大跨預應力雙層懸索屋蓋同步提升技術研究與模態(tài)分析

姚傳勤，馬海彬，白　蓉，蔣韶鑫

(1.安徽理工大學土木建筑學院，安徽　淮南　232001；2.中國建筑第四工程局有限公司，廣東　廣州　510665)

大跨預應力雙層懸索屋蓋同步提升技術研究與模態(tài)分析

姚傳勤1，馬海彬1，白蓉2，蔣韶鑫2

(1.安徽理工大學土木建筑學院，安徽淮南232001；2.中國建筑第四工程局有限公司，廣東廣州510665)

以佛山(國際)家居博覽城項目為依托，通過對大跨預應力雙層懸索屋蓋同步提升關鍵施工技術進行研究和狀態(tài)模擬分析。采用大跨預應力雙層懸索屋蓋同步提升技術，在屋面上安裝外環(huán)鋼結構和地面上拼裝飛柱，可以有效保證安裝焊接質量，后通過張拉預應力鋼索實現(xiàn)飛柱的提升，有利于保證屋蓋的整體性?？偨Y形成了超大跨度預應力雙層懸索屋蓋同步提升的施工工法，可有效提高施工過程安全保障，加快施工進度，降低成本。該研究成果可為類似大跨預應力工程的施工提供依據(jù)，具有良好的實踐意義和廣泛的推廣應用價值。

預應力；雙層懸索屋蓋；同步提升；模態(tài)分析

隨著社會的進步和經(jīng)濟的高速發(fā)展，大型公共設施作為城市的標志性建筑越來越受重視，而其新穎別致的立面造型、平面組合與使用功能匹配的矛盾也隨之凸顯出來，超大跨度懸索結構屋蓋應運而生。該結構形式是在環(huán)形結構的圓心處設置受拉內環(huán)，雙層索一端支撐在中心內環(huán)上，另一端支撐在在周邊受壓外環(huán)上，承重索和穩(wěn)定索均沿輻射方向布置，并懸掛在相應的支撐結構上，下斜索為承重索，上斜索為穩(wěn)定索的一種新型組合結構形式[1]。若使用傳統(tǒng)的屋面工程安裝方法則需要搭設大量腳手架及支撐，且需大型起重設備配合吊裝，施工難度較大，安全隱患突出。如何解決這些施工難題是廣泛推行這一新型結構形式的關鍵。

1　工程概況

某家居博覽城工程占地201 334m2，建筑面積74萬m2，高59.6m。工程為框架剪力墻結構，地下室一層，主體九層，其中地下室為整體結構，主體分為ABCD四棟塔樓，各塔樓間的連接組成“十字型”連廊，連廊中心的“鉆石型”天幕巨傘單體面積6 500m2，離地高度56m，是目前世界上最大、提升高度最高的單體天幕傘。該工程項目雙層懸索屋蓋使用最新的千斤頂液壓控制同步提升技術施工，完成整個屋面同步提升工作，施工過程中未發(fā)生質量和安全事故，施工效果突出。

2　關鍵施工技術研究及狀態(tài)模擬

雙層懸索屋蓋同步提升施工技術工藝原理為在外環(huán)鋼結構和飛柱地面拼裝完畢后，將預應力鋼索一端安裝在飛柱上，另一端通過鋼絞線牽引至外環(huán)固定的提升千斤頂上作為提升索。通過同步控制系統(tǒng)(計算機控制油泵和千斤頂張拉預應力鋼索組合控制系統(tǒng))，把飛柱提升至設計要求標高。

2.1關鍵施工技術研究及狀態(tài)模擬

2.1.1鋼結構體系的現(xiàn)場拼裝技術要求

鋼結構體系現(xiàn)場拼裝要求場地平整，拼裝平臺必須用水準儀抄平，組裝焊接胎具用槽鋼焊接，以保證屋架整榀拼裝成型后牢固、不變形[2]。由于索體基本上長度固定，只有微小的調節(jié)量，要事先考慮預應力張拉過程中拉索自身伸長值，為了保證整個結構的安裝精度，必須控制好四周鋼環(huán)梁的安裝精度高。由于索體表面為PE層，鋼結構焊接過程中要注意保護好索體，在提升和張拉過程中，嚴禁電焊作業(yè)。

2.1.2預應力鋼索施工技術要求

⑴預應力鋼索結構體系由專業(yè)鋼結構生產(chǎn)廠家工廠制作，并進行預拼裝編號。

⑵預應力鋼索結構體系在運輸、吊裝過程中必須嚴格按操作規(guī)程進行，盡量避免碰撞擠壓。

⑶預應力鋼索結構體系在現(xiàn)場安裝前，應妥善存放在干燥平整的地方，底部要有墊木，上部要有防雨措施，以避免材料受潮銹蝕，切忌砸壓和接觸電氣焊作業(yè)，避免損傷[3]。

鋼索捻制好后要進行預張拉，取破斷拉力的50%，持續(xù)時間取2h(見圖1)。

通過預張拉可以達到以下目的：消除拉索受力伸長時的非線性因素；避免在工地預張拉后出現(xiàn)快速松馳現(xiàn)象；使鋼絞線結合緊密，受力均勻。

圖1　預應力鋼索預張拉圖

2.1.3拉索固定端安裝技術要求

待預應力鋼索結構體系全部運至施工現(xiàn)場，安裝準備就緒后，開始安裝脊索、谷索、穩(wěn)定索和斜索固定端，支撐結構以及鋼屋架拼裝結束并經(jīng)檢查驗收合格后，利用卷揚機的鋼絞線分段安裝各脊索固定端。穩(wěn)定索使用8根Φ22，單根長度38m的鋼絞線索，預先在飛柱對應位置焊接連接耳板，待飛柱拼裝完成后，將鋼絞線索連接至預先焊接的耳板上；斜索在地面全部放開，固定端索頭連接到飛柱底端預先焊接的耳板上，隨著飛柱的提升，斜索隨之提離地面[4]。

2.1.4飛柱提升技術要求及模態(tài)

(1)脊索、工裝索同步提升技術要求利用整體同步提升控制裝置控制16根提升點脊索的提升，飛柱提升高度≤22m時，精度控制在50mm，單缸行程控制在150mm。當飛柱提升至100mm標高時，應停止提升并保持靜止狀態(tài)6h左右，該狀態(tài)下，結構下節(jié)點處，有32根斜索的索頭及部分索體重量已作用在飛柱上(斜索索頭0.5T，索體按30kg/m，鑄鋼節(jié)點重量25T)，在計算模型中，下節(jié)點荷載按506kN考慮，脊索、谷索的索頭按0.3T考慮，索體按13kg/m考慮，因此在64個上節(jié)點處按照6kN考慮節(jié)點荷載，結構自重由程序自動計算并考慮1.2倍系數(shù)[6]。該狀態(tài)下16個提升索內力為157～185kN，結構位形及拉索拉力如圖2、圖3所示。

圖2　飛柱開始提升時各索位置示意

圖3　飛柱開始提升時下拉索拉力

(2)提升飛柱至9m標高緩慢提升飛柱至9m標高，該狀態(tài)下非提升點的16根脊索調節(jié)端至1m標高，在16根脊索調節(jié)端各連接2根3m/3T吊裝帶備用。計算模型中，下節(jié)點荷載增加至554kN，脊索已離開地面，飛柱上節(jié)點按照10kN/點考慮，該狀態(tài)下16個提升索內力為215～245kN，結構位形以及拉索拉力如圖4、圖5所示。

圖4　飛柱離地9m高時各索位置示意

圖5　飛柱離地9m高時拉索拉力

(3)提升飛柱至14m標高提升飛柱至14m標高，該狀態(tài)下非提升點的脊索所連接的吊裝帶、穩(wěn)定索、谷索均提升至1m標高。此時可以將穩(wěn)定索牽引至脊索轉軸附近，并利用吊裝帶和錨具綁扎牢固，同時將非提升點的16根脊索通過預先設置的吊裝帶牽引至鋼結構耳板附近綁扎牢固。該狀態(tài)下提升索內力為249～279kN，結構位形以及拉索拉力如圖6、圖7所示。

圖6　飛柱離地14m時各索位置示意

圖7　飛柱離地14m時各拉索拉力

(4)提升飛柱至22m標高 安裝上脊索，將脊索調節(jié)端安裝到外環(huán)梁上。在16個提升點的脊索調節(jié)端距離耳板約1m處，安裝就位工裝，借助2根Φ22鋼絞線與環(huán)梁上的耳板相連，利用就位工裝進行提升和脊索安裝。將非提升點16根拉索的調節(jié)長度均調到最大，在16個提升點的脊索安裝完畢以后借助倒鏈和吊裝將16個非提升脊索安裝就位，該狀態(tài)下提升索內力為360～390kN，結構位形以及索力如圖8、圖9所示。

圖8　飛柱離地22m時各索位置示意

圖9　飛柱離地22m時拉索拉力

脊索安裝結束后，提升工裝轉移至下斜索上，將16根提升斜索與其耳板相連，同時將8根攬風索通過錨具及30T千斤頂與對應位置的轉軸連接并預緊，此時，纜風索開始受力發(fā)揮作用[5]。

圖10　飛柱離地22m時各索位置示意

圖11　飛柱離地22m時拉索拉力

(5)提升飛柱至28m標高 提升16根下索使飛柱升至28m標高，此時僅8根鋼絞線攬風索和16根提升下索受力，提升索最大內力為306kN。該狀態(tài)下結構位形以及索力如圖10、圖11所示。

(6)提升飛柱至34m標高 飛柱從28m提升至34m標高區(qū)間，同步精度控制在30mm。飛柱離地34m時，斜索拉力約346KN，因為穩(wěn)定索是向上提內拉環(huán)，依托同步控制程序，實現(xiàn)索力的自動控制，將索力≦600KN。該狀態(tài)下結構位形以及索力如圖12、圖13所示。

圖12　 飛柱離地34m時各索位置示意

圖13　飛柱離地34m時拉索拉力

至此下索頭還差5m才能到達設計要求標高，在34m標高穩(wěn)定索基本處于水平狀態(tài)，為保證結構安全，應將其他非提升點的16根斜索利用就位工裝進行協(xié)助牽引，以減小提升點牽引力[6]。

(7)提升飛柱至40m標高飛柱從34m標高提升至設計要求標高的過程中，提升同步精度控制在25mm。在該過程中，飛柱上端將高于外環(huán)梁，在提升過程中需先放松攬風索，使飛柱側偏100mm后，再提升斜索使飛柱自動糾偏，為防止攬風索受力過大，斜索的提升鋼絞線每提升150mm，停止提升，放松攬風索一次，以此類推。在下一段提升作業(yè)時，因攬風索已放松，隨著飛柱的上升，攬風索陸續(xù)受力，飛柱會自動糾偏。 飛柱提升至40m標高時，結構的位形及內力如圖14、圖15所示[7]。

圖14 　飛柱離地40m時各索位置示意

圖15　飛柱離地40m時拉索拉力

(8)飛柱提升至46m標高安裝斜索提升飛柱至46m標高，安裝斜索調節(jié)端至外環(huán)梁，在32個提升點的斜索調節(jié)端距離耳板約1m處，將提升點的16根斜索的就位工裝安裝在斜索上，通過就位工裝進行提升和斜索安裝，此時提升工裝退出工作可以拆除[8]。46m高度時結構的位形及內力如圖16、圖17所示。

圖16 　飛柱離地46m時各索位置示意

圖17 　飛柱離地46m時拉索拉力

在鋼索進行安裝及張拉過程中，整體結構部分會隨之變形。為了解施工過程中結構變形發(fā)展規(guī)律，考察結構施工造成的變形影響，需要對施工過程中結構關鍵部位的變形進行監(jiān)測，通過結構變形監(jiān)測進一步指導和校核施工的精確進行，還可以判斷預應力施加大小。在提升過程中需對32個軸線的耳板徑向位移進行監(jiān)測，外環(huán)梁監(jiān)測點布置如圖18所示。

圖18 　外環(huán)梁監(jiān)測點布置圖

對于飛柱，主要需要監(jiān)測飛柱在提升過程中的提升高度以及柱子上下端點的側向位移，因此需要在飛柱的底端沿著垂直的2個方向布置兩個測點，可以用來監(jiān)測柱子的水平高度。另外在柱子的頂端處也布置2個監(jiān)測點，監(jiān)測點的豎向位置與柱子底端監(jiān)測點同一個豎直面內，水平方向和底端監(jiān)測點一致，利用相互垂直的兩個方向的各2個監(jiān)測點監(jiān)測柱子的側偏。監(jiān)測點布置如圖19所示。

X方向監(jiān)測點

Y方向監(jiān)測點

圖19　監(jiān)測點俯視圖

3　結論

雙層懸索屋蓋使用最新的千斤頂液壓計算控制同步提升技術，即通過同步計算機控制油泵和千斤頂張拉預應力鋼索并分兩部進行：第一階段由16個150T千斤頂通過16根上脊索由地面提升到22m高度，完成上索張拉；第二階段由16個150T千斤頂通過16根下拉索由22m高度提升到56m設計高度，從而完成整個屋面提升工作。該技術特點為先在屋面上安裝外環(huán)鋼結構和地面上拼裝飛柱，可以有效保證安裝焊接質量，后通過張拉預應力鋼索實現(xiàn)飛柱的提升，有利于保證屋蓋的整體性。采用大跨預應力雙層懸索屋蓋同步提升技術不需要大量腳手架，也不需要大型起重設備吊裝拼接，可有效提高施工過程安全保障，加快施工進度，降低成本。該研究成果可為類似大跨預應力工程的施工提供依據(jù)，具有良好的實踐意義和廣泛的推廣應用價值。

[1]尤德清,王澤強,段有恒，等.佛山家居博覽城傘型屋蓋斜向提升技術[C]//第十三屆全國現(xiàn)代結構工程學術研討會論文集，2013：717-724.

[2]李永奎，蔣新山，陳歡軍.梅花形體大跨度鋼結構安裝項目管理策劃與施工技術[J].工業(yè)建筑，2010(40)：118-122.

[3]郭劍飛.大跨度預應力懸索鋼結構施工技術[J].施工技術，2009(S1)：513-517.

[4]GB50017-2011，鋼結構設計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2011.

[5]GB50755—2012，鋼結構工程施工質量驗收規(guī)范[S].北京：中國標準出版社，2012.

[6]GB / T 5224-2003，預應力混凝土用鋼絞線[S].北京：中國標準出版社，2003.

[7]CECS212-2006，預應力鋼結構技術規(guī)程[S].北京：中國華僑出版社，2006.

[8]GB50009-2012，建筑結構荷載規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

Research and Modal Analysis of the Synchronous Lifting of the Double-layer Cable-Suspended Roof with the Prestressed Large-Span frame

YAO Chuan-qin1, MA Hai-bin1, BAI Rong2, JIANG Shao-xin2

(1. College of Civil Engineering and Architecture, Anhui University of Science and Technology, Huainan Anhui 232001, China; 2. Construction Fourth Engineering Bureau Co., Ltd., Guangzhou Guangdong, 510665, China)

This paper has conducted an extensive research into the technology of the synchronous lifting of the double-layer cable-suspended roof with the prestressed long-span frame based on the project of Foshan (International) Home Expo City. In this method, the steel structure of the outer ring at the roof and the flying columns at ground were assembled firstly, by which the welding quality could be effectively ensured. Sequentially, the flying columns were hoisted through tensioning prestressed cable to enhance the integrality of the roof. In such case, the security assurance during the construction process could be effectively ensured, and the construction progress could be accelerated. Therefore, cost was reduced. The study can provide a basis for the similar construction of long-span prestressed concrete engineering, which is of great practical significance and of extensive application value on the construction of similar projects.

prestress; double-layer cable-suspended roof; synchronous lifting; modal analysis

2016-05-23

安徽省住房城鄉(xiāng)建設科學技術計劃項目(2012YF-16)

姚傳勤(1963-)，女，安徽壽縣人，教授，碩士，研究方向：施工技術與管理。

TU391

A

1672-1098(2016)06-0012-06