大跨度預(yù)應(yīng)力張弦梁結(jié)構(gòu)施工技術(shù)

張建，丁海祥，于乃鵬

（南通五建控股集團有限公司，江蘇 南通 226400）

1 張弦梁結(jié)構(gòu)

張弦梁結(jié)構(gòu)的概念由日本大學(xué)的M.Saitoh教授在20世紀80年代初首先提出，該結(jié)構(gòu)充分利用高強索的強抗拉性改善整體結(jié)構(gòu)受力性能，成為受力合理、制造運輸方便、施工簡單的自平衡體系，是具有良好應(yīng)用價值和應(yīng)用前景的新型空間結(jié)構(gòu)形式。大跨度張弦梁結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)跨度大、節(jié)點構(gòu)造復(fù)雜、施工精度要求高等特點。施工方法選擇的好壞將直接影響工程質(zhì)量、施工進度、施工成本等技術(shù)經(jīng)濟指標。張弦梁示意見圖1。

圖1 張弦梁示意

2 工程概況

如東文體中心位于如東縣新城區(qū)東北片區(qū)，掘苴河以東，龍騰路以南，中間橫穿東西向的長江路、南北向解放路。地處如東縣新城核心地帶，建成后為如東縣地標性建筑。本工程由體育館、全民健身中心、文化館、博物館、圖書館5個單體建筑組成，總建筑面積88 080.2 m2。其中，體育館建筑面積 23 145 m2，地上3層，地下1層，建筑高度27 m。體育館屋蓋平面尺寸約為 180 m×130 m，屋蓋結(jié)構(gòu)最高點標高23 m。體育館主體為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，屋蓋為鋼結(jié)構(gòu)單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，屋蓋鋼結(jié)構(gòu)采用張弦梁+正交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。體育館籃球場屋蓋最大跨度達 56 m，大跨度梁采用張弦梁結(jié)構(gòu)，拉索采用強度不低于 1 670 MPa高強度鋼絲束，規(guī)格Ф5×265、Ф5×151，最大索力設(shè)計 2 345 kN。 體育館鋼結(jié)構(gòu)總用鋼量為1 200 t。

3 重難點分析及對策

3.1 重難點分析

本工程最大特點為體育游泳館內(nèi)大跨度張弦梁結(jié)構(gòu)（圖2），下方設(shè)計有高釩索對其進行反向頂力；體育館上方大跨張弦梁總長最大 56 m，整榀重量 28.2 t，吊裝最高高度 21.3 m（圖3）。游泳館上方大跨張弦梁總長最大 42 m，整榀重量 24 t，吊裝最高高度19.3 m。張弦梁存在著長度長、重量重等難點，在構(gòu)件分段、運輸、現(xiàn)場拼接、吊裝、精度等方面有著極高的要求。

圖2 體育館平面示意

圖3 體育館剖面

3.2 施工對策

針對體育館大跨度張弦梁結(jié)構(gòu)長度長、重量重的施工難點，在鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計階段，將整根梁分段優(yōu)化，減少單根構(gòu)件的運輸長度及起吊重量。根據(jù)2016年新頒布的 《超限運輸車輛行駛公路管理規(guī)定》及強制性國家標準《汽車、掛車及汽車列車外廓尺寸、軸荷及質(zhì)量限值》中鋼構(gòu)件公路運輸總長最大需控制在16 m內(nèi)的規(guī)定并結(jié)合實際工況需要，將單根構(gòu)件分段最大長度控制在14.8 m以內(nèi)（圖4）。

圖4 大跨度張弦梁分段示意

3.3 施工工藝

3.3.1 張弦梁吊裝順序

張弦梁結(jié)構(gòu)吊裝由西南側(cè)籃球館開始，350 t履帶吊沿著環(huán)形道路行走，依次向南再向東北游泳館的順序進行外場吊裝。外場吊裝的同時籃球館內(nèi)場100 t汽車吊同時進行施工。

（1）外場吊裝順序

①350 t進場于籃球館南側(cè)完成拼裝，開始吊裝南側(cè)外場鋼屋蓋結(jié)構(gòu)。吊裝方式按照柱→梁的順序依次吊裝。相鄰結(jié)構(gòu)吊裝完成后優(yōu)先連接成整體，形成初步穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

②350 t履帶吊繼續(xù)吊裝東側(cè)及北側(cè)外場鋼屋蓋結(jié)構(gòu)。大于14 m的鋼梁于地面堆場拼裝成整根后整根吊裝。

③游泳館大跨度鋼梁總長 35 m（小于 14 m的三段鋼梁于地面拼裝成整體），將鑄鋼件及鋼索組成整體吊裝。鋼索于地面初步預(yù)張拉30%的索力，使得該 35 m跨鋼梁具備一定的剛度，嚴控整體吊裝時大梁變形量。大跨度鋼梁最大重量24 t（含鑄鋼件及鋼索），350 t履帶吊 R=48 m，Q=26 t＞24 t，滿足吊重分析。

④350 t履帶吊同樣方式繼續(xù)吊裝北側(cè)游泳館鋼屋蓋結(jié)構(gòu)。

（2）內(nèi)場吊裝順序

100 t汽車吊由東側(cè)駛?cè)塍w育館內(nèi)場，開始吊裝兩側(cè)鋼柱和梁。另配置25 t汽車吊于內(nèi)場地面拼裝上方56 m大跨度鋼弦梁。吊裝56 m大跨度張弦前，必須完成609鋼管臨時支撐的安裝，支撐間設(shè)置型鋼拉接，保證支撐穩(wěn)定性。然后進行大跨度張弦梁結(jié)構(gòu)的吊裝，籃球館上方大跨度張弦梁結(jié)構(gòu)由南向北依次進行吊裝。大跨鋼梁截面為Bo×800 mm×300 mm×20 mm×25 mm，最大長度 26 m，最大重量14.1 t，100 t汽車吊 R=15 m，Q=14.5 t＞14.1 t， 滿足吊重分析。

3.3.2 大跨度鋼梁吊裝計算驗證

（1）計算假定：采用梁單元模擬；鋼絲繩采用只受拉索單元模擬；鋼絲繩交匯點（吊點）與鋼梁重心投影面重合；鋼絲繩交匯點施加鉸接約束；為避免吊裝過程結(jié)構(gòu)形成應(yīng)力，導(dǎo)致計算不收斂，模擬中鋼絲繩下端X、Y向采用剛度無限小的節(jié)點彈性支撐進行約束。

（2）荷載考慮：構(gòu)件僅承受自重 D，考慮節(jié)點部位的自重增大效應(yīng)，取自重放大系數(shù)1.3。

（3）荷載組合：荷載基本組合為1.2D；荷載標準組合為1.0 D。

（4）鋼絲繩直徑選取：根據(jù)計算結(jié)果，吊繩選用《重要用途鋼絲繩》（GB/T8918-2006）6×19+1 纖維芯鋼絲繩，鋼絲繩直徑d=24.5 mm，單股吊繩破斷力36.244 t，四點吊裝，取其中三點參與受力計算，Gmax=28t鋼梁吊裝時，單根鋼絲繩受力 9.3 t。

取安全系數(shù)K=6，鋼絲繩起吊角度為 45°，三根吊繩容許拉力：P=Sb/K=3×36.244/6=181.22 kN＞1.44×93.33 kN=134.4 kN。所選吊繩滿足受力要求。

3.4 鋼結(jié)構(gòu)吊裝分段支撐體系的設(shè)計

3.4.1 重難點分析

游泳館鋼索位于大跨鋼梁正下方，可將鋼索與鋼梁同時吊裝到位（圖5）。為保證鋼梁吊裝時剛度，通過預(yù)張拉30%的索力，以增強張梁本身剛度，鋼梁就位安裝完成后再補拉鋼索至設(shè)計索力（圖6）。

但是，體育館張弦梁鋼索位于相鄰2根大跨鋼梁之中，通過鋼拉桿反頂，無法將鋼索和鋼梁同時安裝。且根據(jù)結(jié)構(gòu)圖紙及設(shè)計模型分析，本工程體育館內(nèi)大跨度的張弦梁結(jié)構(gòu)在鋼索張拉前，若下方無支撐架體系，將發(fā)生超出結(jié)構(gòu)允許的下?lián)献冃巍?/p>

圖5 游泳館鋼索和鋼梁整體安裝

圖6 游泳館張弦梁分兩次張拉

3.4.2 施工對策

體育館大跨度張弦梁結(jié)構(gòu)鋼梁吊裝完成后，由于鋼索未安裝，根據(jù)計算56 m大跨度鋼梁會產(chǎn)生超出設(shè)計允許的下?lián)献冃?。為減少變形量，在體育館大跨鋼梁吊裝前，設(shè)置609鋼管臨時支撐體系設(shè)置于鋼梁分段下方。609鋼管之間拉設(shè) Hw300型鋼角焊縫圍焊拉接，并設(shè)置橫向撐桿及剪刀撐，保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；609管支撐底部設(shè)置路基箱，防止沉降，保證大跨鋼梁精度。

3.5 鋼索張拉施工

3.5.1 重難點分析

本工程鋼索主要位于體育館及游泳館大跨度張弦梁下方，以增強整體剛度。體育館LS1索力設(shè)計 847～1 084 kN（2 095～2 345 kN），LS2 索力設(shè)計371～697 kN（994～1 364 kN）。 游泳館 LS3 索力設(shè)計 453～464 kN（744～854 kN），LS4 索力設(shè)計 612～656 kN（1 174～1 272 kN）。

鋼索張拉的索力、設(shè)備等均需專業(yè)計算并有針對性配置，以保證鋼索張拉完成后達到設(shè)計要求的索力。鋼索張拉時需特別搭設(shè)專用操作平臺，供鋼索張拉專業(yè)人員就位操作，以及安放張拉設(shè)備。

3.5.2 張弦梁張拉模擬分析驗證

（1）張拉施工方案

結(jié)合設(shè)計文件以及現(xiàn)場施工條件，整體安裝順序從右邊往左分區(qū)域(A-B-C)施工，確定實際施工步驟如下：

A區(qū)拉索張拉方式采用單端張拉，張拉順序為E軸至L軸，依次張拉。張拉過程中由索力和變形同時控制，依據(jù)施工模擬計算結(jié)果控制拉索索力以及主梁跨中位移。

待A區(qū)域施工完成，進行B區(qū)域施工。張弦梁鋼結(jié)構(gòu)、拉索在胎架上拼裝安裝完成后，對拉索進行預(yù)張拉30%以形成剛度。B區(qū)拉索張拉采用兩端張拉的方式，張拉順序為 E軸至K軸。張拉過程中依據(jù)施工模擬的計算結(jié)果控制拉索索力及主梁跨中位移。

待B區(qū)域施工完成，進行C區(qū)域施工。C區(qū)拉索張拉采用兩端張拉的方式，張拉順序為 E軸至G軸。張拉過程中依據(jù)施工模擬的計算結(jié)果控制拉索索力及主梁跨中位移。

（2）施工模擬計算

本工程采用結(jié)構(gòu)計算軟件 SAP2000，依據(jù)設(shè)計圖紙以及相關(guān)設(shè)計資料進行建模并計算，計算內(nèi)容如下：

①模擬張拉成型狀態(tài)，使拉索軸力同設(shè)計初張力接近，得到結(jié)構(gòu)起拱變形量。

②對未安裝胎架的B區(qū)域和C區(qū)域的張弦梁計算其吊裝過程，設(shè)置吊點，計算吊裝過程的結(jié)構(gòu)撓度，同時對結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行吊裝過程中的強度驗算。

③模擬張弦梁的張拉過程。由張拉成型狀態(tài)得到預(yù)應(yīng)力荷載（以溫度荷載的形式體現(xiàn)），將其施加至拉索，模擬拉索的張拉過程。得到拉索軸力及張弦梁跨中豎向位移。

施工最終態(tài)的拉索索力與設(shè)計索力對比如表1所示。最大誤差0.7%，滿足要求。

各關(guān)鍵點施工最終態(tài)位移與設(shè)計位移對比如表 2所示，最大差值-22 mm，滿足要求。

3.5.3 張拉設(shè)備

針對本工程結(jié)構(gòu)形式及鋼索體系的特點，設(shè)計專用張拉工裝。液壓油泵、標定千斤頂、油管線路、操作程序等均需提前進行實驗及檢測，實驗通過后方可應(yīng)用于本項目索張拉工程。

3.6 消失模鑄鋼件加工工藝

3.6.1 重難點分析

根據(jù)設(shè)計要求，由于鋼結(jié)構(gòu)與鋼索相關(guān)節(jié)點在張拉時承受較大索力影響，該節(jié)點鋼結(jié)構(gòu)均采用鑄鋼件節(jié)點，以保證張拉過程中及張拉后的結(jié)構(gòu)變形及應(yīng)力均在設(shè)計要求之內(nèi)。

本工程鑄鋼件數(shù)量較多 （各類型號 104個），造型復(fù)雜多變，同一型號外形近似而不相同，澆筑過程中形狀設(shè)計與保持，完成后的曲面檢查驗收難度大。鑄鋼件為鋼結(jié)構(gòu)與鋼索受力相連的關(guān)鍵節(jié)點，如何保證內(nèi)在質(zhì)量、外觀尺寸，為本工程施工實施的關(guān)鍵。

表1 索力對比/kN

表2 位移對比/mm

3.6.2 施工對策

根據(jù)本工程鑄鋼件特點，在計算復(fù)核的基礎(chǔ)上，采用先進的消失模工藝進行鑄鋼件制作。鑄造前，采用ProCAST軟件對鑄造工藝進行仿真模擬，確定最優(yōu)最合理的鑄件澆冒系統(tǒng)及澆鑄工藝參數(shù)；鋼水煉制采用兩臺 30 t精煉爐和 5臺10 t中頻爐，澆注前對鋼水化學(xué)成分進行檢測，利用數(shù)控自動澆注機一次澆注成型，鑄件脫膜后，采用200 t熱處理爐進行正火+回火熱處理，采用噴砂、拋丸、機加工等方法進行鑄件外表面處理，確保外觀質(zhì)量達到設(shè)計要求。

4 結(jié)語

如東縣體育中心建設(shè)工程大跨度張弦梁結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜、施工精度要求高、實施難度大。結(jié)構(gòu)施工前，項目部對施工全過程進行模擬計算，并結(jié)合BIM技術(shù)進行全過程施工模擬，制定了科學(xué)可行的施工方案，施工過程中加強工藝及質(zhì)量監(jiān)控，無論是進度、質(zhì)量還是安全方面都全面有序?qū)崿F(xiàn)了既定目標，為大跨度張弦梁結(jié)構(gòu)施工技術(shù)方面積累了施工經(jīng)驗。