預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)采光頂施工平臺(tái)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

朱玉林

(安徽中亞鋼結(jié)構(gòu)工程有限公司，安徽 合肥 230051)

0 引 言

項(xiàng)目研究對(duì)象為安徽省六安市第一中學(xué)擴(kuò)建項(xiàng)目圖書館玻璃采光頂，屬于張弦鋼桁架結(jié)構(gòu)體系，預(yù)應(yīng)力支撐體系為高強(qiáng)度合金鋼拉桿。建筑結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)標(biāo)高(相對(duì)于總圖±0.000)為42.500 m，支座中心標(biāo)高為35.200 m，結(jié)構(gòu)平面尺寸為40.205 m×36.575 m，結(jié)構(gòu)整體造型為不等邊正放四角錐樣式。主體桁架圓管采用Q460B低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼[1]，預(yù)應(yīng)力鋼拉桿[2]采用GLG750(Ⅱ)合金鋼，鋼拉桿互為正交且交匯于鑄鋼鉸節(jié)點(diǎn)，鋼拉桿與桁架之間設(shè)置圓管撐桿。底部周圈桿件交匯處均設(shè)置抗震固定鉸支座，共44只，整體結(jié)構(gòu)透視圖如圖1所示。

圖1 采光頂鋼屋蓋結(jié)構(gòu)透視圖

為了實(shí)現(xiàn)該采光頂?shù)氖┕そㄔ欤枰诓晒忭斚路皆O(shè)置操作鋼平臺(tái)，利用鋼平臺(tái)堆放索桿節(jié)點(diǎn)配件和供施工管理人員行走。預(yù)應(yīng)力張拉施工采用液壓穿心式張拉千斤頂，拉桿張拉施工對(duì)操作平臺(tái)結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定性及變形限值有著較高的要求，設(shè)計(jì)選用何種類型的鋼平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)需要通盤考慮。

1 施工平臺(tái)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)思路

該項(xiàng)目屋蓋正下方為三層樓面，標(biāo)高為13.700 m，屋蓋支座圈梁標(biāo)高為34.500 m，屋蓋四周還有一段混凝土斜坡屋面，如果采用外圍汽車吊或履帶吊需要較大噸位。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘查比選預(yù)應(yīng)力鋼拉桿屋蓋施工方案，分別比較研究了傳統(tǒng)滿堂腳手架[3][4]、常規(guī)H型鋼梁[5]、柔性索網(wǎng)體系[6][7]、網(wǎng)架鋼結(jié)構(gòu)體系[8]四大類施工平臺(tái)。

比較研究發(fā)現(xiàn)：

(1) 滿堂腳手架平臺(tái)較為常用，但施工工期長(zhǎng)，且大量占用采光頂下方空間，影響其他專業(yè)的施工。

(2) 常規(guī)H型鋼梁平臺(tái)在大跨度情況下，用鋼量很大，安裝成本高，單個(gè)構(gòu)件相對(duì)笨重，在拆除時(shí)因上方采光頂鋼結(jié)構(gòu)主體形成封閉空間的影響，拆除施工工藝上難以實(shí)現(xiàn)。

(3) 索網(wǎng)體系平面外穩(wěn)定性差，鋼拉桿預(yù)應(yīng)力施工時(shí)存在較大的不利影響，不便于控制張拉操作，此外拉索支座節(jié)點(diǎn)要求高，前期并未考慮預(yù)埋件布置安裝。

(4) 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)平臺(tái)在本項(xiàng)目中優(yōu)勢(shì)較為明顯，其加工安裝工期短、裝拆操作難度小、占用建筑空間少、穩(wěn)定性好，直接經(jīng)濟(jì)費(fèi)用亦較低，具有比較優(yōu)勢(shì)。

綜上客觀比較得出，選擇利用既有土建施工作業(yè)塔吊并結(jié)合操作平臺(tái)(主體用網(wǎng)架結(jié)構(gòu))是最優(yōu)實(shí)施方案，能夠在有限的工期內(nèi)較為經(jīng)濟(jì)合理地完成項(xiàng)目施工。設(shè)計(jì)合理的鋼網(wǎng)架支撐平臺(tái)成為關(guān)鍵一環(huán)，必須結(jié)合項(xiàng)目土建施工圖紙和考察復(fù)核現(xiàn)場(chǎng)尺寸，確保網(wǎng)架平臺(tái)順利安裝，避免返工。

為了最大限度地減少對(duì)土建樓面的影響，鋼網(wǎng)架平臺(tái)設(shè)置5組跨中豎向格構(gòu)柱，格構(gòu)柱位置盡量選在三層結(jié)構(gòu)面梁梁交匯點(diǎn)。網(wǎng)架格構(gòu)柱支座采用H型鋼調(diào)平，型鋼梁放置在樓面結(jié)構(gòu)混凝土梁正上方或跨越兩根梁，最大限度減少對(duì)樓面板的影響。鋼網(wǎng)架平臺(tái)采用三層樓面支撐結(jié)合屋面圈梁支撐的方式，有利于控制網(wǎng)架平臺(tái)的撓度變形和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，減小集中反力，有利于減小對(duì)混凝土主體結(jié)構(gòu)的不利影響。網(wǎng)架平臺(tái)上設(shè)置矩形管主次檁，滿鋪樓承鋼板供施工人員操作使用和方便管理人員巡檢，施工平臺(tái)能確保安全可靠。

1.2 設(shè)計(jì)計(jì)算

選用上海同磊土木工程技術(shù)有限公司3D3S 2020空間結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件，建立空間網(wǎng)架平臺(tái)整體分析模型[9]，起步桿件D60×3.5，桿件材質(zhì)選用常規(guī)的Q235B；起步高強(qiáng)度螺栓采用M20；起步螺栓球BS100；計(jì)算應(yīng)力比控制為0.9，桿件長(zhǎng)細(xì)比控制拉壓桿均為180。網(wǎng)架平臺(tái)模型投影面積約為1 450 m2，網(wǎng)架鉸支座為簡(jiǎn)易十字形平板壓力支座(共60只)，支座水平剛度取為0.3 kN/mm，近似模擬支座底板與混凝土的摩擦剛度，豎向剛度取100 kN/mm(型鋼混凝土梁變形雖然很小，但剛度不是無(wú)窮大)。

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)自身最為重要的參數(shù)是網(wǎng)格三向尺寸，通常都是正放四角錐，也有部分項(xiàng)目采用斜放四角錐，兩者都可以抽空設(shè)計(jì)，超靜定結(jié)構(gòu)網(wǎng)架抽空設(shè)計(jì)在某些項(xiàng)目上有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

本項(xiàng)目平板網(wǎng)架采用變厚度設(shè)計(jì)，四周邊界處稍薄，逐漸加大厚度，中間厚(格構(gòu)柱圍合面積范圍)。從空間角度看網(wǎng)架，下弦桿(螺栓球節(jié)點(diǎn))組合形成了氣囊式造型。變厚度也就是變剛度，這種做法既考慮避免上弦支座處腹桿與支座處型鋼混凝土梁的交涉，也是為了進(jìn)一步節(jié)省材料，根據(jù)力學(xué)規(guī)律布置受力構(gòu)件，結(jié)構(gòu)布局合理高效。

考慮一定的施工堆載和不確定因素，恒荷載取值1.0 kN/m2，活荷載[10]取值2.0 kN/m2，夏季施工，考慮10 ℃的溫差(相對(duì)于合攏時(shí)溫度的±5 ℃)，屋蓋桁架架設(shè)后受到風(fēng)荷載的影響，與平臺(tái)有聯(lián)系的部位考慮風(fēng)工況下的支反力作用，施工周期短不考慮灰荷載的影響。設(shè)計(jì)網(wǎng)架總用鋼量約40噸，網(wǎng)架投影面積用鋼量為27.5 kg/m2。計(jì)算模型軸側(cè)圖如圖2所示。

圖2 網(wǎng)架施工平臺(tái)計(jì)算模型

計(jì)算時(shí)嚴(yán)格按照施工方案模擬加載順序，多方面考慮屋蓋鋼結(jié)構(gòu)施工時(shí)的堆放荷載工況，為了最大限度控制施工平臺(tái)的撓度[11]，經(jīng)多次方案比選，最優(yōu)網(wǎng)格模型在上部結(jié)構(gòu)施工時(shí)豎向撓度僅為10 mm，撓跨比接近1/1 000，如圖3所示，有力地保證了鋼拉桿預(yù)應(yīng)力張拉施工[12]需要的客觀條件。施工平臺(tái)支座反力主要為豎向反力，水平反力每點(diǎn)均小于3 kN；經(jīng)設(shè)計(jì)院復(fù)核驗(yàn)算，主體結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定，也驗(yàn)證了鋼平臺(tái)設(shè)計(jì)方案在技術(shù)上可行。

圖3 網(wǎng)架施工平臺(tái)理論計(jì)算撓度值

1.3 注意事項(xiàng)

由于采光頂屋蓋固定鉸支座密集，鋼平臺(tái)網(wǎng)架支座宜設(shè)置在屋蓋支座之間且對(duì)稱布置，為了避免平臺(tái)與屋蓋下部的碰撞，使用網(wǎng)架上弦支座，同時(shí)要結(jié)合BIM技術(shù)建立三維實(shí)體1∶1比例TEKLA模型，檢查支座弦桿與型鋼混凝土梁的空間關(guān)系，避免平臺(tái)體系與土建結(jié)構(gòu)物的碰撞交涉。

格構(gòu)柱的設(shè)置需結(jié)合上方屋蓋桁架臨時(shí)支撐點(diǎn)位置，有利于分散較大的荷載。格構(gòu)柱內(nèi)側(cè)在豎向一定位置(此項(xiàng)目為第三個(gè)網(wǎng)格處)布置一道斜桿，使格構(gòu)柱輕微扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象得到進(jìn)一步改善，提高鋼平臺(tái)的整體穩(wěn)定性。

統(tǒng)一網(wǎng)架支座球徑為BS150，以便于支座板加工，改善支座節(jié)點(diǎn)剛度不均勻現(xiàn)象；次檁與主檁之間，主檁與網(wǎng)架支托之間，支托與網(wǎng)架之間，均采用螺栓連接，減少焊接動(dòng)火，以便于拆卸施工。

全過(guò)程宜采取網(wǎng)架主體結(jié)構(gòu)無(wú)線監(jiān)測(cè)，主要是變形數(shù)據(jù)觀察，考慮到鋼平臺(tái)上部荷載工況非常多，難以全面考慮，輔以應(yīng)力及變形監(jiān)測(cè)確保平臺(tái)運(yùn)行時(shí)始終處于安全可控狀態(tài)。

2 施工平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

2.1 鋼平臺(tái)的搭建

鋼平臺(tái)是項(xiàng)目預(yù)應(yīng)力施工的關(guān)鍵，搭建質(zhì)量尤為重要，項(xiàng)目部嚴(yán)格按照施工方案指揮，嚴(yán)格落實(shí)操作順序和流程，注重節(jié)點(diǎn)構(gòu)造細(xì)節(jié)，確保體系安全可靠。派駐設(shè)計(jì)人員全程跟蹤，從結(jié)構(gòu)理念上把牢安全準(zhǔn)繩，如圖4所示，鋼平臺(tái)順利搭建就位。施工階段對(duì)屋蓋及平臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[13,14]，測(cè)量數(shù)據(jù)顯示實(shí)際情況與理論值吻合度較高，驗(yàn)證了理論計(jì)算結(jié)果具有一定的可靠性。

圖4 采光頂施工平臺(tái)有序搭建

鋼網(wǎng)架從三層樓面開(kāi)始由下而上組立拼裝，只需要塔吊既能實(shí)現(xiàn)全平臺(tái)安裝(含檁條及平臺(tái)面板)，節(jié)省了大量吊車費(fèi)用，提高了既有施工設(shè)備的使用頻率，一舉兩得，實(shí)現(xiàn)企業(yè)降本增效。

2.2 采光頂竣工效果

桁架結(jié)構(gòu)撐桿及拉桿組裝完畢，預(yù)應(yīng)力分階段分層次張拉，施工經(jīng)驗(yàn)收合格后，按既定的拆除方案逆序拆除鋼網(wǎng)架平臺(tái)體系[15]。項(xiàng)目建設(shè)完成后采光頂觀感效果良好，如圖5所示，竣工驗(yàn)收時(shí)受到設(shè)計(jì)院及業(yè)主方的一致好評(píng)。項(xiàng)目得以安全高效的實(shí)施離不開(kāi)項(xiàng)目部前期多次現(xiàn)場(chǎng)勘查和協(xié)調(diào)組織，離不開(kāi)技術(shù)人員充分的施工模擬和準(zhǔn)確計(jì)算。

該項(xiàng)目采光頂設(shè)計(jì)參考巴黎盧浮宮結(jié)構(gòu)體系，雙向預(yù)應(yīng)力鋼拉桿采光頂是省內(nèi)乃至全國(guó)為數(shù)不多的工程案例，其設(shè)計(jì)難度和建造成本有異于一般項(xiàng)目，對(duì)設(shè)計(jì)(含施工方案設(shè)計(jì))和施工水平都有較高的要求。

圖5 采光頂結(jié)構(gòu)竣工效果圖

3 施工平臺(tái)優(yōu)化思路

3.1 設(shè)計(jì)優(yōu)化思路

該項(xiàng)目施工平臺(tái)在實(shí)施過(guò)程中發(fā)現(xiàn)一些問(wèn)題，設(shè)計(jì)存在優(yōu)化的可能[16,17]。平臺(tái)支座數(shù)目可以減少，在支反力允許的情況下減小支座數(shù)目，結(jié)構(gòu)變形不會(huì)有較大變化；格構(gòu)柱及平臺(tái)網(wǎng)架可以適當(dāng)增加豎向網(wǎng)格尺寸，有利于提高安拆速度；主次檁可以考慮側(cè)向搭接，有利于減小鋼平臺(tái)的凈空高度，增加屋頂與平臺(tái)間的操作空間，尤其是采光頂支座附近，傾角凈空需要增大，項(xiàng)目實(shí)施時(shí)明顯感覺(jué)空間不足，對(duì)預(yù)應(yīng)力張拉有一定的影響。

鋼平臺(tái)的樓承板宜使用一定厚度的木工板[18]，鋼樓承板在走動(dòng)時(shí)會(huì)有一定的變形，且由于板材長(zhǎng)度大、剛度小，對(duì)其高空吊裝安拆時(shí)，明顯迎風(fēng)抖動(dòng)，有一定的安全風(fēng)險(xiǎn)和隱患。

格構(gòu)柱可以采用角鋼格構(gòu)式代替網(wǎng)架，角鋼連接節(jié)點(diǎn)采用普通螺栓連接，易于拆除，不影響二次使用，減少網(wǎng)架鋼結(jié)構(gòu)耗材；格構(gòu)柱也可以用成品支撐架，只需要支付租賃費(fèi)，格構(gòu)柱甚至可以用場(chǎng)地內(nèi)塔吊標(biāo)準(zhǔn)節(jié)代替。

3.2 施工優(yōu)化思路

該項(xiàng)目施工平臺(tái)在安拆的過(guò)程中存在一些問(wèn)題，施工順序存在優(yōu)化的空間[19,20]。由于土建設(shè)計(jì)和施工時(shí)沒(méi)有考慮鋼結(jié)構(gòu)的施工方案(實(shí)際上前期施工安裝方案也并未形成)，基本沒(méi)有提前埋設(shè)預(yù)埋件，給鋼結(jié)構(gòu)的施工造成一定的影響；安裝時(shí)鋼平臺(tái)網(wǎng)架宜分大塊在地面組裝，考慮利用建筑外圍站立吊車分塊吊裝，或者分小塊在塔吊能力范圍內(nèi)分塊吊裝，分塊吊裝比組炮(僅1個(gè)螺栓球及其連接桿件)吊裝能更好地節(jié)約時(shí)間成本；拆卸時(shí)發(fā)現(xiàn)屋蓋采光頂桁架梁對(duì)拆卸工作有一定的影響，經(jīng)過(guò)采光頂釋放塔吊繩索需要非常小心，類似采光頂施工平臺(tái)的拆除工作需要更多的研究和思考，尋求更佳的路徑，比如采取措施在鋼平臺(tái)中部設(shè)置小型拔桿(中部?jī)艨崭叨瘸^(guò)5 m)，分步拆除周邊構(gòu)件。

4 結(jié)束語(yǔ)

雙向預(yù)應(yīng)力鋼拉桿結(jié)構(gòu)體系與單向預(yù)應(yīng)力拉索結(jié)構(gòu)體系在施工難度上有一定的差別，前者難度更大，因?yàn)殇摾瓧U是非連續(xù)的，雙向張拉控制需要精密的配合，意味著需要有滿足條件的施工平臺(tái)。

鋼網(wǎng)架平臺(tái)便于加工制作，用鋼量省，且其有超靜定的結(jié)構(gòu)特性，在變形撓度上有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)，選擇網(wǎng)架作為施工平臺(tái)的主體結(jié)構(gòu)，便于拆卸，拆卸后桿件可二次加工使用，損耗較低，性價(jià)比高。

施工平臺(tái)是該預(yù)應(yīng)力拉桿管桁架采光頂項(xiàng)目成功的關(guān)鍵，其設(shè)計(jì)計(jì)算要充分考慮荷載工況和組合，選擇公認(rèn)且優(yōu)秀的空間結(jié)構(gòu)計(jì)算程序，結(jié)構(gòu)選型既要滿足應(yīng)力限值也要控制位移撓度。該網(wǎng)架支撐平臺(tái)的設(shè)計(jì)思路和優(yōu)化建議值得推廣使用。