杜 琦，陳 萌，岳海龍，楊盛斌，程敘埕，潘曉波，胡 偉

(中建科工集團(tuán)有限公司，四川 成都 610040)

大跨度鋼屋蓋結(jié)構(gòu)是公用建筑結(jié)構(gòu)屋蓋的主要結(jié)構(gòu)形式之一，在機(jī)場(chǎng)、體育場(chǎng)館、影劇院、候車(chē)廳等建筑中應(yīng)用尤其廣泛。正放四角錐焊接球網(wǎng)架結(jié)構(gòu)作為大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)常用的結(jié)構(gòu)形式，具有空間受力小、質(zhì)量小、剛度大、抗震性能好等優(yōu)點(diǎn)。屋蓋結(jié)構(gòu)采用多點(diǎn)支撐形式，可實(shí)現(xiàn)建筑空間靈活布局、外觀漂亮、內(nèi)部空間大、內(nèi)部自由度大的要求。為確保網(wǎng)架結(jié)構(gòu)安全、優(yōu)質(zhì)施工，需根據(jù)施工方案采用有限元結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件進(jìn)行大量施工計(jì)算及施工模擬，以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。

1 工程概況

成都天府國(guó)際機(jī)場(chǎng)位于成都市東南方向的簡(jiǎn)陽(yáng)市蘆葭鎮(zhèn)。T1航站樓平面尺寸1 285m×531m，建筑高度45m，總建筑面積約33.7萬(wàn)m2，呈倒T形布置，由中央的D區(qū)大廳和外側(cè)的A，B，C區(qū)3條指廊組成。航站樓地上4層(局部5層)，地下局部管廊1層，共5層。土建樓層采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)為柱下獨(dú)立柱基礎(chǔ)或挖孔灌注樁基礎(chǔ)。

鋼結(jié)構(gòu)屋蓋采用標(biāo)準(zhǔn)高度為4m的正放四角錐焊接球網(wǎng)架，局部通過(guò)抽空桿件形成3條折板空腹天窗帶。網(wǎng)架支撐于164根鋼管混凝土柱上方，室外鋼柱通過(guò)V形支撐與土建梁內(nèi)鋼骨梁相連。大廳與指廊的網(wǎng)架間通過(guò)300mm防震縫隔開(kāi)，形成4個(gè)基本獨(dú)立的結(jié)構(gòu)單元(見(jiàn)圖1)。

圖1 T1航站樓網(wǎng)架示意

A，B，C區(qū)指廊網(wǎng)架平面總投影面積約7.34萬(wàn)m2，B區(qū)指廊與D區(qū)大廳交界位置的平面窗帶采用圓管相貫桁架連接，A，C區(qū)指廊網(wǎng)架中部各有1條與D區(qū)大廳相連的天窗帶，天窗帶下方部分下弦桿替換為合金鋼拉桿，鋼拉桿共120根，12根為1組，A，C區(qū)指廊各5組(見(jiàn)圖2)。

圖2 A，B，C區(qū)指廊網(wǎng)架示意

D區(qū)大廳網(wǎng)架平面投影面積約10.51萬(wàn)m2，網(wǎng)架高度1.5～6.4m，最大跨度108m，最大懸挑長(zhǎng)度約39m。為體現(xiàn)建筑層次，網(wǎng)架設(shè)置3條天窗帶，其中2條較短天窗帶長(zhǎng)約270m，高6～7m，另外一條天窗帶與A，C區(qū)指廊相連(見(jiàn)圖3)。

圖3 D區(qū)大廳網(wǎng)架示意

A，C區(qū)指廊鋼拉桿采用650MPa合金鋼拉桿，鎖頭及銷(xiāo)軸耳板材質(zhì)為Q420B，銷(xiāo)軸材質(zhì)為40Cr。單組鋼拉桿中間設(shè)置撐桿(網(wǎng)架腹桿)，撐桿左、右各配置1對(duì)鋼拉桿，拉桿一端與網(wǎng)架焊接球節(jié)點(diǎn)連接，一端與撐桿下中間節(jié)點(diǎn)(工裝索)連接，節(jié)點(diǎn)間均采用銷(xiāo)軸連接，拉桿直徑80mm(見(jiàn)圖4)。

圖4 預(yù)應(yīng)力鋼拉桿節(jié)點(diǎn)示意

2 網(wǎng)架施工關(guān)鍵技術(shù)

2.1 液壓同步提升技術(shù)

A，C區(qū)指廊均分為3個(gè)整體提升分區(qū)，在每個(gè)分區(qū)內(nèi)鋼柱柱頂設(shè)置提升支架，布置提升吊點(diǎn)(單吊點(diǎn)或雙吊點(diǎn))，根據(jù)施工方法及施工順序通過(guò)有限元結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件對(duì)施工全過(guò)程進(jìn)行模擬，在部分下?lián)现递^大位置設(shè)置重型支撐胎架作為臨時(shí)提升吊點(diǎn)，并再次進(jìn)行模擬計(jì)算，直到網(wǎng)架提升施工各工況網(wǎng)架變形及應(yīng)力滿(mǎn)足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，經(jīng)施工模擬計(jì)算，A，C區(qū)指廊均布置39個(gè)提升吊點(diǎn)(見(jiàn)圖5)。

圖5 A,C區(qū)指廊提升吊點(diǎn)布置

根據(jù)樓層結(jié)構(gòu)、場(chǎng)地道路情況，A區(qū)指廊網(wǎng)架在4層樓面及地面拼裝，C區(qū)指廊網(wǎng)架在3層樓面及地面拼裝。地面分塊網(wǎng)架拼裝完畢后，采取輕型支撐胎架作為分塊網(wǎng)架臨時(shí)支撐措施，由220t汽車(chē)式起重機(jī)將分塊網(wǎng)架吊裝至4層(3層)樓面位置，完成分塊網(wǎng)架與樓面拼裝網(wǎng)架補(bǔ)檔施工，將分塊網(wǎng)架與樓面拼裝網(wǎng)架連接為整體后，進(jìn)行分區(qū)網(wǎng)架整體提升施工。

考慮A3，C1整體提升分區(qū)內(nèi)存在面積較大區(qū)域無(wú)結(jié)構(gòu)可供拼裝，故對(duì)其細(xì)化分為累積提升分區(qū)，該區(qū)域網(wǎng)架在地面拼裝完畢后，將其累積提升至4層(3層)樓面位置，完成累積提升分區(qū)與樓面拼裝網(wǎng)架補(bǔ)檔施工，進(jìn)行分區(qū)網(wǎng)架整體提升施工(見(jiàn)圖6)。

圖6 A,C區(qū)指廊網(wǎng)架分塊分區(qū)示意

2.2 并聯(lián)雙桿液壓張拉技術(shù)

指廊鋼拉桿編號(hào)如圖7所示。

圖7 A,C區(qū)指廊鋼拉桿編號(hào)示意

1)采用先張法進(jìn)行鋼拉桿張拉，采用工裝螺桿和液壓千斤頂直接對(duì)拉兩端網(wǎng)架下弦球節(jié)點(diǎn)，一邊張拉一邊旋轉(zhuǎn)鋼拉桿的桿體，直至達(dá)到所需的張拉力。

此時(shí)鋼拉桿的拉力接近0；千斤頂回油，工裝螺桿的張拉力轉(zhuǎn)移至鋼拉桿上，卸除張拉設(shè)備(見(jiàn)圖8)。

圖8 鋼拉桿預(yù)應(yīng)力張拉施工

2)同一組鋼拉桿張拉時(shí)，2對(duì)(4根)鋼拉桿同時(shí)擰緊。

3)張拉分級(jí)進(jìn)行，按照張拉力的不同，分為10級(jí)，0—10%—20%—…—100%，每級(jí)張拉完成，檢查4根鋼拉桿的擰緊跟進(jìn)情況。

4)A區(qū)指廊提升時(shí)對(duì)1～18號(hào)及25～30號(hào)鋼拉桿進(jìn)行張拉，張拉完成后提升就位，在鋼結(jié)構(gòu)合龍后，所有鋼拉桿進(jìn)行一輪復(fù)測(cè)和補(bǔ)張拉。

5)C區(qū)指廊提升時(shí)對(duì)1～6號(hào)、13～24號(hào)及27，28號(hào)鋼拉桿進(jìn)行張拉，張拉完成后提升就位，在鋼結(jié)構(gòu)合龍后，對(duì)所有鋼拉桿復(fù)測(cè)和補(bǔ)張拉。

6)模擬張拉過(guò)程中，進(jìn)行施工全過(guò)程力學(xué)分析，預(yù)控在先。

7)拉索張拉控制采用雙控原則，控制結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形，其中以控制張拉力為主。

2.3 施工模擬計(jì)算

本工程鋼結(jié)構(gòu)安裝中的結(jié)構(gòu)變形主要體現(xiàn)在屋面網(wǎng)架的豎向下?lián)希捎诰W(wǎng)架跨度和自重較大，易產(chǎn)生過(guò)大豎向變形。為保證網(wǎng)架安裝卸載后其豎向變形控制在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，需對(duì)網(wǎng)架進(jìn)行預(yù)變形控制，并進(jìn)行網(wǎng)架整體提升及預(yù)應(yīng)力張拉施工驗(yàn)算，保證安裝精度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2.3.1整體提升模擬計(jì)算

采用在深化設(shè)計(jì)建模時(shí)將起拱值加入設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的方法，通過(guò)有限元結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件對(duì)原結(jié)構(gòu)施加(1.0恒荷載+0.5活荷載)標(biāo)準(zhǔn)值組合，得到預(yù)起拱模型。根據(jù)該預(yù)起拱模型進(jìn)行深化出圖及施工過(guò)程模擬計(jì)算(下文僅以A區(qū)指廊計(jì)算為例，C區(qū)指廊不再贅述)。

1)變形計(jì)算

根據(jù)A區(qū)指廊網(wǎng)架整體提升施工過(guò)程驗(yàn)算結(jié)果，A區(qū)指廊在網(wǎng)架整體卸載時(shí)，變形值達(dá)到最大。最大變形值位于鋼拉桿所在區(qū)域，完成鋼拉桿張拉施工后，變形值得到緩解。

由計(jì)算可知，整體卸載最大變形為32.89mm，完成預(yù)應(yīng)力鋼拉桿張拉最大變形為29.37mm，設(shè)計(jì)狀態(tài)最大變形為32.69mm。因此，安裝過(guò)程中A區(qū)指廊的最大豎向變形為32.89mm，網(wǎng)架的跨度為37.2m，跨中允許的豎向變形值為L(zhǎng)/400=93mm，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

2)應(yīng)力計(jì)算

根據(jù)A區(qū)指廊網(wǎng)架整體提升施工過(guò)程驗(yàn)算結(jié)果，A區(qū)指廊在網(wǎng)架整體卸載時(shí)，應(yīng)力值達(dá)到最大，位于A2區(qū)與A3區(qū)連接位置。

經(jīng)計(jì)算，整體卸載最大應(yīng)力為171.5MPa，完成預(yù)應(yīng)力鋼拉桿張拉最大應(yīng)力為-134.0MPa，設(shè)計(jì)狀態(tài)最大應(yīng)力為-172.7MPa，小于Q345鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值310MPa，強(qiáng)度驗(yàn)算滿(mǎn)足規(guī)范要求；安裝過(guò)程中，結(jié)構(gòu)處于彈性階段，且桿件受力的安全儲(chǔ)備相對(duì)充足，滿(mǎn)足施工要求。

3)應(yīng)力比計(jì)算

根據(jù)應(yīng)力比計(jì)算結(jié)果，桿件應(yīng)力比最大值為0.455，小于0.85，滿(mǎn)足規(guī)范要求，且具備較高的安全冗余度。

2.3.2預(yù)應(yīng)力張拉模擬計(jì)算

根據(jù)A，C區(qū)指廊網(wǎng)架施工流程，設(shè)計(jì)建議網(wǎng)架分區(qū)整體提升脫胎后進(jìn)行鋼拉桿張拉，待網(wǎng)架提升就位后對(duì)部分鋼拉桿進(jìn)行補(bǔ)拉調(diào)整。鋼拉桿按由左至右順序編號(hào)為1～30號(hào)，中間節(jié)點(diǎn)(工裝索)按由左至右順序編號(hào)為1～15號(hào)。本文僅以A區(qū)指廊計(jì)算為例，C區(qū)指廊不再贅述。

2.3.2.1工況分析

結(jié)合A區(qū)指廊網(wǎng)架分區(qū)整體提升施工流程、網(wǎng)架分區(qū)范圍以及鋼拉桿張拉過(guò)程，共設(shè)置34個(gè)工況：①工況1 A1區(qū)網(wǎng)架整體提升就位；②工況2 A2區(qū)網(wǎng)架整體提升就位并與A1區(qū)網(wǎng)架合龍補(bǔ)檔；③工況3～22 張拉1～10號(hào)工裝索，施工順序?yàn)?1→3→2→4→6→5→7→9→8→10，此時(shí)A2區(qū)網(wǎng)架已施加預(yù)應(yīng)力；④工況23 A3區(qū)網(wǎng)架整體提升就位并與A2區(qū)網(wǎng)架合龍補(bǔ)檔；⑤工況24～29 張拉13～15號(hào)工裝索，施工順序?yàn)?3→14→15；⑥工況31～34 張拉11～12號(hào)工裝索，施工順序?yàn)?2→11，此時(shí)所有鋼拉桿已施加預(yù)應(yīng)力。

每根工裝索的張拉過(guò)程包含以下2個(gè)工況：①工況1 先張法預(yù)應(yīng)力張拉(ZL工況)，采用千斤頂和工裝螺桿進(jìn)行張拉，使結(jié)構(gòu)鋼拉桿的內(nèi)力趨于0；②工況2 工裝螺桿預(yù)應(yīng)力釋放(SF工況)，千斤頂回油，工裝螺桿的預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)移至結(jié)構(gòu)鋼拉桿中。

為減少?gòu)埨O(shè)備反復(fù)移動(dòng)，工裝索的張拉基本遵循順序張拉原則，根據(jù)工裝索位置可將其分為5組，前4組由于每組中間的鋼拉桿索力較大，故先張拉兩端再?gòu)埨虚g，以此減少工裝索的最大張拉力。同時(shí)，考慮到第4組工裝索靠近提升點(diǎn)，提升點(diǎn)提升吊桿、支架的存在將導(dǎo)致工裝索拉力過(guò)大，故將第11，12號(hào)工裝索在卸載后張拉。

2.3.2.2張拉計(jì)算

1)施工過(guò)程計(jì)算結(jié)果 ①工裝索張拉力最大值1 749kN，最小值895kN；鋼拉桿內(nèi)力最大值920kN，最小值574kN；②網(wǎng)架桿件最大應(yīng)力值203.7MPa；③網(wǎng)架豎向位移向上最大值30.4mm，向下最大值31.4mm。

施工過(guò)程各工裝索張拉后，ZL工況各工裝索的張拉力值及SF工況各鋼拉桿的內(nèi)力值如表1所示。

表1 各工裝索及鋼拉桿內(nèi)力 kN

2)施工完成后計(jì)算結(jié)果 ①鋼拉桿內(nèi)力值592～897kN；②網(wǎng)架桿件最大應(yīng)力值基本不變，最大值106.5MPa，應(yīng)力水平較低；③網(wǎng)架豎向位移向上最大值8.25mm，向下最大值35.1mm。

施工完成后鋼拉桿的內(nèi)力值如表2所示。

表2 施工完成后鋼拉桿內(nèi)力 kN

3)計(jì)算結(jié)論

整個(gè)施工過(guò)程中，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)桿件內(nèi)力值均不超過(guò)材料屈服強(qiáng)度，滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)安全性要求。施工完成狀態(tài)鋼拉桿內(nèi)力值基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2.4 計(jì)算與施工對(duì)比分析

2.4.1整體提升對(duì)比分析

A區(qū)指廊網(wǎng)架安裝采用TLJ-600型與TLJ-2000型液壓提升器、TL-HPS-60型液壓泵源系統(tǒng)及TLC-1.3型計(jì)算機(jī)同步控制及傳感檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行整體提升施工。網(wǎng)架脫胎并進(jìn)行張拉施工后，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)撓度觀測(cè)值如表3所示。

由表3數(shù)據(jù)對(duì)比鋼拉桿施工過(guò)程計(jì)算結(jié)果可知：網(wǎng)架脫胎并進(jìn)行鋼拉桿張拉施工后，網(wǎng)架兩側(cè)懸挑端向上位移最大值為27mm<30.4mm，向下位移最大值為29mm<31.4mm，跨中(鋼拉桿分布位置)向上位移最大值為28mm<30.4mm，施工過(guò)程滿(mǎn)足計(jì)算結(jié)果要求。

表3 整體提升位移 mm

2.4.2預(yù)應(yīng)力張拉對(duì)比分析

A區(qū)指廊鋼拉桿現(xiàn)場(chǎng)采用YCW-100型張拉千斤頂進(jìn)行張拉施工，通過(guò)油壓表讀數(shù)換算出工裝索受力值，通過(guò)傳感器讀出鋼拉桿受力值，如表4所示。

表4 鋼拉桿張拉施工參數(shù)

1)對(duì)比表1與表4數(shù)據(jù)可知，A區(qū)指廊鋼拉桿張拉施工完畢后，完成狀態(tài)鋼拉桿內(nèi)力值與計(jì)算結(jié)果施工過(guò)程SF工況鋼拉桿內(nèi)力值相同，滿(mǎn)足計(jì)算結(jié)果要求。

2)對(duì)比表2與表4數(shù)據(jù)可知，A區(qū)指廊鋼拉桿張拉施工完畢后，完成狀態(tài)鋼拉桿內(nèi)力值與計(jì)算結(jié)果施工完成狀態(tài)鋼拉桿內(nèi)力值相比略大，滿(mǎn)足計(jì)算結(jié)果要求。

3)對(duì)比表4工裝索拉力值與鋼拉桿內(nèi)力值可知，工裝索在施加拉力并釋放過(guò)程中，預(yù)加拉力向鋼拉桿轉(zhuǎn)移過(guò)程產(chǎn)生應(yīng)力損失為3.56%～5.97%。

根據(jù)預(yù)應(yīng)力張拉施工過(guò)程及采用施工設(shè)備，分析其產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力損失原因如下：①工裝螺桿螺紋間隙、鋼拉桿索頭螺紋間隙、工裝螺桿與節(jié)點(diǎn)球工裝耳板間隙造成的初始預(yù)應(yīng)力損失；②網(wǎng)架結(jié)構(gòu)受力后，桿件發(fā)生彈性變形所產(chǎn)生的過(guò)程預(yù)應(yīng)力損失。

綜合考慮以上導(dǎo)致鋼拉桿張拉過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力損失，故需對(duì)鋼拉桿進(jìn)行一定范圍的超張拉，保證鋼拉桿所受內(nèi)力值滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)屋蓋網(wǎng)架整體提升施工方法，結(jié)合鋼拉桿預(yù)應(yīng)力張拉施工要求，對(duì)比網(wǎng)架整體提升施工計(jì)算與預(yù)應(yīng)力張拉計(jì)算結(jié)果，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工，實(shí)現(xiàn)了施工過(guò)程穩(wěn)定、可靠，各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可控，達(dá)到網(wǎng)架安裝滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的目的。

1)為保證預(yù)應(yīng)力鋼拉桿張拉后滿(mǎn)足屋蓋網(wǎng)架設(shè)計(jì)荷載要求，根據(jù)設(shè)計(jì)要求需在網(wǎng)架整體脫胎后進(jìn)行部分預(yù)應(yīng)力張拉，網(wǎng)架整體提升至設(shè)計(jì)標(biāo)高后進(jìn)行補(bǔ)張拉，使網(wǎng)架整體受力滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，最后進(jìn)行網(wǎng)架補(bǔ)檔施工，并卸載。

2)張拉前、脫胎后、提升就位后、補(bǔ)張拉后均應(yīng)進(jìn)行網(wǎng)架位移監(jiān)測(cè)，對(duì)4輪監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)超出標(biāo)準(zhǔn)時(shí)進(jìn)行調(diào)整，保證網(wǎng)架安裝精度。

3)為保證指廊網(wǎng)架整體安裝精度，前一分區(qū)邊界位置鋼拉桿采取在后一分區(qū)網(wǎng)架整體提升就位后進(jìn)行補(bǔ)張拉，分區(qū)間同時(shí)調(diào)整，保證順利完成補(bǔ)檔，補(bǔ)張拉及調(diào)整完成后方可進(jìn)行分區(qū)間補(bǔ)檔施工。