大跨度交叉式張弦梁屋蓋施工技術

張富森

（廣東省第四建筑工程有限公司 廣州 510100）

0 前言

張弦梁結構是一種新型預應力鋼結構，是在傳統(tǒng)鋼結構基礎上引入柔性的索，張弦梁結構的整體剛度貢獻來自抗彎構件截面與拉索構成的幾何形體兩個方面，張弦梁結構具有承載能力高、結構變形小、結構體系自平衡和結構穩(wěn)定性強等特點。近些年，張弦梁結構由平面張弦梁結構向空間張弦梁結構發(fā)展，珠海某體育館采用了大跨度交叉張弦梁結構，這種張弦梁結構打破了單榀張弦梁單獨受力、橫向承載力弱的缺點，每兩榀張弦梁桁架頂部矩形梁連接為X 型，使整個屋蓋結構連為整體在縱橫方向上形成了好的空間受力體系，具有良好自平衡能力。大跨度張弦梁結構復雜，在施工過程包括鋼結構梁吊裝、預應力張拉、屋面混凝土澆筑、屋面防水保溫層等多個施工工序，不同工況下，張弦梁結構變心、內力等隨之發(fā)生變化，這給張弦梁施工控制帶來了困難。目前，國內對張弦梁結構也開展了相應的研究，陳松等人［1-3］采用有限元分析對張弦梁結構整體穩(wěn)定性進行了研究，推導了初始預應力計算公式及結構構件對張弦梁結構整體穩(wěn)定性的影響。王慶鑫等人［4-10］對張弦梁結構施工關鍵技術進行研究，通過有限元分析，優(yōu)化了張弦梁吊裝及分級施加預應力以控制張弦梁變形。本文以珠海某體育館大跨度交叉式張弦梁屋蓋為背景，通過BIM技術和有限元分析，開展了大跨度交叉式張弦梁屋蓋的施工控制技術研究。

1 工程概況

珠海某體育館屋蓋采用交叉張弦梁+鋼筋混凝土樓承板的結構形式，屋蓋縱向跨度71 m，橫向跨度49 m。屋蓋鋼梁由14榀大跨度交叉張弦梁組成，張弦梁上弦桿采用箱型截面鋼梁，下弦桿為預應力鋼拉索，拉索的張拉以張拉力控制為主、伸長值控制為輔的雙控方式。體育館東西兩側的外墻圍護采用玻璃幕墻，幕墻主龍骨掛設于屋蓋邊跨張弦梁上弦鋼梁上，如圖1所示。

圖1 交叉式張弦梁屋蓋Fig.1 Cross Beam String House

2 工程特點和難點分析

⑴張弦梁上弦桿采用箱型鋼梁，跨度達71 m，鋼梁節(jié)點多為X型及V型，節(jié)點復雜，下弦桿采用直徑為φ116高釩索，跨度66 m，預應力索高空安裝難度大。

⑵張弦梁單榀自重達30 t，拼裝完成后，自重下張弦梁會產生向下彎曲變形，下弦預應力拉索張拉后，將引起上弦桿起拱，隨著屋蓋鋼筋混凝土樓承板、防水保溫層及下掛玻璃幕墻安裝等工序施工，張弦梁所受荷載不斷增大，整個屋蓋張弦梁體系將會產生較大變形，如何監(jiān)測及控制不同工況時張弦梁的變形是施工的難點。

3 總體思路

⑴采用BIM技術對張弦梁屋蓋進行深化設計。

⑵箱型鋼梁在工廠分段加工，現場搭設格構式鋼胎架，采用汽車吊分段吊裝，在高空拼裝，采用卷揚機將預應力索牽引至高空進行安裝。

⑶利用三維仿真技術動態(tài)模擬每榀交叉張弦梁張拉時整個屋蓋的受力和變形，采用多次分級對稱的順序進行循環(huán)張拉。

⑷利用三維仿真技術動態(tài)模擬分析在澆筑混凝土、防水等保溫、玻璃幕墻等工序施工時整個屋蓋的受力及變形，模擬分析交叉張弦梁屋蓋體系受力變化與變形間的關系，確定屋蓋的加載順序、加載時機和加載量。

⑸對交叉張弦梁變形進行監(jiān)控，據此反算拉索、箱型梁及撐桿的內力，并和仿真結果進行對比，證明施工控制措施的有效性。

4 施工關鍵技術

4.1 利用BIM技術建立三維模型

采用Revit 和Tekla Structures 軟件對張弦梁屋蓋進行深化設計和建模，通過Navisworks 軟件實現模型數據對接及三維效果演示，如圖2所示。

4.2 箱型鋼梁吊裝

鋼梁吊裝采用2臺130 t汽車吊，利用胎架在高空進行拼裝，每榀鋼梁分五段進行吊裝，如圖3所示。胎架主要設置在鋼梁節(jié)點位置，現場共設置20個格構式鋼胎架，胎架之間采用橫梁拉結。

圖3 箱梁分段拼裝三維圖Fig.3 Three Dimensional Diagram of Box Girder Segmented Assembly

根據圖紙設計要求，鋼梁安裝預起拱L/1 000 mm，在綜合考慮鋼梁在制作、安裝、張拉索施工過程中產生的自重變形后，起拱高度增加了L/2 000 mm，鋼梁安裝實際起拱高度h=106.5 mm。

4.3 下弦預應力拉索及撐桿安裝

預應力拉索規(guī)格為φ116 高釩索，拉索均為叉耳結構，一端為固定端，另一端為張拉端。拉索安裝前先采用邁達斯仿真模擬技術確定未張拉狀態(tài)下?lián)螚U與拉索切線的角度，撐桿全部安裝完成后應先安裝錨索帶錨具端部的一端，然后采用卷揚機將拉索牽引至高空進行安裝。

4.4 用三維仿真技術模擬張弦梁受力變形

本工程屋蓋結構有14榀張弦梁，在平面上按從左到右的順序依次為各榀張弦梁編號：ZXL1、ZXL2、ZXL3、……ZXL14，如圖4所示。

圖4 張弦梁編號Fig.4 Numbering of String Beam

根據張弦梁施工時不同階段分工況進行受力仿真模擬計算，主要工況如下：①張弦梁自重狀態(tài)下內力及變形；②拉索全部預緊后，內力及變形；③拉索張拉完成后，內力及變形；④屋面混凝土澆筑完成后，內力及變形。

通過三維仿真技術模擬，通過受力分析，確定各種工況下張弦梁應力和變形控制值及張拉順序。本工程張弦梁分三級張拉，每一級分四步對稱張拉，第一級張拉至設計張拉力的30%，從兩邊向中間對稱張拉；第二級張拉至設計張拉力的70%，從中間向兩邊對稱張拉；第三級張拉至設計張拉力的105%，從兩邊向中間對稱張拉；拉索張拉分級分組如表1所示。

表1 拉索張拉分級分組Tab.1 Classification and Grouping for Cable Tensioning

4.5 下弦預應力拉索張拉

張弦梁張拉前，在張弦梁的箱梁跨中X 節(jié)點安裝永久沉降觀測點，并記錄初始沉降觀測數據，正式張拉前先逐根對拉索進行預緊，拉力為40 kN，對所有的索夾進行緊固。

為保證鋼索在張拉過程中腹桿的側向穩(wěn)定性，確保在張拉完成后每榀桁架的腹桿與下弦鋼索呈一條直線，張拉過程中在腹桿之間設置臨時支撐桿件，桿件截面為φ89×3.5圓管，如圖5所示。

圖5 臨時撐桿安裝示意圖Fig.5 Schematic Diagram of Temporary Support Rod Installation

在張弦梁施工過程中記錄支座端及沉降觀測點數據、平面位移數據，并與三維仿真模擬數據進行對比分析，調整索力。預應力張拉完成后，監(jiān)測張弦梁上弦桿及撐桿位移和下弦拉索索力，并和設計值進行對比，本工程索力誤差控制在5%以內，箱形交叉張弦梁拱度誤差在2%以內。

4.6 屋蓋樓承板施工

⑴壓型鋼板鋪設及屋蓋鋼筋安裝

箱型截面交叉張弦梁施工完成后，開始鋪設樓面壓型鋼板，壓型鋼板面應緊貼梁、柱面，鋪設后及時點焊牢固。

⑵本工程屋蓋長度71 m，寬度49 m，屋面張弦梁隨著混凝土澆筑、防水層施工、屋蓋下掛的幕墻等荷載不斷增加，張弦梁將會有較大沉降，支座水平位移也會增大。屋蓋不均勻變形有可能造成屋蓋整體拉裂，有必要通過三維仿真技術，模擬各種荷載增加時屋蓋變形及受力情況，優(yōu)化屋蓋施工順序。

⑶按照屋蓋施工時不同工況，通過三維仿真模擬計算，優(yōu)化了屋蓋的加載順序，主要施工順序為：屋蓋樓承板鋼筋混凝土結構施工→女兒墻施工→防水、保溫層及其保護層施工→屋面人工草坪施工→東西向幕墻吊裝→屋蓋后澆帶施工。

⑷為了避免整體屋蓋因為澆筑混凝土時施加荷載而引起張弦梁有較大沉降，降低因為豎向荷載增加而增大支座水平位移，屋蓋混凝土沿長跨方向設兩條后澆帶，混凝土分3次澆筑，先澆筑長跨兩端區(qū)域的混凝土，再澆筑跨中區(qū)域，后澆帶在屋面所有工序施工完成，側面下掛的幕墻施工完成后進行封閉，屋面混凝土澆筑順序如圖6所示。

圖6 屋面混凝土澆筑順序Fig.6 Roof Concrete Pouring Sequence

⑸屋面變形情況

施工過程中，對屋面張弦梁跨中豎向位移和支座水平位移進行監(jiān)測，將監(jiān)測數據與仿真模擬計算結果對比分析，實測豎向位移比理論值小10 mm，實測水平位移比理論值小1 mm，混凝土澆筑階段張弦梁豎向位移和支座水平位移變化非常均勻，考慮到支座摩擦、節(jié)點剛度和鋼結構焊接等影響，使結構剛度略有增大，變形實測值與理論值基本相符。

5 結語

以珠海某體育館大跨度交叉式張弦梁屋蓋為背景，采用Revit和Tekla Structures 軟件對張弦梁屋蓋進行深化設計和建模，并采用邁達斯仿真軟件進行有限元分析，對大跨度交叉式張弦梁屋蓋施工技術進行研究，主要成果包括如下：

⑴采用邁達斯軟件分工況進行三維仿真模擬分析，動態(tài)模擬交叉式張弦梁各施工階段的變形，優(yōu)化預應力張拉順序，解決了荷載疊加引起的一系列影響施工質量及生產安全的問題，張弦梁屋蓋變形監(jiān)測數據與有限元模擬分析結果相吻合。

⑵優(yōu)化了屋蓋混凝土澆筑順序，混凝土澆筑階段張弦梁豎向位移和支座水平位移均勻且滿足設計規(guī)范要求。

⑶根據張弦梁實測數據可以判斷結構變形處于可控狀態(tài)，監(jiān)測數據也反應了基于邁達斯軟件的有限元分析可以實現對大跨度交叉式張弦梁屋蓋施工過程的模擬，同時交叉式張弦梁計算模型施加的初始數據和現場實際施工比較吻合。