弦支穹頂構(gòu)建拼裝與結(jié)構(gòu)張拉主要方案對(duì)比

(江蘇省徐州市徐州工程學(xué)院， 221000)

弦支穹頂構(gòu)建拼裝與結(jié)構(gòu)張拉主要方案對(duì)比

陳 宇 宋體祥 白家宏 劉坤坤 李鵬飛

(江蘇省徐州市徐州工程學(xué)院， 221000)

近年來(lái)弦支穹頂作為一種新型的預(yù)應(yīng)力空間結(jié)構(gòu)，得到了廣泛的應(yīng)用。具有外形美觀、跨度大、效率高的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)跟著工程量實(shí)踐的累計(jì)與施工難度的下降獲得越來(lái)越普遍的認(rèn)同本。文旨在歸納目今習(xí)見(jiàn)的弦支穹頂施工方法為以后弦支穹頂設(shè)計(jì)提供有意義的參考資料。

弦支穹頂；施工方案；預(yù)應(yīng)力拉索

弦支穹頂結(jié)構(gòu)是在綜合單層網(wǎng)殼和索穹頂長(zhǎng)處的基礎(chǔ)上日本法政大學(xué)川口衛(wèi)教授提出的一種新型預(yù)應(yīng)力大跨度空間結(jié)構(gòu)。自弦支穹頂概念提出，憑仗其具有特色的結(jié)構(gòu)概念、高效的傳力機(jī)制和優(yōu)美的形狀，獲得了國(guó)內(nèi)外的一致認(rèn)可。可見(jiàn)限制穹頂技術(shù)應(yīng)用的前景是十分廣闊的。

一、弦支穹頂結(jié)構(gòu)施工技術(shù)分析

大量工程實(shí)踐研究成果表明：在一定程度上，應(yīng)力狀態(tài)與施工工藝和施工方法有著密切的關(guān)系，對(duì)現(xiàn)階段弦支穹頂結(jié)構(gòu)施工技術(shù)做出有效的分析是對(duì)安裝階段張拉全過(guò)程進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬剖析的條件。具體而言，應(yīng)該著重關(guān)注以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：①施工順序：包括鋼結(jié)構(gòu)樓蓋的拼裝、結(jié)構(gòu)張拉以及結(jié)構(gòu)吊裝這三個(gè)方面；②預(yù)應(yīng)力張拉施加形式：包括張拉環(huán)向索、張拉徑向索以及頂升撐桿這三個(gè)方面；③臨時(shí)支護(hù)系統(tǒng)：包括滿堂腳手架、臨時(shí)臺(tái)架以及臨時(shí)支撐；④預(yù)應(yīng)力張拉形式：包括張拉順序與張拉批次這兩個(gè)方面。本文著重于桿件拼裝、結(jié)構(gòu)張拉兩方面。

二、桿件拼裝方案對(duì)比分析

2.1 高空散裝法

高空散裝法已較為成熟，一般通過(guò)在屋蓋設(shè)計(jì)高度搭設(shè)支架構(gòu)建臨時(shí)施工平臺(tái)后進(jìn)行構(gòu)建或部件拼裝，最大的優(yōu)點(diǎn)便是施工難度底，安裝精度有保障，質(zhì)量有保證，且對(duì)垂直運(yùn)輸機(jī)械的噸位要求較低，但缺點(diǎn)也是顯而易見(jiàn)的：

（1）施工平臺(tái)所需的臨時(shí)構(gòu)建數(shù)量巨大，且周轉(zhuǎn)率低；

（2）對(duì)臨時(shí)支撐物的需求導(dǎo)致工期的延長(zhǎng)，影響工期；

（3）由于滿堂支架的自身形式特點(diǎn)，導(dǎo)致穹頂下部場(chǎng)內(nèi)空間幾乎全無(wú)，將嚴(yán)重影響下部索桿體系的安裝施工，尤其是當(dāng)索桿長(zhǎng)較長(zhǎng)，單根最大長(zhǎng)度超過(guò)160 m，將沒(méi)有足夠的空間將其展開(kāi)并進(jìn)行后續(xù)的安裝。

綜上所述，高空散裝法不利于交叉施工，施工成本較高，且難以滿足工期緊的要求。

2.2 整體吊裝法

整體吊裝法是指先將屋面鋼結(jié)構(gòu)安裝在地面上，然后采用垂直運(yùn)輸裝置將其吊裝到設(shè)計(jì)位置。其優(yōu)點(diǎn)是整個(gè)屋蓋的焊接和拼裝均在地面進(jìn)行，避免了高空作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)有效提高了施工質(zhì)量。然而不足之處也是顯而易見(jiàn)的：

（1）當(dāng)屋面結(jié)構(gòu)體積大，設(shè)備設(shè)備費(fèi)明顯增加，施工成本較高，且高空位移和同步控制困難；（2）一些工程周邊環(huán)境特點(diǎn)不滿足地面總拼的條件，或屋蓋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的懸挑等部位使得總品難度直線上升。

2.3 整體提升法和整體頂升法

這兩種安裝方法的基本原理相似，區(qū)別在于提升裝置在于地面還是鋼結(jié)構(gòu)上。其主要優(yōu)點(diǎn)是對(duì)提升或頂升設(shè)備要求不高，對(duì)提升裝置的要求降低的同時(shí)也避免了總拼對(duì)場(chǎng)地的占用。

2.4 頂升外擴(kuò)與高空散裝相結(jié)合的綜合安裝法

拱頂頂部雙層網(wǎng)殼采用頂層與外殼組合安裝方法

（1）中心區(qū)域?yàn)橹饕獏^(qū)域，由于中部的雙層網(wǎng)殼部件選用頂升外擴(kuò)法施工；

（2）外圍區(qū)域搭設(shè)滿堂支架進(jìn)行工人進(jìn)入高空工作面進(jìn)行局部部件拼裝；

（3）銜接區(qū)域最后高空散裝合龍。

上述綜合安裝法具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)。

（1）中心區(qū)域和外圍區(qū)域的鋼結(jié)構(gòu)可同時(shí)施工，有效縮短工期，提高效率。對(duì)外圍區(qū)域的其他施工項(xiàng)目不造成影響。

（2）因?yàn)橹行膮^(qū)域不采用滿堂腳手架進(jìn)行平臺(tái)建設(shè)，腳手鋼管和扣件的使用大大減少，有效的降低了材料的一次性投入。

（3）中心區(qū)域采用頂升外擴(kuò)法施工，考慮盡量減少高空作業(yè)工作量，采取頂升與外擴(kuò)安裝相交替的做法。

（4）由于外圍部位不選用頂升外擴(kuò)法施工，相對(duì)完全吊裝、整體提升或頂升，部件重量縮小，對(duì)垂直提升設(shè)備提升力需求也會(huì)減弱。

（5）由于中心區(qū)的裝設(shè)方式，場(chǎng)地下部較開(kāi)放，可為其他類型的建筑提供工作空間，尤其是下索桿系統(tǒng)的裝設(shè)，減少了施工困難提高了裝配效率。

三、預(yù)應(yīng)力拉索施工

3.1 拉索安裝

索穹頂預(yù)應(yīng)力索的施工包括電纜安裝和預(yù)應(yīng)力張拉兩部分。需按照上部網(wǎng)殼安設(shè)精度要求,對(duì)應(yīng)修改預(yù)應(yīng)力拉索的無(wú)應(yīng)力安裝長(zhǎng)度,以保證預(yù)應(yīng)力創(chuàng)設(shè)。具體操作程序:在網(wǎng)殼拼裝進(jìn)行的同時(shí),從內(nèi)向外,逐環(huán)裝設(shè)撐桿。根據(jù)網(wǎng)殼安裝精度的要求，將相鄰兩桿的單耳銷孔之間的距離作為調(diào)整各段長(zhǎng)度的依據(jù)；調(diào)整徑向鋼拉桿桿長(zhǎng)的依據(jù)為撐桿處于垂直狀態(tài),量測(cè)得出的相鄰兩撐桿下端索夾銷孔間距。根據(jù)實(shí)際長(zhǎng)度的徑向鋼筋和所需長(zhǎng)度的每個(gè)段的電纜，以確定安裝偏差，根據(jù)長(zhǎng)度的預(yù)應(yīng)力電纜，以調(diào)整的長(zhǎng)度的環(huán)和徑向鋼拉桿安裝。然后，根據(jù)電纜對(duì)電纜的位置，電纜安裝在桿的下端，上下電纜夾擰緊；最后安裝徑向鋼拉桿。

四、鎖桿張拉方案對(duì)比分析

拉索和支撐桿的安裝可以與網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的施工同步進(jìn)行。

4.1 拉索張拉時(shí)機(jī)的選擇

（1）網(wǎng)殼形成過(guò)程中拉索的張力可描述為：在芯殼外膨脹過(guò)程中，鎖桿系統(tǒng)的安裝，中心區(qū)域的外壁擴(kuò)大，最后一次吊裝前內(nèi)索張力；外圈的張拉施工應(yīng)在外圍網(wǎng)殼和外圈索系裝設(shè)完成后方可開(kāi)始；同樣中圈拉索的張拉應(yīng)在整個(gè)網(wǎng)殼合攏后再進(jìn)行。此張拉方案的優(yōu)勢(shì)在于：由于張拉與頂升過(guò)程同步進(jìn)行，有效降低施工作業(yè)面高度，降低施工操作難度的同時(shí)工人自身安全也可得到保證；內(nèi)環(huán)與外環(huán)拉索分布張拉，待上部網(wǎng)殼合攏之后中環(huán)拉索進(jìn)行張拉，拉索的張拉與網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)安裝同步進(jìn)行，施工周期大大縮短。然而，其缺點(diǎn)也很顯而易見(jiàn)的：內(nèi)外圈拉索的張拉在鋼屋蓋尚未形成整體結(jié)構(gòu)時(shí)就已經(jīng)開(kāi)始，各部尚為互相獨(dú)立的子結(jié)構(gòu)，重體結(jié)構(gòu)中的預(yù)應(yīng)力建立及受力狀態(tài)與設(shè)計(jì)要求有一定出入；增加了中心區(qū)域的拉索張力，增加了懸臂的不利變形，增加了鋼構(gòu)件的應(yīng)力。

（2）在網(wǎng)殼的形成過(guò)程中，拉索的張力可以描述如下：當(dāng)整個(gè)網(wǎng)殼完全封閉并形成整體時(shí)，索的張力再次進(jìn)行。該方案的優(yōu)點(diǎn)是：在整個(gè)結(jié)構(gòu)中，索力完全形成整個(gè)結(jié)構(gòu)后，保證了整個(gè)結(jié)構(gòu)的有效預(yù)應(yīng)力設(shè)置，而且符合設(shè)計(jì)要求，便于施工控制；另一方面，由于上殼的形成，因此可以減少拉索張拉難度。不足之處在于：在屋頂網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)形成后，有必要設(shè)置張拉操作平臺(tái)，有必要進(jìn)行高空作業(yè)；雖然網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的施工過(guò)程中可以嵌入拉索和撐桿，但拉索的張力需要等待整個(gè)屋蓋的合攏，因此會(huì)延長(zhǎng)施工工期。

（3）綜合比較這兩種方案，方案二在殼體內(nèi)形成索力后，可以減小拉索張力對(duì)結(jié)構(gòu)的不利影響，從而使結(jié)構(gòu)的整體受力結(jié)構(gòu)，滿足設(shè)計(jì)要求。因此，拉索張拉時(shí)間確定如下：屋蓋網(wǎng)殼完全封閉，形成全后張拉。

結(jié)論

弦支穹頂結(jié)構(gòu)最早在日本提出，從工程應(yīng)用的角度，以及相關(guān)的技術(shù)，在中國(guó)對(duì)弦支穹頂結(jié)構(gòu)施工技術(shù)代表了世界水平本文從各種鋼板拉索結(jié)構(gòu)的施工方式出發(fā)，本文綜述了國(guó)內(nèi)外常見(jiàn)的弦支穹頂實(shí)際施工的基本方案。本文總結(jié)了弦支穹頂現(xiàn)有常見(jiàn)的工程實(shí)際基本情況，希望可以從中讓同行業(yè)者們能夠得到一些啟示，以此來(lái)共同探究這一課題。

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