螺旋吊拉鋼結(jié)構(gòu)景觀坡道施工技術(shù)

孫玉濤 胥獻(xiàn)忠

1 工程概況

某體育場館綠化屋面結(jié)構(gòu)形式為“格構(gòu)柱+空間桁架”，最大跨度為72 m，最大懸挑長度16.4 m，由10 組異形格構(gòu)柱、屋面鋼桁架、張弦梁、螺旋吊拉鋼結(jié)構(gòu)景觀坡道及其頂部造型和預(yù)應(yīng)力吊索等組成，屋面板為鋼筋桁架組合樓板。螺旋吊拉鋼結(jié)構(gòu)景觀坡道為倒三角桁架通過預(yù)應(yīng)力吊索懸掛于屋面桁架結(jié)構(gòu)上，高度33.75 m，中間無立柱，整體造型新穎獨(dú)特(圖1)，但結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，施工難度極大。

圖1 螺旋吊拉鋼結(jié)構(gòu)深化模型（來源：作者自繪）

2 工程特點(diǎn)與施工重難點(diǎn)

2.1 工程特點(diǎn)與結(jié)構(gòu)體系

根據(jù)結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)以及建筑造型和功能要求[1]，螺旋鋼結(jié)構(gòu)的吊拉鋼結(jié)構(gòu)景觀坡道分為4 個(gè)部分：第1，螺旋形鋼結(jié)構(gòu)，采用倒三角桁架結(jié)構(gòu)；第2，預(yù)應(yīng)力吊索，采用一端可調(diào)的1670級(jí)高釩索；第3，調(diào)諧質(zhì)量阻尼器，防止產(chǎn)生共振；第4，鋼筋桁架樓承板及混凝土。

2.2 重難點(diǎn)分析

2.2.1 深化設(shè)計(jì)

鋼結(jié)構(gòu)、索結(jié)構(gòu)、減振設(shè)置等均需進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，種類繁雜；鋼結(jié)構(gòu)模型需與索結(jié)構(gòu)和外創(chuàng)表皮模型進(jìn)行合模，精度要求高。

2.2.2 雙曲環(huán)梁加工

坡道主體為螺旋鋼桁架，兩側(cè)鋼梁為雙曲構(gòu)件；空間彎扭構(gòu)件的制作難點(diǎn)是零件成型質(zhì)量和效率，空間定位精度控制。

2.2.3 索結(jié)構(gòu)施工模擬分析

螺旋坡道作為鋼結(jié)構(gòu)和索結(jié)構(gòu)的組合結(jié)構(gòu)體系，索結(jié)構(gòu)的張拉順序、張拉力值控制及張拉過程中的安全性分析是重點(diǎn)。

2.2.4 減振設(shè)置

螺旋坡道因其輕盈的結(jié)構(gòu)形式，其自振頻率較低，阻尼小，很容易在行人等外界荷載激勵(lì)作用下產(chǎn)生人橋共振或抖振的現(xiàn)象，減振研究及設(shè)置十分重要[2]。

2.2.5 支撐胎架

螺旋坡道由下向上盤旋三圈半，結(jié)構(gòu)豎向空間存在重疊，且結(jié)構(gòu)下方存在隧道結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)頂板及二層板面，胎架支撐面高低不一，胎架設(shè)計(jì)及安裝困難。

2.2.6 樓承板封閉

螺旋坡道板面兩側(cè)為雙曲鋼梁，在進(jìn)行鋼筋桁架樓承板鋪設(shè)時(shí)，雙曲圓弧邊緣封閉和變形控制措施是施工的難點(diǎn)。

2.2.7 混凝土澆筑

螺旋坡道呈橢圓形由下向上盤旋三圈半，大坡度混凝土澆筑質(zhì)量控制是難點(diǎn)。

2.2.8 預(yù)應(yīng)力吊索施工難度大

本工程結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜，由螺旋鋼桁架與預(yù)應(yīng)力吊索組成的新型組合體系。結(jié)構(gòu)的位形受拉索索力的影響巨大，“形”與“力”是逐一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，因此需要對(duì)結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力施工過程做全過程分析模擬，以確定合理的拉索張拉方案[3-5]。

3 螺旋吊拉鋼結(jié)構(gòu)施工過程分析

3.1 預(yù)應(yīng)力吊索安裝分析

采用有限元分析軟件，根據(jù)設(shè)計(jì)文件及施工工藝對(duì)螺旋吊拉鋼結(jié)構(gòu)景觀坡道索結(jié)構(gòu)施工過程進(jìn)行力學(xué)分析，提取結(jié)構(gòu)響應(yīng)，驗(yàn)證過程中的結(jié)構(gòu)安全性，并提供索張拉施工及監(jiān)測參數(shù)。

螺旋坡道主結(jié)構(gòu)的施工工況1 ～工況13 的具體劃分為：

1）架設(shè)胎架，安裝鋼結(jié)構(gòu)；2）自上而下，依次進(jìn)行螺旋坡道第1 根拉索的張拉；3）進(jìn)行螺旋坡道第2 根拉索的張拉；4）進(jìn)行螺旋坡道第3 根拉索的張拉；5）進(jìn)行螺旋坡道第4 根拉索的張拉；6）進(jìn)行螺旋坡道第5 根拉索的張拉；7）進(jìn)行螺旋坡道第6 根拉索的張拉；8）進(jìn)行螺旋坡道第7 根拉索的張拉；9）進(jìn)行螺旋坡道第8 根拉索的張拉；10）進(jìn)行螺旋坡道第9根拉索的張拉；11）進(jìn)行螺旋坡道第10 根拉索的張拉；12）進(jìn)行螺旋坡道第11 根拉索的張拉；13）胎架卸載，結(jié)構(gòu)成型；吊索布置圖如圖2 所示。

圖2 吊索布置圖（來源：作者自繪）

通過有限元軟件模擬，得到拉索的索端施工張拉力值（見表1 中的理論索力）及張拉過程結(jié)構(gòu)響應(yīng)值。施工過程中結(jié)構(gòu)最大上撓23.8 mm，施工過程中結(jié)構(gòu)最大下?lián)?7.0 mm，施工過程中的最大索力為304.7 kN。胎架卸載，結(jié)構(gòu)成型后；施工過程中鋼構(gòu)的最大組合應(yīng)力為-148 MPa，處于彈性應(yīng)力狀態(tài)，結(jié)構(gòu)安全。

表1 油壓表讀數(shù)對(duì)應(yīng)表

3.2 減振分析

螺旋吊拉鋼結(jié)構(gòu)景觀坡道造型新穎且自重小，該結(jié)構(gòu)類型自振頻率低、阻尼小，極有可能落入激勵(lì)荷載頻率范圍內(nèi)而引起共振，引起使用者的恐慌[6]。為降低結(jié)構(gòu)在人行荷載激勵(lì)下的振動(dòng)，提高行走的舒適度和安全性，采用有限元軟件進(jìn)行仿真模擬，確定調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（Tuned Mass Damper，TMD）的配置點(diǎn)位(圖3)、數(shù)量及產(chǎn)品參數(shù)。

圖3 TMD 布置圖（來源：作者自繪）

4 施工方案

4.1 螺旋鋼結(jié)構(gòu)施工方案

螺旋鋼桁架安裝遵循“地面拼裝，高空吊裝，散件補(bǔ)檔”的思路。根據(jù)螺旋吊拉鋼結(jié)構(gòu)景觀坡道鋼結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，確定螺旋坡道安裝時(shí)胎架布置位置、胎架高度、頂部工裝及胎架數(shù)量等，為現(xiàn)場安裝提供依據(jù)。特別的，根據(jù)螺旋形鋼桁架盤旋上升結(jié)構(gòu)形式，結(jié)合現(xiàn)場施工條件及吊裝分段位置，設(shè)計(jì)了一種新型雙層門字形胎架結(jié)構(gòu)形式（圖4），有效解決了有限空間異形結(jié)構(gòu)支撐體系布置難的問題，節(jié)約了措施費(fèi)用。螺旋鋼結(jié)構(gòu)共分為23 個(gè)吊裝單元，在地面采用專用拼裝胎架拼裝完成后，用塔吊吊裝，全過程采用高精度全站儀進(jìn)行監(jiān)測，保證安裝精度。

圖4 支撐胎架（來源：作者自繪）

4.2 預(yù)應(yīng)力吊索施工方案

螺旋鋼結(jié)構(gòu)安裝完成后，進(jìn)行預(yù)應(yīng)力吊索安裝，遵循“塔吊及卷揚(yáng)機(jī)配合，自上而下逐根張拉”的思路。吊索最大施工張拉力為234.7 kN，鑒于此，選用YCW15B 型穿心式千斤頂進(jìn)行張拉，2 臺(tái)千斤頂并聯(lián)在一個(gè)張拉點(diǎn)能達(dá)到480 kN 的張拉能力。

根據(jù)螺旋坡道拉索施工索力表中的索力，結(jié)合千斤頂?shù)男ｒ?yàn)數(shù)據(jù)，將索力值換算為油壓表的讀數(shù)，作為現(xiàn)場實(shí)際施工控制參數(shù)（表1）。

吊索采用分級(jí)張拉，并記錄張拉過程數(shù)據(jù)。考慮到施工損失等原因，最后一級(jí)張拉采用超張拉施工，張拉力提高5%。

4.3 臨時(shí)支撐胎架卸載

三維空間螺旋形鋼桁架與預(yù)應(yīng)力吊索的組合結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，通過對(duì)吊索在工況12 下的施工模擬，分析各胎架位置結(jié)構(gòu)位移變化及鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化，胎架位置處結(jié)構(gòu)豎向位置變化值為-14.6 ～16.8 mm，鋼構(gòu)的最大組合應(yīng)力為-145.5 MPa，處于彈性應(yīng)力狀態(tài)，結(jié)構(gòu)安全。

根據(jù)張拉完成后的豎向位移圖，對(duì)吊索張拉完成后未能卸載的胎架，需進(jìn)行二次主動(dòng)卸載。其余胎架的豎向位移均為正值，無需二次主動(dòng)卸載。根據(jù)施工模擬，確定胎架卸載時(shí)間為吊索安裝完成后，正式張拉前。張拉前割除所有胎架支點(diǎn)，使螺旋坡道處于一個(gè)擱置在胎架上的狀態(tài)。支撐胎架根據(jù)吊索張拉順序依次卸載。

4.4 鋼筋桁架樓承板施工方案

樓承板施工工藝流程如下：

施工準(zhǔn)備—內(nèi)外側(cè)支撐及底模安裝—樓承板安裝—栓釘焊接—附加鋼筋敷設(shè)—縫隙處打膠—隱蔽驗(yàn)收—混凝土澆筑螺旋坡道樓承板鋪設(shè)方向：平行于螺旋坡道。為提高切割質(zhì)量，保證樓承板安裝質(zhì)量，采用等離子切割機(jī)對(duì)底模及樓承板進(jìn)行切割?；炷敛捎脙?yōu)化配合比后的自密實(shí)商品混凝土。針對(duì)坡道板厚較小，鋼筋較密的特點(diǎn)，粗骨料采用10 ～20 mm碎卵石，砂采用中砂，砂子的含泥量不得超過5%，石子的含泥量不得大于3%，坍落度控制在120 ～140 mm。

根據(jù)螺旋坡道結(jié)構(gòu)曲率及坡度，螺旋坡道混凝土澆筑采用“從下向上、分段跳澆”方式，將坡道部分為21 個(gè)澆筑段，間隔澆筑混凝土—先澆筑第1，3，5，7，9，11，13，15，17，19，21 段混凝土，間隔7 天后，再澆筑 第2，4，6，8，10，12，14，16，18，20 段混凝土，相鄰段混凝土按施工縫處理。

4.5 調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（TMD）調(diào)試

調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（TMD）在樓承板鋪設(shè)完成，混凝土澆筑完畢且達(dá)到一定強(qiáng)度后再進(jìn)行調(diào)試，TMD 調(diào)試步驟：第1，結(jié)構(gòu)自振頻率測試。用脈動(dòng)法測試結(jié)構(gòu)基本自振頻率，以此作為TMD 調(diào)試的基準(zhǔn)頻率。測試時(shí)禁止周圍人員走動(dòng)和施工作業(yè)。第2，無控情況下結(jié)構(gòu)響應(yīng)測試。在無控狀態(tài)，測試結(jié)構(gòu)在16 人行走、16 人慢跑、8 人快跑工況下結(jié)構(gòu)的豎向加速度。行走和跑動(dòng)時(shí)均分為2 隊(duì)。行人的慢走頻率為豎向，約2 Hz；快走頻率約為2.4 Hz；慢跑動(dòng)頻率為豎向，約2.7 Hz?？炫茴l率為豎向，在約3.1 Hz 的激勵(lì)下結(jié)構(gòu)響應(yīng)，并通過人員的主觀感覺及振動(dòng)加速度數(shù)值來評(píng)價(jià)舒適度。第3，有控情況下結(jié)構(gòu)響應(yīng)測試。在有控狀態(tài)，測試結(jié)構(gòu)在16 人行走、16 人慢跑、8 人快跑工況下結(jié)構(gòu)的豎向加速度。行走和跑動(dòng)時(shí)均分為2 隊(duì)。行人的慢走頻率為豎向2 Hz，快走頻率約2.4 Hz，慢跑動(dòng)頻率為豎向2.7 Hz，快跑頻率為豎向3.1 Hz 的激勵(lì)下結(jié)構(gòu)響應(yīng)，并通過人員的主觀感覺及振動(dòng)加速度數(shù)值來評(píng)價(jià)舒適度。第4，TMD 控制效果評(píng)價(jià)。首先確定結(jié)構(gòu)的自振情況，然后對(duì)比有控與無控狀態(tài)，在單人和多人激勵(lì)下的振動(dòng)情況的測試結(jié)果，并與規(guī)范限值（≤0.5 m/s2）進(jìn)行對(duì)比。若加速度峰值在舒適度要求的限值之內(nèi)，則說明TMD 的安裝是有效果的。

調(diào)諧質(zhì)量阻尼器調(diào)試結(jié)果顯示，坡道振動(dòng)越厲害，TMD 效果越明顯。無論步行還是跑動(dòng)，TMD 都起到了較好的減振效果。TMD 步行效果優(yōu)于跑動(dòng)效果，原因?yàn)椴叫蓄l率與受控頻率更接近。根據(jù)《建筑樓蓋振動(dòng)舒適度技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ/T 441—2019）[7]的要求，在測試工況下坡道的加速度反應(yīng)均滿足加速度≤0.5 m/s2的要求。

5 結(jié)語

通過對(duì)預(yù)應(yīng)力吊索施工全過程進(jìn)行模擬分析，確定了吊索的施工方案，得到了張拉過程中各工況下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)及吊索施工張拉值，為現(xiàn)場施工提供了依據(jù)，保證了施工過程安全。

通過仿真模擬分析，為螺旋吊拉鋼結(jié)構(gòu)景觀坡道配置了調(diào)諧質(zhì)量阻尼器，降低了坡道在人行荷載激勵(lì)下的頻率，提高了坡道行走時(shí)的舒適性和安全性。螺旋吊拉鋼結(jié)構(gòu)景觀坡道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝精度要求高，通過對(duì)鋼結(jié)構(gòu)、索結(jié)構(gòu)、減振裝置、鋼筋桁架樓承板、支撐胎架等各部分進(jìn)行深化設(shè)計(jì)、施工模擬分析，過程中嚴(yán)控構(gòu)件加工精度、現(xiàn)場拼裝質(zhì)量，加強(qiáng)過程監(jiān)測，科學(xué)合理安排施工工序，有效保證了各工序穿插施工，形成了螺旋鋼桁架與預(yù)應(yīng)力吊索組合結(jié)構(gòu)體系的成套施工技術(shù)，為以后類似結(jié)構(gòu)體系施工提供了參考。