拉索多階段受力狀態(tài)下的高空張弦梁加工與安裝技術(shù)

李 昂 趙國(guó)強(qiáng) 范銳釗 朱興陸

北京市機(jī)械施工集團(tuán)有限公司 北京 102628

張弦梁結(jié)構(gòu)是一種區(qū)別于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的新型雜交屋蓋體系，主要由剛性構(gòu)件上弦、柔性拉索及中間的撐桿連接組成。國(guó)內(nèi)外對(duì)張弦梁結(jié)構(gòu)的力學(xué)研究已有20余年，2007年，趙憲忠等[1]對(duì)張弦梁結(jié)構(gòu)張拉過(guò)程中的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，佘遠(yuǎn)逢等[2]通過(guò)有限元建模對(duì)張弦梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，文中均探討了張拉力與結(jié)構(gòu)變形的關(guān)系，張拉力作用導(dǎo)致結(jié)構(gòu)水平跨度縮小、整體上拱和撐桿傾斜等。張弦梁雖然結(jié)構(gòu)體系簡(jiǎn)單，但預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)從拼裝到張拉完成，要經(jīng)歷多階段受力狀態(tài)，拉索之間存在相互影響，對(duì)變形控制要求嚴(yán)格，且高空張弦梁結(jié)構(gòu)剛度弱，對(duì)制作和安裝的精度要求高[3]。

本文以實(shí)際工程為例，鋼結(jié)構(gòu)和拉索工廠預(yù)先同步加工制作，張弦梁采取單榀帶索樓板平拼，拉索兩級(jí)張拉、塔吊逐榀吊裝技術(shù)，同時(shí)，進(jìn)行多階段受力施工仿真計(jì)算校核及索力和鋼管結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)，保證加工與安裝構(gòu)件形態(tài)，達(dá)到安全高效的施工效果。

1 工程概況

北京銀行順義科技研發(fā)中心A3樓為型鋼混凝土框架-鋼筋混凝土核心筒混合結(jié)構(gòu)，中央中庭大跨、大空間屋頂采用張弦梁結(jié)構(gòu)（圖1）。

圖1 張弦梁結(jié)構(gòu)軸測(cè)圖

屋面鋼結(jié)構(gòu)部分平面尺寸約為39 m×21 m，結(jié)構(gòu)頂部標(biāo)高約76.5 m，共設(shè)14榀張弦梁，各榀張弦梁之間通過(guò)設(shè)置圓鋼管進(jìn)行連接，并通過(guò)鋼管立柱與樓面鋼梁相連，鋼管立柱與樓面鋼梁采用銷軸連接。每榀張弦梁下端設(shè)置3段鋼拉桿（表1），張弦梁間距3 m，鋼拉桿采用D40高釩鍍層鋼拉桿，破斷荷載為破斷力767 kN。

表1 張弦梁鋼拉桿統(tǒng)計(jì)

2 施工技術(shù)特點(diǎn)與難點(diǎn)

2.1 施工技術(shù)特點(diǎn)

1）鋼拉桿施工全過(guò)程的技術(shù)參數(shù)分析。鋼拉桿的施工過(guò)程包括加工制作、安裝、張拉、整體焊接合攏等，鋼拉桿的加工精度需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)參數(shù)分析而確定，做好技術(shù)準(zhǔn)備，從而控制現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量。

2）根據(jù)技術(shù)方案確定鋼拉桿的施工方法。確認(rèn)鋼拉桿的技術(shù)參數(shù)后，應(yīng)進(jìn)一步確定鋼拉桿的施工方法。鋼拉桿的張拉是通過(guò)張拉工裝對(duì)鋼拉桿施加一個(gè)拉力，通過(guò)拉緊鋼拉桿對(duì)結(jié)構(gòu)施加了一個(gè)預(yù)應(yīng)力，此時(shí)結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變形，因此構(gòu)件在張拉前應(yīng)充分考慮張拉變形的影響，按照設(shè)計(jì)狀態(tài)反推張拉前的結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行定位拼裝。

3）鋼拉桿張拉速度的確定。鋼拉桿張拉速度會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生直接影響，甚至可導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，因此應(yīng)根據(jù)計(jì)算確定張拉速度，在不影響施工進(jìn)度的情況下，盡可能使用較低速度進(jìn)行張拉。

4）采取可靠的監(jiān)測(cè)手段。為保證結(jié)構(gòu)的安全，在鋼拉桿張拉的整個(gè)過(guò)程中，需對(duì)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及位移變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，確保結(jié)構(gòu)始終處于穩(wěn)定狀態(tài)，保證施工過(guò)程的安全。

2.2 施工難點(diǎn)分析

1）本工程張弦梁結(jié)構(gòu)形式比較特殊，無(wú)法通過(guò)常規(guī)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行施工判斷，因此需要借助計(jì)算軟件等對(duì)鋼拉桿的張拉全過(guò)程進(jìn)行仿真模擬計(jì)算，根據(jù)計(jì)算指導(dǎo)施工。

2）構(gòu)件的加工精度控制是本工程的難點(diǎn)，因?yàn)樵O(shè)計(jì)狀態(tài)為張拉后的最終狀態(tài)，而加工狀態(tài)需要根據(jù)計(jì)算確定張拉前的結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行加工制作，無(wú)論在計(jì)算上及加工上都會(huì)投入更大的精力。加工精度必須嚴(yán)格按照現(xiàn)場(chǎng)要求，才能在鋼拉桿張拉后，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求的狀態(tài)。

3 張弦梁加工形態(tài)研究

3.1 拉索內(nèi)力設(shè)計(jì)

本工程14榀張弦梁，每榀張弦梁拉索內(nèi)力不盡相同。

3.2 張弦梁預(yù)應(yīng)力分析

張弦梁預(yù)應(yīng)力分析的目的是根據(jù)設(shè)計(jì)姿態(tài)圖紙及拉索內(nèi)力反算出結(jié)構(gòu)的加工形狀，從而確保張弦梁結(jié)構(gòu)在張拉完成后的幾何形態(tài)與設(shè)計(jì)姿態(tài)一致，從而達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

張弦梁預(yù)應(yīng)力分析的基本思路，是首先假設(shè)一個(gè)初始狀態(tài)即加工形態(tài)，然后按照拉索內(nèi)力，對(duì)初始狀態(tài)模型逐級(jí)施加初始預(yù)應(yīng)力，預(yù)應(yīng)力施加完成后得到一個(gè)最終狀態(tài)即施工完成后形態(tài)的模型。將該模型與設(shè)計(jì)姿態(tài)模型進(jìn)行比對(duì)，若2個(gè)模型基本吻合，即可認(rèn)為該初始狀態(tài)滿足要求，可按此狀態(tài)進(jìn)行加工；若2個(gè)模型相差超過(guò)一定范圍，即對(duì)初始狀態(tài)模型進(jìn)行調(diào)整，再重新進(jìn)行計(jì)算，直至得到的最終狀態(tài)模型與設(shè)計(jì)姿態(tài)模型基本一致即可。

3.3 張弦梁形變計(jì)算

張弦梁結(jié)構(gòu)自重＋預(yù)應(yīng)力＋屋面恒載拉索內(nèi)力最大值為79.2 kN，最小值為59.6 kN；結(jié)構(gòu)自重＋預(yù)應(yīng)力下拉索內(nèi)力最大值為46.1 kN，最小值為41.5 kN。采用通用有限元分析軟件Midas/Gen進(jìn)行計(jì)算分析，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙給出的索力賦予初拉力。經(jīng)計(jì)算，得出每榀張弦梁水平位移及豎向位移數(shù)值，其中最大位移位于張弦梁中間部位，為22 mm，加工時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮此部位，利用該數(shù)值得到一個(gè)初始狀態(tài)模型，通過(guò)對(duì)模型施加初始預(yù)應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，得到的最終模型與設(shè)計(jì)模型基本吻合。加工時(shí)采取對(duì)每榀張弦梁上弦鋼梁根據(jù)論證的初始狀態(tài)模型起不同數(shù)值的反拱，對(duì)兩側(cè)鋼柱加工時(shí)根據(jù)水平跨度位移的計(jì)算預(yù)傾斜不同數(shù)值的角度等措施。

4 施工方案及主要技術(shù)措施

4.1 預(yù)應(yīng)力鋼索制作

預(yù)應(yīng)力鋼索及節(jié)點(diǎn)加工圖由預(yù)應(yīng)力專項(xiàng)施工單位設(shè)計(jì)，制作加工由預(yù)應(yīng)力鋼索專業(yè)生產(chǎn)廠家完成。預(yù)應(yīng)力鋼索總體制作流程：鋼絲來(lái)料檢驗(yàn)→入庫(kù)→捻制拉索→預(yù)張拉→制錨→出廠檢驗(yàn)→包裝→出庫(kù)。

4.2 施工總體思路

現(xiàn)場(chǎng)鋼拉桿安裝主要包含鋼拉桿的地面拼裝、鋼拉桿的地面張拉兩部分。在單榀張弦梁地面拼裝完成后進(jìn)行鋼拉桿安裝并張拉，張拉完成后，單榀張弦梁兩端位移基本為0 mm，可保證吊裝就位時(shí)張弦梁兩端與支座正好對(duì)齊；本工程不考慮分級(jí)張拉，于地面一次張拉完成；吊裝就位后可根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果局部進(jìn)行張拉調(diào)整。

4.3 張弦梁施工實(shí)施方案

4.3.1 拉索地面展開

為了在現(xiàn)場(chǎng)施工方便，在索體制作時(shí)，每根索體都單獨(dú)成盤，在加工廠內(nèi)將索體纏繞成盤，到現(xiàn)場(chǎng)后吊裝到事先加工好的放索盤上。

索在地面開盤，采用卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引放索。在放索過(guò)程中因索盤自身的彈性和牽引產(chǎn)生的偏心力，索盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)使轉(zhuǎn)盤產(chǎn)生加速，導(dǎo)致散盤，危及工人安全，因此對(duì)轉(zhuǎn)盤設(shè)置剎車和限位裝置。為防止索體在移動(dòng)過(guò)程中與地面接觸，損壞拉索防護(hù)層或損傷索股，索頭用布袋包住，將索逐漸放開，在地面沿放索方向鋪設(shè)一些圓鋼管，以保證索體不與地面接觸，同時(shí)減少了與底面的摩擦力，圓鋼管的長(zhǎng)度不小于1 m，間距為2.5 m左右。由于索長(zhǎng)大于跨度，索展開后應(yīng)與軸線傾斜一定角度才能放下，因此牽引方向應(yīng)相應(yīng)傾斜，且牽引時(shí)使索基本保持直線狀移動(dòng)。

4.3.2 鋼拉桿安裝

鋼拉桿采用地面設(shè)置拼裝胎架，使用倒鏈人工進(jìn)行安裝，安裝方法如下：第1步，將一根張弦梁中間段鋼拉桿安裝就位，并通過(guò)鋼拉桿調(diào)節(jié)端將鋼拉桿長(zhǎng)度調(diào)節(jié)為設(shè)計(jì)長(zhǎng)度。第2步，將一根張弦梁兩端鋼拉桿叉耳端調(diào)節(jié)量調(diào)節(jié)至最大值，然后將兩端鋼拉桿安裝就位。

4.3.3 鋼拉桿張拉

1）張拉位置。在張弦梁兩端同時(shí)張拉（圖2）。

圖2 鋼拉桿張拉示意

2）張拉工裝設(shè)計(jì)。單根張弦梁兩端同時(shí)張拉，同時(shí)張拉2榀張弦梁。共使用4套設(shè)備對(duì)鋼拉桿進(jìn)行張拉，共計(jì)使用10 t液壓千斤頂8臺(tái)，油泵及工裝設(shè)備4臺(tái)，每臺(tái)油泵配2臺(tái)液壓千斤頂（圖3）。

圖3 張拉工裝示意

3）張拉過(guò)程監(jiān)測(cè)記錄。張拉過(guò)程中對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的變形及應(yīng)力變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，形成文字資料以方便后期進(jìn)行相關(guān)分析。

4.3.4 張拉質(zhì)量控制方法和要求

1）鋼構(gòu)件進(jìn)場(chǎng)驗(yàn)收，確保精度滿足張拉要求。

2）確定張拉設(shè)備，按照計(jì)算結(jié)果對(duì)設(shè)備進(jìn)行調(diào)校。

3）張拉時(shí)要注意溫度的影響，盡量選在每天的同一個(gè)時(shí)間段。

4）重點(diǎn)檢查鋼拉桿與設(shè)備連接處，確保鋼拉桿與設(shè)備穩(wěn)固連接，以免對(duì)鋼拉桿造成破壞。

5）張拉時(shí)的速度要嚴(yán)格控制，一般給油時(shí)間不應(yīng)低于30 s。

6）設(shè)備安裝前進(jìn)行放線，確保設(shè)備與每榀結(jié)構(gòu)在一條直線上。

4.3.5 安裝和張拉操作平臺(tái)

張拉設(shè)備平臺(tái)選用現(xiàn)場(chǎng)80 mm×80 mm×5 mm方管進(jìn)行組裝，每榀張弦梁的兩頭各設(shè)置一組操作平臺(tái)。

操作平臺(tái)尺寸3 m×2 m，豎向采用6根方管，每根方管加設(shè)斜撐以提高平臺(tái)穩(wěn)定性（圖4）。

圖4 操作平臺(tái)示意

4.4 鋼拉桿同步張拉的控制措施

2榀張弦梁同時(shí)張拉，因此要重點(diǎn)控制2榀張拉設(shè)備的同步性。控制張拉同步有2個(gè)步驟。

1）在鋼拉桿張拉前調(diào)整鋼拉桿兩頭的調(diào)節(jié)量，控制2榀鋼拉桿的調(diào)校量一致。

2）本工程雖然為一次張拉就位，但可將一次張拉過(guò)程分解為5～6次小張拉分級(jí)，在同步張拉時(shí)，按照分解后的小張拉，每小張拉一級(jí)后停止動(dòng)作，對(duì)每榀鋼拉桿進(jìn)行測(cè)量調(diào)校，可使2榀張弦梁在整個(gè)張拉過(guò)程趨近于同步。

4.5 預(yù)應(yīng)力補(bǔ)償措施

每榀張弦梁張拉完成后，對(duì)鋼拉桿的力值進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，可根據(jù)測(cè)量結(jié)果確定是否需要對(duì)張拉值進(jìn)行調(diào)整。如需調(diào)整，需根據(jù)計(jì)算模型確定調(diào)整方案。

當(dāng)每榀張弦梁吊裝至就位位置，并且全部焊接完成后，對(duì)鋼拉桿的力值再次進(jìn)行測(cè)量，確保鋼拉桿的力值滿足設(shè)計(jì)要求。如需調(diào)整力值，需經(jīng)過(guò)計(jì)算模型確定張拉調(diào)整方案，避免私自張拉對(duì)整體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不良影響。

4.6 形態(tài)驗(yàn)證

施工完成后，對(duì)每榀張弦梁的精度進(jìn)行復(fù)測(cè)，將測(cè)量數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)形態(tài)進(jìn)行對(duì)比。經(jīng)對(duì)比，張弦梁施工完成后的施工形態(tài)與設(shè)計(jì)形態(tài)最大誤差2 mm，滿足規(guī)范要求，驗(yàn)證了施工仿真模擬計(jì)算對(duì)反推結(jié)構(gòu)加工形態(tài)的可行性及準(zhǔn)確性。

5 結(jié)語(yǔ)

介紹了一種張弦梁預(yù)應(yīng)力分析法，通過(guò)不斷對(duì)假設(shè)初始形態(tài)模型進(jìn)行修正，施加預(yù)應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，得到與設(shè)計(jì)姿態(tài)相吻合的模型。通過(guò)施工仿真模擬計(jì)算，計(jì)算出拉索多階段受力狀態(tài)下結(jié)構(gòu)的變形數(shù)值，將該數(shù)值作為預(yù)應(yīng)力分析法中初始狀態(tài)模型的重要依據(jù)，從而保證張弦梁結(jié)構(gòu)在張拉并安裝完成后與設(shè)計(jì)姿態(tài)保持一致。大跨度張弦梁鋼拉桿預(yù)應(yīng)力施工技術(shù)在本工程的成功應(yīng)用，為同類結(jié)構(gòu)的安裝提供了一種新的思路，可供今后類似工程參考。