過橢圓形環(huán)管承受環(huán)向壓力，裙樓提供向下的拉力，單層索網(wǎng)為環(huán)管提供豎向面內(nèi)的穩(wěn)定性并形成蒙皮效應(yīng)，豎索為環(huán)桁架的內(nèi)弦提供了豎向聯(lián)系，從而使整體結(jié)構(gòu)形成為一個(gè)張力空間結(jié)構(gòu)。該索結(jié)構(gòu)幕墻體型大，結(jié)構(gòu)形式和力學(xué)性能獨(dú)特，與一般屋蓋和幕墻的索結(jié)構(gòu)差異大，可借鑒的工程案例少。

橢圓形環(huán)管/環(huán)桁架（φ400 mm×10/20 mm），斜向相互交叉，構(gòu)成了φ110 m的幕墻面骨架。環(huán)管自身難以獨(dú)立承受自重及外荷載，需通過布置傘狀支撐依附于主體結(jié)構(gòu)。由于在前廳部分幕墻與主體結(jié)構(gòu)距離較大（最大可達(dá)20 m），難以布置傘撐，故將前廳部分環(huán)管加強(qiáng)為環(huán)桁架，并在頂部通過撐桿與屋蓋結(jié)構(gòu)相連（圖2）。

圖1 漢秀劇場(chǎng)效果圖

圖2 索網(wǎng)幕墻鋼構(gòu)骨架

單層馬鞍形預(yù)應(yīng)力索網(wǎng)填充在環(huán)管區(qū)格中，各區(qū)格的邊界形狀和面積大小差異較大，最大跨度為33.30 m，最小跨度為2.20 m。由于通透性的要求，拉索布置細(xì)密、規(guī)格小、間距小、根數(shù)多。索網(wǎng)張拉完成后在拉索交點(diǎn)處安裝圓形碟片，形成“紅燈籠”的建筑效果。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，預(yù)應(yīng)力索需施加30 kN的預(yù)應(yīng)力。

馬鞍形預(yù)應(yīng)力索網(wǎng)分為內(nèi)外2層鋼索，2層鋼索均采用φ20 mm不銹鋼拉索，2層索網(wǎng)通過圓形鍛鑄鋁夾具連接，共計(jì)2 900根鋼索。鋼索兩端與橢圓形鋼桁架或鋼管結(jié)構(gòu)相連，索頭采用壓制錨具、叉耳式連接件和套筒調(diào)節(jié)裝置（兩端可調(diào)），并通過1個(gè)轉(zhuǎn)向耳板與環(huán)管耳板銷軸連接，實(shí)現(xiàn)多向轉(zhuǎn)動(dòng)。索網(wǎng)的雙向拉索通過圓形索夾夾持在一起，碟片安裝在索夾上。

拉索連接節(jié)點(diǎn)處由夾具和紅色圓盤組件兩大部分組成（圖3）。其中，夾具由金屬壓盤1、金屬壓盤2、金屬壓盤3組成，金屬壓盤2和金屬壓盤3構(gòu)成內(nèi)層斜索夾具，金屬壓盤1和金屬壓盤2構(gòu)成外層斜索夾具；最外層安裝φ800 mm紅色圓盤。本工程金屬壓盤共有18 000余套，由于索網(wǎng)預(yù)緊成型后，交點(diǎn)處內(nèi)外索受壓，因此索夾不承受拉力。索網(wǎng)安裝完成后的軸測(cè)如圖4所示[1-3]。點(diǎn)上的鋼管壁加厚為20 mm，而其直徑達(dá)110 m，需要通過若干支撐共同作用方可形成整體；而預(yù)應(yīng)力索需施加30 kN的預(yù)應(yīng)力，直接作用在外龍骨上將會(huì)使得外龍骨產(chǎn)生變形，如何進(jìn)行索網(wǎng)的預(yù)應(yīng)力施加是本項(xiàng)工程施工的難點(diǎn)，更是重點(diǎn)。

圖3 拉索連接節(jié)點(diǎn)示意

圖4 索網(wǎng)安裝完成后的軸測(cè)示意

2）解決對(duì)策：初步設(shè)定集中張拉方案，對(duì)整個(gè)預(yù)應(yīng)力索網(wǎng)張拉過程進(jìn)行模擬，采用大型通用有限元軟件ANSYS，考慮結(jié)構(gòu)具有雙重非線性（幾何非線性和材料非線性）特征，計(jì)算中考慮幾何大變形和應(yīng)力剛化效應(yīng)。經(jīng)綜合比較，最終確定張拉方案和張拉順序。

2 索網(wǎng)幕墻安裝、張拉難點(diǎn)分析

2.1 耳板定位難

1）難點(diǎn)描述：所有的索網(wǎng)均通過耳板與鋼結(jié)構(gòu)主龍骨相連接，索網(wǎng)最終的造型與耳板的定位息息相關(guān)；外龍骨呈立體圓形，單個(gè)外龍骨為立體橢圓形，耳板在外龍骨上的定位十分困難。

2）解決對(duì)策：通過采用有限元軟件對(duì)外龍骨安裝階段和最終成型階段進(jìn)行建模模擬，將所有的索網(wǎng)進(jìn)行精確模擬，從而確定外龍骨的空間坐標(biāo)；現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施時(shí)，根據(jù)設(shè)置在周邊的基準(zhǔn)點(diǎn)通過全站儀進(jìn)行每一個(gè)耳板的精確定位。

2.2 索網(wǎng)安裝難

1）難點(diǎn)描述：索網(wǎng)依附在鋼結(jié)構(gòu)龍骨上，而該龍骨與主體結(jié)構(gòu)距離5～21 m；索網(wǎng)最高處達(dá)70 m，周邊沒有結(jié)構(gòu)可以依附，耳板焊接和預(yù)應(yīng)力索的安裝較難進(jìn)行。

2）解決對(duì)策：利用安裝鋼結(jié)構(gòu)龍骨所設(shè)置的外置塔架作為操作平臺(tái)；遇到不設(shè)塔架而僅設(shè)三角支撐的部位，利用鋼結(jié)構(gòu)三角支撐設(shè)置吊籃；高出結(jié)構(gòu)的部分，在外龍骨安裝完成后，在外龍骨頂部設(shè)置吊籃。

2.3 立體交叉施工安全監(jiān)管難

1）難點(diǎn)描述：工期緊張，外龍骨與索網(wǎng)同時(shí)施工，索網(wǎng)下部還在進(jìn)行外幕墻施工，存在上下立體交叉施工的安全隱患，安全監(jiān)管難。

2）解決對(duì)策：調(diào)整施工順序，室內(nèi)外分隔，建立立體作業(yè)面移交制度，加強(qiáng)安全監(jiān)管。在外龍骨安裝前完成+19.00 m水平幕墻的安裝，并在水平玻璃幕墻上設(shè)置防護(hù)，通過水平玻璃幕墻的安裝，將上部外龍骨和索網(wǎng)安裝與室內(nèi)精裝修施工分隔開來；按照外龍骨的分隔將索網(wǎng)安裝范圍分成若干工作段，每個(gè)工作段內(nèi)只允許1個(gè)施工單位進(jìn)行作業(yè)；根據(jù)工序安排現(xiàn)場(chǎng)施工的順序，每天召集各單位確認(rèn)每個(gè)工作段內(nèi)的工作，并安排專人進(jìn)行安全監(jiān)管。

2.4 外龍骨柔軟，預(yù)應(yīng)力張拉成型難

1）難點(diǎn)描述：索網(wǎng)所依附的鋼結(jié)構(gòu)外龍骨為φ400 mm、壁厚為10 mm或20 mm的鋼管，僅在外龍骨交叉

3 索網(wǎng)安裝、張拉總體方案

索網(wǎng)總體安裝順序?yàn)榕浜箱摻Y(jié)構(gòu)安裝順序，從下而上逐層安裝。同一層索網(wǎng)區(qū)格安裝先后順序根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)安裝完成情況而定。

索網(wǎng)張拉總體原則為分2次逐層張拉，即在索網(wǎng)自下而上逐層安裝時(shí)，以15 kN為張拉索力逐層進(jìn)行第1次張拉，索網(wǎng)安裝及第1次張拉在支撐胎架上完成；第1次張拉完成后索網(wǎng)基本成型，拆除結(jié)構(gòu)支撐胎架，再自上而下以30 kN為張拉索力逐層進(jìn)行第2次張拉。

4 施工流程

1）索及夾具安裝流程：測(cè)量定位→耳板焊接→外層索安裝→內(nèi)層索安裝→夾具安裝→碟片安裝。

2）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況及工序安排，確定索網(wǎng)安裝流程為：主體結(jié)構(gòu)施工完成→外置塔架吊裝、三角支撐安裝→第1層外龍骨安裝→第2層外龍骨安裝、第1層索網(wǎng)及碟片安裝→第3層外龍骨安裝、第2層索網(wǎng)及碟片安裝→第4層外龍骨安裝、第3層索網(wǎng)及碟片安裝→第5層外龍骨安裝、第4層索網(wǎng)及碟片安裝→第5層索網(wǎng)及碟片安裝→索網(wǎng)自下而上逐層第1次張拉→外龍骨整體荷載轉(zhuǎn)換→塔架拆除、三角支撐拆除→吊籃安裝→索網(wǎng)自上而下逐層第2次張拉→索網(wǎng)調(diào)整找形→吊籃拆除[4,5]。

5 索網(wǎng)安裝方案

5.1 臨時(shí)支撐系統(tǒng)安裝

前廳部分用于支撐外龍骨的外塔架、后廳部分用于支撐外龍骨的樓層結(jié)構(gòu)柱外三角挑支架的平面布置如圖5、圖6所示。

5.2 索網(wǎng)龍骨安裝

按照?qǐng)D紙?jiān)O(shè)計(jì)要求，將索網(wǎng)主龍骨分段進(jìn)行吊裝，主龍骨全部擱置在塔架和三角支撐上。主龍骨采取自下而上分段吊裝的方式進(jìn)行安裝。

5.3 測(cè)量定位及耳板焊接

設(shè)置一級(jí)控制網(wǎng)，用全站儀采取極坐標(biāo)定位法進(jìn)行耳板定位。測(cè)量定位完成后，在鋼龍骨上用油漆進(jìn)行標(biāo)示，然后將耳板焊接在鋼龍骨上。

圖5 前廳環(huán)桁架部分支撐塔架三維示意

圖6 后廳節(jié)點(diǎn)剖面示意

5.4 拉索安裝

1）單根拉索質(zhì)量從52～85 kg不等，每個(gè)拉索夾具質(zhì)量約為2.00 kg，每根拉索上需要安裝4～15套鋁合金金屬壓盤。

2）在安裝現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)斜向拉索編號(hào)對(duì)主體結(jié)構(gòu)上的錨固部位進(jìn)行標(biāo)記。

3）在地面上將雙向節(jié)點(diǎn)接駁件分解成3塊，并且把其中金屬壓盤3和金屬壓盤2分別安裝至內(nèi)層拉索上指定位置。

4）按編號(hào)順序依次把內(nèi)層拉索通過第2層上設(shè)置的滑輪牽引至對(duì)應(yīng)的主體結(jié)構(gòu)錨固部位（本項(xiàng)工作可根據(jù)施工進(jìn)度計(jì)劃需要，把拉索幕墻分成多個(gè)作業(yè)區(qū)段，同時(shí)進(jìn)行拉索安裝工作）。

5）當(dāng)拉索2個(gè)固定端均安裝至主體結(jié)構(gòu)錨固處并可靠錨固后，把節(jié)點(diǎn)處內(nèi)、外層斜向拉索卡具用對(duì)接螺栓連接，固定好2層拉索。

6）索網(wǎng)區(qū)格的安裝必須遵守“從下而上，從小格到大格，前后中軸對(duì)稱同步協(xié)調(diào)”原則，依次安裝拉索。其中2層斜向拉索通過金屬壓盤進(jìn)行連接固定，可以形成索網(wǎng)的零狀態(tài)。

7）拉索安裝過程中應(yīng)做好對(duì)拉索及雙向節(jié)點(diǎn)接駁件的保護(hù)工作，如有損壞，應(yīng)及時(shí)聯(lián)系廠家維修或更換相應(yīng)材料。拉索安裝步驟為：安裝外層索→安裝內(nèi)層索→鎖好夾具（金屬壓盤）[6,7]。

6 預(yù)應(yīng)力索網(wǎng)張拉過程分析

6.1 施工分析軟件和方法

采用大型通用有限元軟件ANSYS，考慮結(jié)構(gòu)具有雙重非線性（幾何非線性和材料非線性）特征，計(jì)算中考慮幾何大變形和應(yīng)力剛化效應(yīng)?；贏NSYS平臺(tái)和相關(guān)規(guī)范，二次開發(fā)了鋼構(gòu)件和拉索的承載力驗(yàn)算程序。

6.2 荷載條件

1）自重：鋼材密度為7.85×103kg/m3；索夾重量取150 N；找力分析時(shí)不考慮索網(wǎng)及索夾自重作用，其他分析時(shí)再計(jì)入二者自重。

2）預(yù)張力：施工過程為分2次進(jìn)行張拉，第1次張拉的預(yù)張力為15 kN，第2次張拉的預(yù)張力為30 kN。

3）支座約束條件：

（1）結(jié)構(gòu)約束條件：幕墻底部與裙樓相連處為固定支座，傘撐與主體連接處為三向固定鉸支座，傘撐與鋼屋蓋連接處為彈性支座，豎向剛度為40 000 N/mm。

（2）支架附加約束條件：支撐胎架為結(jié)構(gòu)在所有支撐點(diǎn)提供附加豎向約束，包括向上和向下約束；在鋼構(gòu)和索網(wǎng)安裝、索網(wǎng)第1次張拉時(shí)存在支架附加約束，第1次張拉完成后完成支架拆除，之后不再存在支架附加約束。

6.3 3個(gè)關(guān)鍵施工階段的結(jié)構(gòu)狀況

索網(wǎng)安裝張拉的整個(gè)施工過程主要分為第1次張拉、拆除支架、第2次張拉3個(gè)過程，控制這3個(gè)施工階段的結(jié)構(gòu)狀況是整個(gè)施工過程分析的關(guān)鍵。

6.3.1 第1次從下而上逐層張拉過程分析

索網(wǎng)第1次分層張拉以15 kN為張拉索力，從下而上逐層進(jìn)行張拉。15 kN索力為索網(wǎng)全部張拉完成后的平均索力，在考慮索網(wǎng)和索夾自重后，各層索網(wǎng)以及同一區(qū)格內(nèi)索網(wǎng)索力存在一定不均勻性。

分層張拉后索網(wǎng)索力及鋼構(gòu)件應(yīng)力情況如表1所示。

表1 索網(wǎng)分層張拉時(shí)整體索網(wǎng)索力及鋼構(gòu)件最大等效應(yīng)力

6.3.2 拆除支架過程分析

在索網(wǎng)第1次分層張拉完成后進(jìn)行支撐胎架的拆除。支撐分層分批進(jìn)行拆除，先拆除后廳支撐三角架，再?gòu)纳隙路?層拆除前廳部分支撐塔架。

分層分批進(jìn)行支撐胎架拆除，索網(wǎng)索力及鋼構(gòu)件等效應(yīng)力變化如表2所示。從表中可以看出，拆除胎架對(duì)于索網(wǎng)索力及鋼構(gòu)件等效應(yīng)力影響均較小。

表2 分層分批拆除支撐胎架索網(wǎng)索力變化及鋼構(gòu)件最大等效應(yīng)力

6.3.3 索網(wǎng)第2次分層張拉

索網(wǎng)第2次分層張拉以30 kN為張拉索力，自上而下逐層張拉。第2次張拉時(shí)已拆除支撐胎架，為最后補(bǔ)張拉階段，使索網(wǎng)索力達(dá)到設(shè)計(jì)張拉索力。由于索網(wǎng)及索夾自重影響，30 kN索力為平均索力，各區(qū)格及區(qū)格內(nèi)部上下部分均存在一定的索力不均勻現(xiàn)象。

第2次分層張拉后索網(wǎng)索力及鋼構(gòu)件應(yīng)力情況如表3所示。

表3 索網(wǎng)第2次分層張拉索網(wǎng)索力及鋼構(gòu)件最大等效應(yīng)力

7 預(yù)應(yīng)力張拉

7.1 張拉設(shè)備介紹

選用液壓手搖泵張拉器，對(duì)每根斜向拉索實(shí)施張拉。針對(duì)本工程實(shí)際情況，準(zhǔn)備了15套手搖泵張拉器，如圖7所示。

圖7 手搖泵張拉器

7.2 拉索張拉力順序

因本工程項(xiàng)目比較特殊，采用的是主體鋼結(jié)構(gòu)邊施工、不銹鋼索邊張拉的交叉作業(yè)順序，在主體結(jié)構(gòu)沒有完成卸載的情況下，鋼索安裝就基本找形完成，而待鋼結(jié)構(gòu)完成卸載，鋼桁架的內(nèi)應(yīng)力重新分配直至最終變形完成，再調(diào)整索力直至達(dá)到設(shè)計(jì)要求。經(jīng)計(jì)算分析，張拉索力比較小，每根索力約30 kN，所以對(duì)整體結(jié)構(gòu)變形影響不大。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，采用“從下而上，從小格到大格，前后中軸對(duì)稱同步協(xié)調(diào)”的張拉順序，第1次張拉達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力值的50%，第2次張拉達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力值的100%。第1次張拉，應(yīng)在鋼結(jié)構(gòu)沒有卸載的情況下完成，并且完成基本找形（具備安裝紅色大圓盤的條件），第2次張拉必須等鋼結(jié)構(gòu)完全卸載并且鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力重新分配到位后才可以進(jìn)行。

7.3 索力監(jiān)測(cè)

張拉過程中采用千斤頂張拉力控制的施工方法，并對(duì)部分拉索應(yīng)力進(jìn)行張拉過程全程監(jiān)測(cè)，索力監(jiān)測(cè)設(shè)備采用手提式測(cè)力儀。另外，張拉時(shí)監(jiān)控拉索幕墻中控制點(diǎn)的變形，及時(shí)對(duì)斜向拉索進(jìn)行調(diào)整，以確保其滿足設(shè)計(jì)要求。張拉完畢后，全面測(cè)量拉索幕墻的形狀，如不滿足設(shè)計(jì)要求，應(yīng)對(duì)斜向拉索的長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)整[8]。

8 結(jié)語(yǔ)

武漢中央文化區(qū)漢秀劇場(chǎng)索網(wǎng)幕墻形式獨(dú)特，造型別致。為達(dá)到其晶瑩剔透的效果，采用鋼結(jié)構(gòu)柱面網(wǎng)格狀網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)作為主龍骨，主龍骨相交形成的區(qū)格內(nèi)設(shè)置馬鞍形預(yù)應(yīng)力索膜，索網(wǎng)交叉點(diǎn)上設(shè)置紅色圓形碟片。通過對(duì)整個(gè)安裝過程的分析和計(jì)算模擬，圓滿完成了整個(gè)索網(wǎng)幕墻的安裝工作，也為類似工程提供了很好的借鑒。