姚傳勤，馬海彬，白　蓉，蔣韶鑫

(1.安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽　淮南　232001；2.中國(guó)建筑第四工程局有限公司，廣東　廣州　510665)

大跨預(yù)應(yīng)力雙層懸索屋蓋同步提升技術(shù)研究與模態(tài)分析

姚傳勤1，馬海彬1，白蓉2，蔣韶鑫2

(1.安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽淮南232001；2.中國(guó)建筑第四工程局有限公司，廣東廣州510665)

以佛山(國(guó)際)家居博覽城項(xiàng)目為依托，通過(guò)對(duì)大跨預(yù)應(yīng)力雙層懸索屋蓋同步提升關(guān)鍵施工技術(shù)進(jìn)行研究和狀態(tài)模擬分析。采用大跨預(yù)應(yīng)力雙層懸索屋蓋同步提升技術(shù)，在屋面上安裝外環(huán)鋼結(jié)構(gòu)和地面上拼裝飛柱，可以有效保證安裝焊接質(zhì)量，后通過(guò)張拉預(yù)應(yīng)力鋼索實(shí)現(xiàn)飛柱的提升，有利于保證屋蓋的整體性?？偨Y(jié)形成了超大跨度預(yù)應(yīng)力雙層懸索屋蓋同步提升的施工工法，可有效提高施工過(guò)程安全保障，加快施工進(jìn)度，降低成本。該研究成果可為類(lèi)似大跨預(yù)應(yīng)力工程的施工提供依據(jù)，具有良好的實(shí)踐意義和廣泛的推廣應(yīng)用價(jià)值。

預(yù)應(yīng)力；雙層懸索屋蓋；同步提升；模態(tài)分析

隨著社會(huì)的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，大型公共設(shè)施作為城市的標(biāo)志性建筑越來(lái)越受重視，而其新穎別致的立面造型、平面組合與使用功能匹配的矛盾也隨之凸顯出來(lái)，超大跨度懸索結(jié)構(gòu)屋蓋應(yīng)運(yùn)而生。該結(jié)構(gòu)形式是在環(huán)形結(jié)構(gòu)的圓心處設(shè)置受拉內(nèi)環(huán)，雙層索一端支撐在中心內(nèi)環(huán)上，另一端支撐在在周邊受壓外環(huán)上，承重索和穩(wěn)定索均沿輻射方向布置，并懸掛在相應(yīng)的支撐結(jié)構(gòu)上，下斜索為承重索，上斜索為穩(wěn)定索的一種新型組合結(jié)構(gòu)形式[1]。若使用傳統(tǒng)的屋面工程安裝方法則需要搭設(shè)大量腳手架及支撐，且需大型起重設(shè)備配合吊裝，施工難度較大，安全隱患突出。如何解決這些施工難題是廣泛推行這一新型結(jié)構(gòu)形式的關(guān)鍵。

1　工程概況

某家居博覽城工程占地201 334m2，建筑面積74萬(wàn)m2，高59.6m。工程為框架剪力墻結(jié)構(gòu)，地下室一層，主體九層，其中地下室為整體結(jié)構(gòu)，主體分為ABCD四棟塔樓，各塔樓間的連接組成“十字型”連廊，連廊中心的“鉆石型”天幕巨傘單體面積6 500m2，離地高度56m，是目前世界上最大、提升高度最高的單體天幕傘。該工程項(xiàng)目雙層懸索屋蓋使用最新的千斤頂液壓控制同步提升技術(shù)施工，完成整個(gè)屋面同步提升工作，施工過(guò)程中未發(fā)生質(zhì)量和安全事故，施工效果突出。

2　關(guān)鍵施工技術(shù)研究及狀態(tài)模擬

雙層懸索屋蓋同步提升施工技術(shù)工藝原理為在外環(huán)鋼結(jié)構(gòu)和飛柱地面拼裝完畢后，將預(yù)應(yīng)力鋼索一端安裝在飛柱上，另一端通過(guò)鋼絞線牽引至外環(huán)固定的提升千斤頂上作為提升索。通過(guò)同步控制系統(tǒng)(計(jì)算機(jī)控制油泵和千斤頂張拉預(yù)應(yīng)力鋼索組合控制系統(tǒng))，把飛柱提升至設(shè)計(jì)要求標(biāo)高。

2.1關(guān)鍵施工技術(shù)研究及狀態(tài)模擬

2.1.1鋼結(jié)構(gòu)體系的現(xiàn)場(chǎng)拼裝技術(shù)要求

鋼結(jié)構(gòu)體系現(xiàn)場(chǎng)拼裝要求場(chǎng)地平整，拼裝平臺(tái)必須用水準(zhǔn)儀抄平，組裝焊接胎具用槽鋼焊接，以保證屋架整榀拼裝成型后牢固、不變形[2]。由于索體基本上長(zhǎng)度固定，只有微小的調(diào)節(jié)量，要事先考慮預(yù)應(yīng)力張拉過(guò)程中拉索自身伸長(zhǎng)值，為了保證整個(gè)結(jié)構(gòu)的安裝精度，必須控制好四周鋼環(huán)梁的安裝精度高。由于索體表面為PE層，鋼結(jié)構(gòu)焊接過(guò)程中要注意保護(hù)好索體，在提升和張拉過(guò)程中，嚴(yán)禁電焊作業(yè)。

2.1.2預(yù)應(yīng)力鋼索施工技術(shù)要求

⑴預(yù)應(yīng)力鋼索結(jié)構(gòu)體系由專(zhuān)業(yè)鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)廠家工廠制作，并進(jìn)行預(yù)拼裝編號(hào)。

⑵預(yù)應(yīng)力鋼索結(jié)構(gòu)體系在運(yùn)輸、吊裝過(guò)程中必須嚴(yán)格按操作規(guī)程進(jìn)行，盡量避免碰撞擠壓。

⑶預(yù)應(yīng)力鋼索結(jié)構(gòu)體系在現(xiàn)場(chǎng)安裝前，應(yīng)妥善存放在干燥平整的地方，底部要有墊木，上部要有防雨措施，以避免材料受潮銹蝕，切忌砸壓和接觸電氣焊作業(yè)，避免損傷[3]。

鋼索捻制好后要進(jìn)行預(yù)張拉，取破斷拉力的50%，持續(xù)時(shí)間取2h(見(jiàn)圖1)。

通過(guò)預(yù)張拉可以達(dá)到以下目的：消除拉索受力伸長(zhǎng)時(shí)的非線性因素；避免在工地預(yù)張拉后出現(xiàn)快速松馳現(xiàn)象；使鋼絞線結(jié)合緊密，受力均勻。

圖1　預(yù)應(yīng)力鋼索預(yù)張拉圖

2.1.3拉索固定端安裝技術(shù)要求

待預(yù)應(yīng)力鋼索結(jié)構(gòu)體系全部運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)，安裝準(zhǔn)備就緒后，開(kāi)始安裝脊索、谷索、穩(wěn)定索和斜索固定端，支撐結(jié)構(gòu)以及鋼屋架拼裝結(jié)束并經(jīng)檢查驗(yàn)收合格后，利用卷?yè)P(yáng)機(jī)的鋼絞線分段安裝各脊索固定端。穩(wěn)定索使用8根Φ22，單根長(zhǎng)度38m的鋼絞線索，預(yù)先在飛柱對(duì)應(yīng)位置焊接連接耳板，待飛柱拼裝完成后，將鋼絞線索連接至預(yù)先焊接的耳板上；斜索在地面全部放開(kāi)，固定端索頭連接到飛柱底端預(yù)先焊接的耳板上，隨著飛柱的提升，斜索隨之提離地面[4]。

2.1.4飛柱提升技術(shù)要求及模態(tài)

(1)脊索、工裝索同步提升技術(shù)要求利用整體同步提升控制裝置控制16根提升點(diǎn)脊索的提升，飛柱提升高度≤22m時(shí)，精度控制在50mm，單缸行程控制在150mm。當(dāng)飛柱提升至100mm標(biāo)高時(shí)，應(yīng)停止提升并保持靜止?fàn)顟B(tài)6h左右，該狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)下節(jié)點(diǎn)處，有32根斜索的索頭及部分索體重量已作用在飛柱上(斜索索頭0.5T，索體按30kg/m，鑄鋼節(jié)點(diǎn)重量25T)，在計(jì)算模型中，下節(jié)點(diǎn)荷載按506kN考慮，脊索、谷索的索頭按0.3T考慮，索體按13kg/m考慮，因此在64個(gè)上節(jié)點(diǎn)處按照6kN考慮節(jié)點(diǎn)荷載，結(jié)構(gòu)自重由程序自動(dòng)計(jì)算并考慮1.2倍系數(shù)[6]。該狀態(tài)下16個(gè)提升索內(nèi)力為157～185kN，結(jié)構(gòu)位形及拉索拉力如圖2、圖3所示。

圖2　飛柱開(kāi)始提升時(shí)各索位置示意

圖3　飛柱開(kāi)始提升時(shí)下拉索拉力

(2)提升飛柱至9m標(biāo)高緩慢提升飛柱至9m標(biāo)高，該狀態(tài)下非提升點(diǎn)的16根脊索調(diào)節(jié)端至1m標(biāo)高，在16根脊索調(diào)節(jié)端各連接2根3m/3T吊裝帶備用。計(jì)算模型中，下節(jié)點(diǎn)荷載增加至554kN，脊索已離開(kāi)地面，飛柱上節(jié)點(diǎn)按照10kN/點(diǎn)考慮，該狀態(tài)下16個(gè)提升索內(nèi)力為215～245kN，結(jié)構(gòu)位形以及拉索拉力如圖4、圖5所示。

圖4　飛柱離地9m高時(shí)各索位置示意

圖5　飛柱離地9m高時(shí)拉索拉力

(3)提升飛柱至14m標(biāo)高提升飛柱至14m標(biāo)高，該狀態(tài)下非提升點(diǎn)的脊索所連接的吊裝帶、穩(wěn)定索、谷索均提升至1m標(biāo)高。此時(shí)可以將穩(wěn)定索牽引至脊索轉(zhuǎn)軸附近，并利用吊裝帶和錨具綁扎牢固，同時(shí)將非提升點(diǎn)的16根脊索通過(guò)預(yù)先設(shè)置的吊裝帶牽引至鋼結(jié)構(gòu)耳板附近綁扎牢固。該狀態(tài)下提升索內(nèi)力為249～279kN，結(jié)構(gòu)位形以及拉索拉力如圖6、圖7所示。

圖6　飛柱離地14m時(shí)各索位置示意

圖7　飛柱離地14m時(shí)各拉索拉力

(4)提升飛柱至22m標(biāo)高 安裝上脊索，將脊索調(diào)節(jié)端安裝到外環(huán)梁上。在16個(gè)提升點(diǎn)的脊索調(diào)節(jié)端距離耳板約1m處，安裝就位工裝，借助2根Φ22鋼絞線與環(huán)梁上的耳板相連，利用就位工裝進(jìn)行提升和脊索安裝。將非提升點(diǎn)16根拉索的調(diào)節(jié)長(zhǎng)度均調(diào)到最大，在16個(gè)提升點(diǎn)的脊索安裝完畢以后借助倒鏈和吊裝將16個(gè)非提升脊索安裝就位，該狀態(tài)下提升索內(nèi)力為360～390kN，結(jié)構(gòu)位形以及索力如圖8、圖9所示。

圖8　飛柱離地22m時(shí)各索位置示意

圖9　飛柱離地22m時(shí)拉索拉力

脊索安裝結(jié)束后，提升工裝轉(zhuǎn)移至下斜索上，將16根提升斜索與其耳板相連，同時(shí)將8根攬風(fēng)索通過(guò)錨具及30T千斤頂與對(duì)應(yīng)位置的轉(zhuǎn)軸連接并預(yù)緊，此時(shí)，纜風(fēng)索開(kāi)始受力發(fā)揮作用[5]。

圖10　飛柱離地22m時(shí)各索位置示意

圖11　飛柱離地22m時(shí)拉索拉力

(5)提升飛柱至28m標(biāo)高 提升16根下索使飛柱升至28m標(biāo)高，此時(shí)僅8根鋼絞線攬風(fēng)索和16根提升下索受力，提升索最大內(nèi)力為306kN。該狀態(tài)下結(jié)構(gòu)位形以及索力如圖10、圖11所示。

(6)提升飛柱至34m標(biāo)高 飛柱從28m提升至34m標(biāo)高區(qū)間，同步精度控制在30mm。飛柱離地34m時(shí)，斜索拉力約346KN，因?yàn)榉€(wěn)定索是向上提內(nèi)拉環(huán)，依托同步控制程序，實(shí)現(xiàn)索力的自動(dòng)控制，將索力≦600KN。該狀態(tài)下結(jié)構(gòu)位形以及索力如圖12、圖13所示。

圖12　 飛柱離地34m時(shí)各索位置示意

圖13　飛柱離地34m時(shí)拉索拉力

至此下索頭還差5m才能到達(dá)設(shè)計(jì)要求標(biāo)高，在34m標(biāo)高穩(wěn)定索基本處于水平狀態(tài)，為保證結(jié)構(gòu)安全，應(yīng)將其他非提升點(diǎn)的16根斜索利用就位工裝進(jìn)行協(xié)助牽引，以減小提升點(diǎn)牽引力[6]。

(7)提升飛柱至40m標(biāo)高飛柱從34m標(biāo)高提升至設(shè)計(jì)要求標(biāo)高的過(guò)程中，提升同步精度控制在25mm。在該過(guò)程中，飛柱上端將高于外環(huán)梁，在提升過(guò)程中需先放松攬風(fēng)索，使飛柱側(cè)偏100mm后，再提升斜索使飛柱自動(dòng)糾偏，為防止攬風(fēng)索受力過(guò)大，斜索的提升鋼絞線每提升150mm，停止提升，放松攬風(fēng)索一次，以此類(lèi)推。在下一段提升作業(yè)時(shí)，因攬風(fēng)索已放松，隨著飛柱的上升，攬風(fēng)索陸續(xù)受力，飛柱會(huì)自動(dòng)糾偏。 飛柱提升至40m標(biāo)高時(shí)，結(jié)構(gòu)的位形及內(nèi)力如圖14、圖15所示[7]。

圖14 　飛柱離地40m時(shí)各索位置示意

圖15　飛柱離地40m時(shí)拉索拉力

(8)飛柱提升至46m標(biāo)高安裝斜索提升飛柱至46m標(biāo)高，安裝斜索調(diào)節(jié)端至外環(huán)梁，在32個(gè)提升點(diǎn)的斜索調(diào)節(jié)端距離耳板約1m處，將提升點(diǎn)的16根斜索的就位工裝安裝在斜索上，通過(guò)就位工裝進(jìn)行提升和斜索安裝，此時(shí)提升工裝退出工作可以拆除[8]。46m高度時(shí)結(jié)構(gòu)的位形及內(nèi)力如圖16、圖17所示。

圖16 　飛柱離地46m時(shí)各索位置示意

圖17 　飛柱離地46m時(shí)拉索拉力

在鋼索進(jìn)行安裝及張拉過(guò)程中，整體結(jié)構(gòu)部分會(huì)隨之變形。為了解施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)變形發(fā)展規(guī)律，考察結(jié)構(gòu)施工造成的變形影響，需要對(duì)施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)進(jìn)一步指導(dǎo)和校核施工的精確進(jìn)行，還可以判斷預(yù)應(yīng)力施加大小。在提升過(guò)程中需對(duì)32個(gè)軸線的耳板徑向位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，外環(huán)梁監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖18所示。

圖18 　外環(huán)梁監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

對(duì)于飛柱，主要需要監(jiān)測(cè)飛柱在提升過(guò)程中的提升高度以及柱子上下端點(diǎn)的側(cè)向位移，因此需要在飛柱的底端沿著垂直的2個(gè)方向布置兩個(gè)測(cè)點(diǎn)，可以用來(lái)監(jiān)測(cè)柱子的水平高度。另外在柱子的頂端處也布置2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的豎向位置與柱子底端監(jiān)測(cè)點(diǎn)同一個(gè)豎直面內(nèi)，水平方向和底端監(jiān)測(cè)點(diǎn)一致，利用相互垂直的兩個(gè)方向的各2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)柱子的側(cè)偏。監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖19所示。

X方向監(jiān)測(cè)點(diǎn)

Y方向監(jiān)測(cè)點(diǎn)

圖19　監(jiān)測(cè)點(diǎn)俯視圖

3　結(jié)論

雙層懸索屋蓋使用最新的千斤頂液壓計(jì)算控制同步提升技術(shù)，即通過(guò)同步計(jì)算機(jī)控制油泵和千斤頂張拉預(yù)應(yīng)力鋼索并分兩部進(jìn)行：第一階段由16個(gè)150T千斤頂通過(guò)16根上脊索由地面提升到22m高度，完成上索張拉；第二階段由16個(gè)150T千斤頂通過(guò)16根下拉索由22m高度提升到56m設(shè)計(jì)高度，從而完成整個(gè)屋面提升工作。該技術(shù)特點(diǎn)為先在屋面上安裝外環(huán)鋼結(jié)構(gòu)和地面上拼裝飛柱，可以有效保證安裝焊接質(zhì)量，后通過(guò)張拉預(yù)應(yīng)力鋼索實(shí)現(xiàn)飛柱的提升，有利于保證屋蓋的整體性。采用大跨預(yù)應(yīng)力雙層懸索屋蓋同步提升技術(shù)不需要大量腳手架，也不需要大型起重設(shè)備吊裝拼接，可有效提高施工過(guò)程安全保障，加快施工進(jìn)度，降低成本。該研究成果可為類(lèi)似大跨預(yù)應(yīng)力工程的施工提供依據(jù)，具有良好的實(shí)踐意義和廣泛的推廣應(yīng)用價(jià)值。

[1]尤德清,王澤強(qiáng),段有恒，等.佛山家居博覽城傘型屋蓋斜向提升技術(shù)[C]//第十三屆全國(guó)現(xiàn)代結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集，2013：717-724.

[2]李永奎，蔣新山，陳歡軍.梅花形體大跨度鋼結(jié)構(gòu)安裝項(xiàng)目管理策劃與施工技術(shù)[J].工業(yè)建筑，2010(40)：118-122.

[3]郭劍飛.大跨度預(yù)應(yīng)力懸索鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)[J].施工技術(shù)，2009(S1)：513-517.

[4]GB50017-2011，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2011.

[5]GB50755—2012，鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012.

[6]GB / T 5224-2003，預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2003.

[7]CECS212-2006，預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國(guó)華僑出版社，2006.

[8]GB50009-2012，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012.

Research and Modal Analysis of the Synchronous Lifting of the Double-layer Cable-Suspended Roof with the Prestressed Large-Span frame

YAO Chuan-qin1, MA Hai-bin1, BAI Rong2, JIANG Shao-xin2

(1. College of Civil Engineering and Architecture, Anhui University of Science and Technology, Huainan Anhui 232001, China; 2. Construction Fourth Engineering Bureau Co., Ltd., Guangzhou Guangdong, 510665, China)

This paper has conducted an extensive research into the technology of the synchronous lifting of the double-layer cable-suspended roof with the prestressed long-span frame based on the project of Foshan (International) Home Expo City. In this method, the steel structure of the outer ring at the roof and the flying columns at ground were assembled firstly, by which the welding quality could be effectively ensured. Sequentially, the flying columns were hoisted through tensioning prestressed cable to enhance the integrality of the roof. In such case, the security assurance during the construction process could be effectively ensured, and the construction progress could be accelerated. Therefore, cost was reduced. The study can provide a basis for the similar construction of long-span prestressed concrete engineering, which is of great practical significance and of extensive application value on the construction of similar projects.

prestress; double-layer cable-suspended roof; synchronous lifting; modal analysis

2016-05-23

安徽省住房城鄉(xiāng)建設(shè)科學(xué)技術(shù)計(jì)劃項(xiàng)目(2012YF-16)

姚傳勤(1963-)，女，安徽壽縣人，教授，碩士，研究方向：施工技術(shù)與管理。

TU391

A

1672-1098(2016)06-0012-06