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

項目研究對象為安徽省六安市第一中學(xué)擴建項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)力支撐體系為高強度合金鋼拉桿。建筑結(jié)構(gòu)頂點標高(相對于總圖±0.000)為42.500 m，支座中心標高為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，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

為了實現(xiàn)該采光頂?shù)氖┕そㄔ?，需要在采光頂下方設(shè)置操作鋼平臺，利用鋼平臺堆放索桿節(jié)點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，拉桿張拉施工對操作平臺結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定性及變形限值有著較高的要求，設(shè)計選用何種類型的鋼平臺主體結(jié)構(gòu)需要通盤考慮。

1 施工平臺設(shè)計

1.1 設(shè)計思路

該項目屋蓋正下方為三層樓面，標高為13.700 m，屋蓋支座圈梁標高為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。

比較研究發(fā)現(xiàn)：

(1) 滿堂腳手架平臺較為常用，但施工工期長，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型鋼梁平臺在大跨度情況下，用鋼量很大，安裝成本高，單個構(gòu)件相對笨重，在拆除時因上方采光頂鋼結(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)平臺在本項目中優(yōu)勢較為明顯，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)濟費用亦較低，具有比較優(yōu)勢。

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(主體用網(wǎng)架結(jié)構(gòu))是最優(yōu)實施方案，能夠在有限的工期內(nèi)較為經(jīng)濟合理地完成項目施工。設(shè)計合理的鋼網(wǎng)架支撐平臺成為關(guān)鍵一環(huán)，必須結(jié)合項目土建施工圖紙和考察復(fù)核現(xiàn)場尺寸，確保網(wǎng)架平臺順利安裝，避免返工。

為了最大限度地減少對土建樓面的影響，鋼網(wǎng)架平臺設(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。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，最大限度減少對樓面板的影響。鋼網(wǎng)架平臺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，有利于減小對混凝土主體結(jié)構(gòu)的不利影響。網(wǎng)架平臺上設(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，施工平臺能確保安全可靠。

1.2 設(shè)計計算

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)計算軟件，建立空間網(wǎng)架平臺整體分析模型[9]，起步桿件D60×3.5，桿件材質(zhì)選用常規(guī)的Q235B；起步高強度螺栓采用M20；起步螺栓球BS100；計算應(yīng)力比控制為0.9，桿件長細比控制拉壓桿均為180。網(wǎng)架平臺模型投影面積約為1 450 m2，網(wǎng)架鉸支座為簡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，也有部分項目采用斜放四角錐，兩者都可以抽空設(shè)計，超靜定結(jié)構(gòu)網(wǎng)架抽空設(shè)計在某些項目上有較好的經(jīng)濟效益。

本項目平板網(wǎng)架采用變厚度設(shè)計，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)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(相對于合攏時溫度的±5 ℃)，屋蓋桁架架設(shè)后受到風(fēng)荷載的影響，與平臺有聯(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。計算模型軸側(cè)圖如圖2所示。

圖2 網(wǎng)架施工平臺計算模型

計算時嚴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)施工時的堆放荷載工況，為了最大限度控制施工平臺的撓度[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。施工平臺支座反力主要為豎向反力，水平反力每點均小于3 kN；經(jīng)設(shè)計院復(fù)核驗算，主體結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定，也驗證了鋼平臺設(shè)計方案在技術(shù)上可行。

圖3 網(wǎng)架施工平臺理論計算撓度值

1.3 注意事項

由于采光頂屋蓋固定鉸支座密集，鋼平臺網(wǎng)架支座宜設(shè)置在屋蓋支座之間且對稱布置，為了避免平臺與屋蓋下部的碰撞，使用網(wǎng)架上弦支座，同時要結(jié)合BIM技術(shù)建立三維實體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支撐點位置，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(此項目為第三個網(wǎng)格處)布置一道斜桿，使格構(gòu)柱輕微扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象得到進一步改善，提高鋼平臺的整體穩(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，減少焊接動火，以便于拆卸施工。

全過程宜采取網(wǎng)架主體結(jié)構(gòu)無線監(jiān)測，主要是變形數(shù)據(jù)觀察，考慮到鋼平臺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)測確保平臺運行時始終處于安全可控狀態(tài)。

2 施工平臺實現(xiàn)

2.1 鋼平臺的搭建

鋼平臺是項目預(yù)應(yīng)力施工的關(guān)鍵，搭建質(zhì)量尤為重要，項目部嚴格按照施工方案指揮，嚴格落實操作順序和流程，注重節(jié)點構(gòu)造細節(jié)，確保體系安全可靠。派駐設(shè)計人員全程跟蹤，從結(jié)構(gòu)理念上把牢安全準繩，如圖4所示，鋼平臺順利搭建就位。施工階段對屋蓋及平臺實時監(jiān)測[13,14]，測量數(shù)據(jù)顯示實際情況與理論值吻合度較高，驗證了理論計算結(jié)果具有一定的可靠性。

圖4 采光頂施工平臺有序搭建

鋼網(wǎng)架從三層樓面開始由下而上組立拼裝，只需要塔吊既能實現(xiàn)全平臺安裝(含檁條及平臺面板)，節(jié)省了大量吊車費用，提高了既有施工設(shè)備的使用頻率，一舉兩得，實現(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)驗收合格后，按既定的拆除方案逆序拆除鋼網(wǎng)架平臺體系[15]。項目建設(shè)完成后采光頂觀感效果良好，如圖5所示，竣工驗收時受到設(shè)計院及業(yè)主方的一致好評。項目得以安全高效的實施離不開項目部前期多次現(xiàn)場勘查和協(xié)調(diào)組織，離不開技術(shù)人員充分的施工模擬和準確計算。

該項目采光頂設(shè)計參考巴黎盧浮宮結(jié)構(gòu)體系，雙向預(yù)應(yīng)力鋼拉桿采光頂是省內(nèi)乃至全國為數(shù)不多的工程案例，其設(shè)計難度和建造成本有異于一般項目，對設(shè)計(含施工方案設(shè)計)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 施工平臺優(yōu)化思路

3.1 設(shè)計優(yōu)化思路

該項目施工平臺在實施過程中發(fā)現(xiàn)一些問題，設(shè)計存在優(yōu)化的可能[16,17]。平臺支座數(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)變形不會有較大變化；格構(gòu)柱及平臺網(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，有利于減小鋼平臺的凈空高度，增加屋頂與平臺間的操作空間，尤其是采光頂支座附近，傾角凈空需要增大，項目實施時明顯感覺空間不足，對預(yù)應(yīng)力張拉有一定的影響。

鋼平臺的樓承板宜使用一定厚度的木工板[18]，鋼樓承板在走動時會有一定的變形，且由于板材長度大、剛度小，對其高空吊裝安拆時，明顯迎風(fēng)抖動，有一定的安全風(fēng)險和隱患。

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，格構(gòu)柱甚至可以用場地內(nèi)塔吊標準節(jié)代替。

3.2 施工優(yōu)化思路

該項目施工平臺在安拆的過程中存在一些問題，施工順序存在優(yōu)化的空間[19,20]。由于土建設(shè)計和施工時沒有考慮鋼結(jié)構(gòu)的施工方案(實際上前期施工安裝方案也并未形成)，基本沒有提前埋設(shè)預(yù)埋件，給鋼結(jié)構(gòu)的施工造成一定的影響；安裝時鋼平臺網(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個螺栓球及其連接桿件)吊裝能更好地節(jié)約時間成本；拆卸時發(fā)現(xiàn)屋蓋采光頂桁架梁對拆卸工作有一定的影響，經(jīng)過采光頂釋放塔吊繩索需要非常小心，類似采光頂施工平臺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中部設(shè)置小型拔桿(中部凈空高度超過5 m)，分步拆除周邊構(gòu)件。

4 結(jié)束語

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，因為鋼拉桿是非連續(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。

鋼網(wǎng)架平臺便于加工制作，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，選擇網(wǎng)架作為施工平臺的主體結(jié)構(gòu)，便于拆卸，拆卸后桿件可二次加工使用，損耗較低，性價比高。

施工平臺是該預(yù)應(yīng)力拉桿管桁架采光頂項目成功的關(guān)鍵，其設(shè)計計算要充分考慮荷載工況和組合，選擇公認且優(yōu)秀的空間結(jié)構(gòu)計算程序，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)架支撐平臺的設(shè)計思路和優(yōu)化建議值得推廣使用。