大跨度剛性張弦結(jié)構(gòu)施工技術(shù)研究

錢少波

（中鐵建工集團有限公司上海分公司，上海 200331）

1 工程概況

本項目鋼結(jié)構(gòu)形式為平面組合型弦支結(jié)構(gòu)（雙向弦支結(jié)構(gòu)），平面為三角形，最大邊長尺寸為67.2m，另兩條邊長約為47.5m。交通中心屋面天窗（三角形采光頂）為雙向弦支結(jié)構(gòu)，由大跨度（67.2m）三角形的邊桁架、上層的雙向焊接箱形鋼梁、中間撐桿、下部雙向鋼拉桿、支座（單向滑動和雙向滑動）組成，鋼拉桿編號如圖1 所示。

圖1 鋼拉桿編號

2 工程重難點

2.1 張拉施工的重點內(nèi)容

（1）施工過程中著重注意的技術(shù)要點體現(xiàn)在制作鋼拉桿、吊掛鋼拉桿和預應(yīng)力鋼拉桿張拉過程。一些在制鋼拉桿過程中無法達到的精度或產(chǎn)生的誤差宜在施工過程中通過相關(guān)的技術(shù)手段進行彌補[1]。

（2）施工過程中應(yīng)確定施工順序，尤其是制鋼拉桿和預應(yīng)力過程的順序。

（3）張力結(jié)構(gòu)的施工應(yīng)規(guī)定預應(yīng)力過程的速率。因為在每一階段預應(yīng)力過程中，結(jié)構(gòu)都經(jīng)歷一個自適應(yīng)的過程，結(jié)構(gòu)會經(jīng)過自平衡而使內(nèi)力重分布，形狀也隨之改變，所以預應(yīng)力過程的監(jiān)控十分重要。

（4）張拉結(jié)構(gòu)的施工還需要注意結(jié)構(gòu)的其他荷載施加過程，在后續(xù)的結(jié)構(gòu)施工過程中，如屋面荷載、懸掛荷載的施加步驟和方法，要盡量保證比較均勻、對稱、勻速地施工，避免出現(xiàn)過大的集中荷載。

2.2 張拉施工難點

（1）結(jié)構(gòu)自身形式：本采光頂結(jié)構(gòu)平面為三角形，且支撐在大跨度邊桁架上，與一般對稱性結(jié)構(gòu)有差別，鋼拉桿力分布也有所差別。

（2）邊桁架變形影響：作為采光頂結(jié)構(gòu)支座的邊桁架，跨度較大，其結(jié)構(gòu)撓度會引起采光頂處鋼拉桿結(jié)構(gòu)內(nèi)力的變化，會造成鋼拉桿力不均勻，增加施工階段鋼拉桿找力分析的難度，同時也會造成結(jié)構(gòu)變形的不均勻。

（3）鋼拉桿力需要考慮張拉階段的脫架要求，又要考慮張拉完成后的反拱不能過大，同時，也要考慮張拉完成后，安裝檁條、屋面玻璃后撓度的盡量合理。

3 施工工藝流程

3.1 鋼拉桿的材料和組裝

3.1.1 鋼拉桿材料

（1）鋼拉桿材料參數(shù)。

本工程鋼拉桿采用建筑UU 型非等強合金鋼桿體，桿體強度級別為550 級，屈服強度ReH≥550MPa，抗拉強度Rm≥750MPa，伸長率≥17%，斷面收縮率≥50%，沖擊功（縱向）≥39J（-20℃）。

（2）鋼拉桿鋼拉桿頭形式。

建筑UU 型非等強合金鋼桿體，每榀邊跨的鋼拉桿在支座側(cè)均帶有可調(diào)節(jié)端，每榀中間段的鋼拉桿不帶可調(diào)節(jié)端。

（3）錨具材料。

錨具、銷軸和螺桿均為鍛件，均采用合金結(jié)構(gòu)鋼，錨具的強度應(yīng)符合鋼桿破斷后而錨具和連接件均不破斷的準則。

3.1.2 鋼拉桿組裝

本工程拉桿包括二段桿體、兩個叉耳式連接件和一個套筒式連接裝置。

3.2 鋼拉桿的安裝

（1）鋼拉桿、鋼拉桿的連接節(jié)點和撐桿下料時嚴格控制精度，安裝前按實際位置對每根鋼拉桿、鋼拉桿的連接節(jié)點和撐桿編號。

（2）應(yīng)仔細核對鋼拉桿、鋼拉桿的連接節(jié)點、撐桿耳板的位置和方向，特別要注意與鋼拉桿頭及撐桿相連節(jié)點的耳板方向。

（3）鋼拉桿安裝前，需對調(diào)節(jié)套筒、連接棒等涂適量黃油潤滑，以便于擰動。

（4）鋼拉桿安裝前須測定撐桿下節(jié)點安裝誤差，并根據(jù)徑向鋼拉桿的實際生產(chǎn)長度誤差，調(diào)節(jié)鋼拉桿長度，然后安裝，以確保撐桿下節(jié)點的準確。步驟如下：①首先將徑向鋼拉桿中間的調(diào)節(jié)套筒調(diào)至合適長度，將鋼拉桿上端與節(jié)點耳板相連。②將徑向鋼拉桿下端與撐桿下端節(jié)點連接好。③調(diào)節(jié)拉桿長并預緊鋼拉桿[2]。

3.3 鋼拉桿的張拉

3.3.1 張拉總體步驟

（1）遵循設(shè)計要求，張拉總體步驟如下：①預緊安裝：根據(jù)屋蓋的流水施工順序，撐桿隨相應(yīng)榀鋼屋架同時安裝；待每榀屋架及撐桿安裝完畢后，安裝預應(yīng)力鋼拉桿，先對環(huán)向預應(yīng)力鋼拉桿預緊、調(diào)節(jié)找形；然后對預應(yīng)力鋼拉桿預緊。②張拉：縱向鋼拉桿的張拉分二階段完成。分為0→80%→100%[3]。

3.3.2 張拉總體原則

（1）單批次張拉分級：同批次鋼拉桿張拉時應(yīng)逐級施加拉力，分二級張拉。

（2）張拉順序：從兩邊依次向中間對稱張拉（先張拉單榀跨度較短的鋼拉桿，再張拉單榀拉跨度較大的鋼拉桿）。

（3）鋼拉桿張拉控制項目及其目標。鋼拉桿張拉控制采用雙控原則：控制鋼拉桿力和鋼梁頂關(guān)鍵節(jié)點（撐桿對應(yīng)鋼梁節(jié)點）豎向變形。

（4）張拉時機：待邊桁架、鋼梁、撐桿和鋼拉桿、鋼拉桿連接節(jié)點安裝完畢，且支座就位后，進行正式張拉。待全部張拉完畢后，安裝檁條、玻璃等。

3.3.3 張拉機具

張拉工裝和設(shè)備包括：液壓千斤頂、油壓表、油泵、油管、張拉螺桿、反力架等。

鑒于前兩批次的單根鋼拉桿最大施工張拉力約為400kN，因此選用YDCW240QX 型千斤頂進行張拉（一個張拉點的兩臺千斤頂?shù)膹埨δ苓_到48t）。

第三批次張拉時，單根鋼拉桿最大施工張拉力接近700kN，單臺千斤頂張拉力不小于350kN，當采購有困難時，可替換相應(yīng)張拉力的千斤頂。

3.3.4 張拉流水施工順序

考慮盡量減少張拉引起撐桿的偏移，并考慮張拉先后順序?qū)︿摾瓧U力影響，本工程鋼拉桿的張拉順序分為三批次，前兩批次從兩側(cè)向中間張拉，第一批次，由T5 向T11、-T5 向-T11 張拉，第二批次，由T5 向T11、-T5 向-T11 張拉，每個批次為3 次對稱張拉。張拉順序如下圖，兩個批次各為3 次，每次采用8 臺頂張拉，具體鋼拉桿張拉順序如圖2 和圖3 所示。

圖2 第一批次鋼拉桿張拉順序（由兩側(cè)向中間張拉）

圖3 第二批次鋼拉桿張拉順序（由兩側(cè)向中間張拉）

3.4 鋼拉桿施工監(jiān)測

3.4.1 監(jiān)測內(nèi)容和監(jiān)測點

預應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)鋼拉桿預應(yīng)力施工常規(guī)監(jiān)測內(nèi)容包括：鋼拉桿力和關(guān)鍵節(jié)點位移。

（1）鋼拉桿力監(jiān)測點：各主動張拉點的鋼拉桿力。

（2）關(guān)鍵節(jié)點位移監(jiān)測點：變形監(jiān)控位置為支座水平位移以及各榀鋼拉桿對應(yīng)跨中的豎向位移。

3.4.2 監(jiān)測方法和設(shè)備鋼拉桿力監(jiān)測

（1）鋼拉桿力監(jiān)測。

對于正在張拉的主動張鋼拉桿拉力控制采用配套標定的千斤頂現(xiàn)場張拉的千斤頂均在有資質(zhì)的實驗室與油壓表進行配套標定。

（2）位移監(jiān)測儀器——全站儀。

采用全站儀可直接由控制點進行三維放樣，可達到很高的精度效果。

3.5 張拉過程各工況分析

本工程屬于雙向張弦結(jié)構(gòu)，鋼拉桿張拉需考慮多鋼拉桿分批張拉相互間的影響，采用分批對稱張拉，同時有效減少撐桿偏位[4]。

根據(jù)本工程的鋼屋蓋的施工安裝順序，結(jié)合鋼拉桿張拉順序，并用軟件迭代計算，確定分9 步比較合適，第一步均前一步分析的基礎(chǔ)上完成，具體如下。

（1）工況Stage1：鋼梁+撐桿+鋼拉桿的自重（1.1 倍）。

（2）第一批次張拉為工況Stage2~Stage4。

工況Stage2：同時張拉GLG-8、GLG-9、GLG-17、GLG-18。

工況Stage3：同時張拉GLG-5、GLG-7、GLG-14、GLG-16。

工況Stage4：同時張拉GLG-1、GLG-4、GLG-10、GLG-13。

（3）第二批次張拉為工況Stage5~Stage7。

工況Stage5：同時張拉GLG-8、GLG-9、GLG-17、GLG-18。

工況Stage6：同時張拉GLG-5、GLG-7、GLG-14、GLG-16。

工況Stage7：同時張拉GLG-1、GLG-4、GLG-10、GLG-13。

（4）工況Stage8：張拉完成后，拆除支撐，脫架。

（5）第三批次張拉，張拉力為脫架后的確認鋼拉桿拉力，張拉力為脫架后的鋼拉桿拉力，張拉順序同第一批次的張拉順序，需待采光頂處結(jié)構(gòu)完全脫架后，方可進行張拉。

工況Stage9：在工況Stage8 基礎(chǔ)上，增加檁條及屋面玻璃荷載。

第一批張拉和第二批張拉分次張拉的鋼拉桿力，以及張拉過程中鋼拉桿力變化情況。第三批次的張拉力為脫架后的確認鋼拉桿拉力，需待采光頂處結(jié)構(gòu)完全脫架后，方可進行張拉。

施工全過程位移分析：第一批次張拉結(jié)束后，撐桿處的豎向位移均為向上，最大為4.5mm，第二批次張拉結(jié)束后，撐桿處的向上最大位移為6.1mm，均為向上，說明在張拉完成后，撐桿處的已經(jīng)脫架。第三批次張拉，僅為防止脫架引起的鋼拉桿拉索拉力松弛，位移參照Stage8 工況下位移。

但在拆除支撐后，位移有明顯變化，邊桁架由于跨度較大，且作為三角形采光頂?shù)闹ё?，邊桁架在自重（包括三角形采光區(qū)）作用下，在跨中處最大達到了231.6mm，在安裝完檁條及屋面玻璃后，在跨中處最大達到了312.9mm，同時會引起三角形采光頂區(qū)域相應(yīng)變形。原藍圖中已經(jīng)注明，邊桁架應(yīng)預起拱100mm，來減少邊桁架的變形，是十分必要的。經(jīng)預起拱后，下?lián)狭?312.9-100=212.9mm，規(guī)范容許值67200/250=268.8mm＞212.9mm，變形在容許值范圍以內(nèi)。從計算結(jié)果表可以看出，在安裝完檁條及屋面板后增加的豎向位移（相對于拆除支撐后的位移）增加了約81.3mm，說明檁條和玻璃自重對豎向位移增加幅度較小，同時說明，三角形區(qū)域結(jié)構(gòu)剛度較大，鋼拉桿的張拉力能滿足要求。

在安裝完成屋面玻璃后，鋼梁、撐桿及鋼拉桿的應(yīng)力比均小于0.65，從計算結(jié)構(gòu)看，預應(yīng)力對三形角采光頂鋼梁受力有較好改善作用。

4 結(jié)語

本研究對雙向張弦結(jié)構(gòu)施工全過程進行分析計算，并給出了鋼拉桿張拉順序、鋼拉桿張拉力、張拉過程中的鋼梁關(guān)鍵點的變形值、鋼構(gòu)件的應(yīng)力比。采取“分段安裝→拉索后裝→初張拉→終張拉”的施工方法，取消整體拼裝工序，減少工裝措施費，節(jié)約資源，降低造價，同時增強了雙曲采光頂?shù)陌踩阅堋?/p>