輪輻式索桁結(jié)構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)研究

劉明亮

上海同磊土木工程技術(shù)有限公司 上海 200090

輪輻式索桁結(jié)構(gòu)體系又可稱為輪輻型張拉結(jié)構(gòu)體系，由于其輕量化、建筑外觀輪廓優(yōu)美、結(jié)構(gòu)受力性能優(yōu)越等特征，被廣泛應(yīng)用在大中型體育場館等建筑物的屋蓋構(gòu)造或結(jié)構(gòu)中[1]。

相比傳統(tǒng)材料，拉索在大跨度體育場館中應(yīng)用時(shí)具有無可比擬的優(yōu)點(diǎn)，如高強(qiáng)度、質(zhì)量輕，能提高大跨結(jié)構(gòu)的整體性和美觀性等。輪輻式索桁結(jié)構(gòu)起源于美國建筑師富勒于20世紀(jì)提出的“張拉”以及“整體”的理念，其首次將結(jié)構(gòu)由受壓引導(dǎo)至受拉的狀態(tài)中。

輪輻式索桁結(jié)構(gòu)早期的典型案例有北京市工人體育館（1961年）和成都城北體育館（1980年）。

目前，國內(nèi)的輪輻式張拉結(jié)構(gòu)大多為圓形結(jié)構(gòu)，且外圈徑向索多為雙層索，因此施工難度相對較低，但以往項(xiàng)目施工過程中對結(jié)構(gòu)體系的狀態(tài)難以實(shí)時(shí)控制，甚至在張拉施工完成后都無法保證每根拉索的索力與設(shè)計(jì)值相吻合[2]。本文在借鑒前人理論及施工實(shí)踐的基礎(chǔ)上，分析了整體結(jié)構(gòu)外形為橢圓形的單層索-桁結(jié)構(gòu)的施工過程，通過先進(jìn)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)，可以實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)張拉過程中的不穩(wěn)定情況，及時(shí)對張拉力進(jìn)行調(diào)整[3-7]。

1 工程概況及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

上海自行車館鋼屋蓋采用輪輻式懸索結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)外圈投影面為一個(gè)橢圓，內(nèi)圈投影面為正圓形。建筑層數(shù)為地上4層，長軸長128.6 m，短軸長102.8 m，鋼結(jié)構(gòu)標(biāo)高23.90 m。鋼結(jié)構(gòu)包括4個(gè)部分：內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)、立面鋼柱與立面結(jié)構(gòu)、屋面輪輻式懸掛鋼屋蓋、次結(jié)構(gòu)與檢修馬道。整體鋼結(jié)構(gòu)Tekla模型如圖1所示。

圖1 自行車館鋼結(jié)構(gòu)鳥瞰圖

中央車輪式鋼環(huán)采用輪輻式弦支結(jié)構(gòu)體系，直徑35 m；外側(cè)鋼框架與中央鋼環(huán)結(jié)構(gòu)間是懸索梁屋面。外環(huán)標(biāo)準(zhǔn)一榀單元結(jié)構(gòu)形式如圖2所示，屋面主梁與承重索通過吊桿連接，張拉完成后索與屋面梁共同承擔(dān)屋面荷載，并通過一系列的力學(xué)傳遞，最終將荷載傳遞到外側(cè)鋼柱上。

圖2 外環(huán)一榀典型結(jié)構(gòu)軸測圖

2 鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)路線

2.1 鋼結(jié)構(gòu)吊裝方法概述

根據(jù)自行車館的鋼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以及項(xiàng)目現(xiàn)場施工條件，將自行車館鋼結(jié)構(gòu)在工廠分段散件加工，運(yùn)輸?shù)巾?xiàng)目現(xiàn)場后，再在地面拼裝成吊裝單元，設(shè)置臨時(shí)支撐分段吊裝。選擇“臨時(shí)支撐、現(xiàn)場拼裝、分段吊裝”的施工方式。

根據(jù)工程吊裝特點(diǎn)，整個(gè)內(nèi)場均需作為拼裝場地和履帶吊行走場地，內(nèi)場回填后進(jìn)行分層壓實(shí)，壓實(shí)率不低于94%，確保地基承載力滿足吊機(jī)作業(yè)需求，場內(nèi)道路擬采用路基箱板作為吊車的通行道路。外側(cè)布置履帶吊環(huán)形作業(yè)通道，寬度為12 m，承載力不小于200 kN/m2，用于150 t履帶吊行走和作業(yè)。外側(cè)環(huán)形道路與內(nèi)場留出一條12 m寬的通道，作為內(nèi)外場車行道；構(gòu)件堆場分為場外堆場和場內(nèi)堆場，場外堆場分布于自行車館四周，內(nèi)部堆場根據(jù)施工進(jìn)度情況實(shí)時(shí)調(diào)整，保證不影響吊裝工作及吊車行走。吊裝范圍內(nèi)的纜風(fēng)繩已采取保護(hù)措施，根據(jù)纜風(fēng)繩點(diǎn)位規(guī)劃吊車行走路線和吊機(jī)站位（圖3）。

圖3 施工總平面布置示意

由于本項(xiàng)目內(nèi)部無任何豎向支撐構(gòu)件，全部的豎向力全部傳遞到最外圈的700 mm×40 mm的鋼柱上，因此在張拉前，場內(nèi)設(shè)置的支撐較多，而支撐在結(jié)構(gòu)形成穩(wěn)定體系之前整體性較差，因此纜風(fēng)繩的設(shè)置需根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況適時(shí)調(diào)整，以保證不影響吊車的行車路線。

2.2 鋼結(jié)構(gòu)施工流程

鋼結(jié)構(gòu)整體施工流程如圖4所示，具體如下：搭設(shè)內(nèi)環(huán)臨時(shí)支撐，分段吊裝內(nèi)環(huán)屋蓋〔圖4（a）～（c）〕→安裝內(nèi)環(huán)徑向拉索，并分級張拉〔圖4（d）〕→吊裝外圈鋼柱及其他立面桿件〔圖4（e）〕→吊裝屋面主梁〔圖4（f）〕→屋面掛索，安裝吊桿、馬道〔圖4（g）〕→主屋面拉索分級、分批張拉〔圖4（h）〕→張拉完畢后，拆除胎架，場地清理〔圖4（i）〕。

圖4 施工順序示意

采取上述施工流程的優(yōu)點(diǎn)是：

1）內(nèi)外環(huán)可以分別組織流水施工，內(nèi)環(huán)的拉索可以先行張拉以達(dá)到內(nèi)圈體系的整體穩(wěn)定性。

2）外圈在形成閉合體系前，內(nèi)圈已吊裝完畢，大型吊車可以從預(yù)留的一榀空擋位置撤出內(nèi)場，從外部場地完成外圈最后一榀桁架和拉索的吊裝工作。

3）拉索的對稱張拉可減少由于大型空間結(jié)構(gòu)在受到不均勻拉/壓力時(shí)的瞬時(shí)不可逆形變，提高結(jié)構(gòu)的整體性。

4）拉索的分批張拉，可與施工過程中的健康監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)校對，若發(fā)現(xiàn)有異常的索力變化或結(jié)構(gòu)變形時(shí)可適時(shí)調(diào)整拉索張拉方案，增加了施工的可控性。

3 施工過程中的關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 拉索安裝技術(shù)要點(diǎn)

本項(xiàng)目主拉索現(xiàn)場安裝流程可總結(jié)為：工廠里拉索按照施加初始預(yù)張力的長度進(jìn)行生產(chǎn)，并在拉索索皮表面標(biāo)記索夾定位→拉索運(yùn)送至項(xiàng)目→開盤放索→安裝吊（撐）桿和索夾→初步測量并計(jì)算吊桿下節(jié)點(diǎn)定位誤差→根據(jù)拉索索皮保護(hù)層上的定位標(biāo)記，并結(jié)合撐桿下節(jié)點(diǎn)裝配誤差，在調(diào)整好各索段長度后，吊裝拉索→再次測定吊桿上節(jié)點(diǎn)裝配誤差，并根據(jù)節(jié)點(diǎn)安裝誤差和拉索生產(chǎn)誤差調(diào)節(jié)。

自行車館中心內(nèi)環(huán)拉索固定端應(yīng)先與中間撐桿鑄鋼節(jié)點(diǎn)連接，再同時(shí)提升，然后通過鋼絲繩吊帶等輔助設(shè)備將張拉端牽引到內(nèi)環(huán)梁，工人通過吊車輔助安裝銷軸完成掛索。

自行車館屋面拉索在屋面與主梁上間隔分布，因此拉索的安裝盡量要在主梁吊裝時(shí)同步進(jìn)行，避免鋼梁安裝到位后導(dǎo)致拉索吊裝困難。

屋面拉索需采用50 t吊車配合卷揚(yáng)機(jī)進(jìn)行展索及掛索（圖5），屋面主梁與拉索之間主要通過吊桿進(jìn)行連接，拉索通過吊桿將主梁吊住，屋面主拉索最大自重接近3 t，可以在地面將吊桿與主梁連接好同時(shí)進(jìn)行吊裝。拉索的索夾可以在吊裝前于地面上根據(jù)打標(biāo)位置安裝，等屋面拉索吊裝到位并初張拉預(yù)緊后（圖6），將主梁及拉索之間的吊桿進(jìn)行連接；吊桿的安裝可以通過吊車配合。當(dāng)拉索及撐桿安裝到位后，在拉索張拉端與主體結(jié)構(gòu)連接處搭設(shè)張拉操作平臺，進(jìn)行張拉施工。

圖5 吊車配合掛索示意

圖6 張拉點(diǎn)大樣

3.2 拉索張拉技術(shù)要點(diǎn)分析

屋面拉索共分2種，一種是內(nèi)圈的10根φ75 mm拉索，一種是外圈的40根φ90 mm拉索。設(shè)計(jì)提供的張拉順序?yàn)椋涸趦?nèi)圈拉索安裝完畢后，先行張拉，然后在外圈鋼結(jié)構(gòu)及拉索安裝完畢后張拉外圈拉索。由于整個(gè)結(jié)構(gòu)體系空間跨度非常大，一旦張拉出現(xiàn)偏差，會對結(jié)構(gòu)造成不可挽回的破壞，因此確定張拉方案是鋼結(jié)構(gòu)施工的重點(diǎn)。

內(nèi)圈10根拉索一次性張拉，按照預(yù)緊→50%→100%張拉至設(shè)計(jì)長度；外圈拉索分批分級張拉（張拉分批需滿足對稱的要求，分4批，如圖7所示），每批張拉按照預(yù)緊→30%→50%→80%→100%→105%（超張拉5%）。

圖7 張拉分批示意

拉索全部采用一端張拉，自行車館主動張拉端設(shè)置在內(nèi)環(huán)梁處，張拉點(diǎn)大樣見圖6。在內(nèi)圈環(huán)梁上中心10根拉索與屋面40根拉索上均設(shè)置張拉調(diào)節(jié)端，當(dāng)拉索撐桿吊裝完畢預(yù)緊后，可以搭設(shè)操作平臺、布置工裝進(jìn)行張拉。

張拉技術(shù)要點(diǎn)如下：

1）張拉同步控制。同一批拉索在啟動液壓油缸施加張拉力時(shí)，應(yīng)保證逐級施加，以控制分級張拉；通過拉索調(diào)節(jié)螺桿長度，控制同一軸線拉索的同步張拉力。

2）施工張拉力和張拉過程分析。宜進(jìn)行拉索張拉施工全過程力學(xué)分析，預(yù)控為先，進(jìn)行詳細(xì)的施工工況分析。

3）張拉順序和張拉時(shí)機(jī)。待主體結(jié)構(gòu)全部安裝完成及焊接驗(yàn)收結(jié)束后張拉。

4）拉索張拉控制項(xiàng)及其目標(biāo)。拉索張拉控制應(yīng)采用以油缸張拉力控制為主，結(jié)構(gòu)整體或局部（屋面主梁）變形控制為輔的原則，主要控制索力，在預(yù)應(yīng)力達(dá)到的基礎(chǔ)上控制屋蓋及內(nèi)環(huán)鋼結(jié)構(gòu)的豎向變形。

5）采取可靠監(jiān)測手段對關(guān)鍵部位的索力、位移、應(yīng)變等進(jìn)行監(jiān)測。施工階段結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測宜在鋼結(jié)構(gòu)吊裝前介入，在吊裝各階段進(jìn)行拉索的索力監(jiān)測（EM磁通量索力監(jiān)測）、應(yīng)變監(jiān)測（應(yīng)力比較大的立柱、斜柱、外環(huán)梁、屋面梁等關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)）、風(fēng)環(huán)境監(jiān)測、動力特性監(jiān)測、關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)變形監(jiān)測（屋面梁撓度大的位置）。通過對施工過程中自行車館鋼結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測，可實(shí)時(shí)監(jiān)測自行車館施工過程中的結(jié)構(gòu)整體形態(tài)變化，及時(shí)針對突發(fā)的拉索力、屋面梁變形、鋼結(jié)構(gòu)重要桿件及節(jié)點(diǎn)應(yīng)力等參數(shù)變化進(jìn)行復(fù)核，并適時(shí)調(diào)整張拉力等施工措施，實(shí)現(xiàn)施工過程的實(shí)時(shí)有效控制。

3.3 鋼結(jié)構(gòu)相貫節(jié)點(diǎn)優(yōu)化施工的技術(shù)要點(diǎn)

屋面主梁為單曲面箱型結(jié)構(gòu)，內(nèi)圈圈桁架拉索節(jié)點(diǎn)復(fù)雜，制作工藝復(fù)雜、成形難度高。為了解決施工過程中某些多桿件相貫節(jié)點(diǎn)焊接質(zhì)量難以保證的問題，擬定了如下解決方法：柱頂索夾節(jié)點(diǎn)和外圈七桿件相貫節(jié)點(diǎn)深化為鑄鋼節(jié)點(diǎn)（見圖2），解決了此處焊縫疊加帶來的質(zhì)量隱患。

3.4 施工過程中屋面大跨主梁的撓度控制技術(shù)

屋面主梁最大跨度為46 m，吊裝過程中會產(chǎn)生很大的變形，保證結(jié)構(gòu)整體滿足設(shè)計(jì)終態(tài)是本工程順利竣工的關(guān)鍵，也是鋼結(jié)構(gòu)施工的重中之重。

因此，經(jīng)過計(jì)算，確定采用跨中分段進(jìn)行分段吊裝，在跨中設(shè)置臨時(shí)支撐胎架，既可以作為結(jié)構(gòu)成形前的支撐，又能提供主梁焊接的工作面。

4 施工過程的仿真分析及健康監(jiān)測技術(shù)與施工控制的關(guān)系

4.1 施工過程的仿真分析與施工控制的關(guān)系

本文結(jié)構(gòu)計(jì)算模型采用SAP2000，考慮結(jié)構(gòu)非線性效應(yīng)、拉索預(yù)應(yīng)力和P-△效應(yīng)。其計(jì)算結(jié)果可作為施工控制的參數(shù)依據(jù)。

施工過程重要的控制指標(biāo)有拉索索力、關(guān)鍵部位變形、應(yīng)力及支撐胎架反力等。通過對這些指標(biāo)的監(jiān)測，可以實(shí)現(xiàn)對整個(gè)施工過程的有效控制。

內(nèi)環(huán)拉索索力從0張拉到1 750～1 775 kN；屋面拉索從0張拉到1 015～1 370 kN，拉索索力是健康監(jiān)測最主要的參數(shù)指標(biāo)之一，也是施工控制的關(guān)鍵。

豎向最大正位移出現(xiàn)在長跨中部，為117 mm，豎向最大負(fù)位移出現(xiàn)在短跨中部，為－52 mm；設(shè)計(jì)初始態(tài)相應(yīng)位置豎向最大正位移為96 mm，負(fù)位移為－10 mm；整體的最終態(tài)與設(shè)計(jì)初始態(tài)一次成形理論位形差異不大；因此變形也可作為施工控制的關(guān)鍵指標(biāo)。

臨時(shí)支撐胎架反力和主結(jié)構(gòu)應(yīng)力也是重要的監(jiān)測指標(biāo)。

4.2 健康監(jiān)測技術(shù)與施工控制的關(guān)系

健康監(jiān)測是施工控制的重要前提，通過對內(nèi)外環(huán)拉索索力監(jiān)測、關(guān)鍵部位變形監(jiān)測、應(yīng)力監(jiān)測等，可以實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)吊裝及張拉各個(gè)工況下結(jié)構(gòu)的異常情況，及時(shí)采取調(diào)整措施，確保結(jié)構(gòu)的安全。健康監(jiān)測的測點(diǎn)一般可根據(jù)設(shè)計(jì)要求或相關(guān)規(guī)范進(jìn)行點(diǎn)位、閾值設(shè)定。

5 結(jié)語

本文以上海自行車館項(xiàng)目鋼結(jié)構(gòu)施工為例，介紹了大跨度輪輻式索桁結(jié)構(gòu)的施工方法，并從鋼結(jié)構(gòu)吊裝和拉索施工2個(gè)角度分別對施工過程中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了闡述，對施工過程中存在的諸多關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了細(xì)致的分析；通過仿真分析模擬了自行車館在施工過程中的各種工況，并將其作為指導(dǎo)現(xiàn)場吊裝和張拉各工況施工以及臨時(shí)支撐設(shè)置和拆除的依據(jù)；結(jié)合大跨空間結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)，實(shí)時(shí)進(jìn)行索張拉施工的有效控制，提高了施工過程的可控性，可以為類似空間大跨工程項(xiàng)目的施工提供參考。