鮑豐 鮑敏

0 引言

在大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)體系中，張拉索結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)輕盈、承載力高、剛度較大、節(jié)省鋼材等優(yōu)點，非常適合外形呈連續(xù)曲面的建筑，是一種經(jīng)濟、高效的空間結(jié)構(gòu)體系。其中索承網(wǎng)格結(jié)構(gòu)上弦由鋼構(gòu)剛性網(wǎng)格組成，下弦由徑向環(huán)向高強鋼拉索和豎向撐桿組成；下弦索張拉后，上弦網(wǎng)格整體受壓，壓力傳遞到網(wǎng)格中心區(qū)域由壓力環(huán)（通常為型鋼梁或桁架）平衡，同時，下弦索撐桿產(chǎn)生向上的支撐力，對上弦網(wǎng)格形成平面外彈性支撐，承接上弦網(wǎng)格上的豎向荷載，減少網(wǎng)格構(gòu)件跨度，增強其受壓承載力。這種新型的自平衡雜交空間結(jié)構(gòu)體系，組合了索和網(wǎng)格結(jié)構(gòu)兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，以索撐桿為主要承重構(gòu)件，充分發(fā)揮拉索的高強材料特性，大幅減小作用于主體結(jié)構(gòu)的水平力，可在對下部支承結(jié)構(gòu)影響很小的情況下輕松跨越較大跨度，成為體育場館、展覽館等公共建筑大跨度屋蓋的理想結(jié)構(gòu)類型，如武漢體育館、寶安體育場等均采用了車輻式索承網(wǎng)格結(jié)構(gòu)屋蓋。

在正常施工順序情況下，索承屋蓋結(jié)構(gòu)先于建筑圍護、機電設施、裝飾裝修等其他專業(yè)進行施工，鋼索安裝和張拉不受其他專業(yè)的影響。屋蓋結(jié)構(gòu)在使用過程中，某些情況（如腐蝕、局部火災或尖銳物體撞擊等）可能導致某根拉索受損，需要原位更換，對于已經(jīng)張拉成型處于使用狀態(tài)的索承結(jié)構(gòu)屋蓋進行高空換索，施工環(huán)境和要求與常規(guī)安裝完全不同，由于屋蓋上各專業(yè)工程已施工完畢，不僅自重全部作用于索承結(jié)構(gòu)上，鋼索安裝作業(yè)空間受到限制，還要對既有建筑設施予以保護，施工的難度和危險性都顯著增加。換索施工的先決條件是保證拆索后原結(jié)構(gòu)體系的安全，盡量減少對其他建筑構(gòu)配件的損壞，并保持換索后與原結(jié)構(gòu)狀態(tài)基本一致，施工技術復雜，安全風險大。在拆索卸載、換索張拉的過程中，屋蓋結(jié)構(gòu)的內(nèi)力平衡多次重建，鋼構(gòu)件和索內(nèi)力變化較大，甚至內(nèi)力自平衡狀態(tài)打破，部分內(nèi)力可能轉(zhuǎn)移到屋蓋下部的支承結(jié)構(gòu)上；索承結(jié)構(gòu)具有的索系形狀易變、非線性、結(jié)構(gòu)超靜定次數(shù)偏少等特征，增大了施工過程的不確定性。因而，對于成型態(tài)索承結(jié)構(gòu)屋蓋高空換索，技術方案確定和施工過程監(jiān)控除考慮屋蓋本身結(jié)構(gòu)外，還要結(jié)合原建筑結(jié)構(gòu)特征、非結(jié)構(gòu)件的影響等因素作綜合性整體考慮，進行細致的階段性仿真分析、針對性監(jiān)測。本文通過一個體育館索承網(wǎng)格屋蓋換索施工實例，較為完整地研究和形成高空換索關鍵施工技術，并探討相關問題。

1 工程概況

依照建筑的外觀造型設計，體育館鋼結(jié)構(gòu)屋蓋平面為抹角三角形，采用車輻式張拉索承網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，跨度65m，結(jié)構(gòu)下弦距地面高度27.2m，安全等級為一級。屋蓋上弦鋼網(wǎng)格結(jié)構(gòu)三維外形整體上略呈馬鞍狀（如圖1 所示），由24 榀徑向梁、壓力環(huán)梁、鋼拉桿及嵌補桿件組成，壓力環(huán)的直徑為10.6m；徑向鋼梁截面為箱型700×400×18×25，壓力環(huán)梁截面為箱型900×350×20×25，均為Q355B 材質(zhì)；下弦索系結(jié)構(gòu)由24 榀徑向索、一圈環(huán)向索及撐桿組成；徑向索采用φ55 的高釩索，環(huán)向索采用4φ55 的高釩索，單索最小破斷荷載3 075kN。索承網(wǎng)格屋蓋通過鉸接支座連接在下部支承結(jié)構(gòu)上。

圖1 屋蓋三維軸測圖

預應力鋼索規(guī)格如表1 所示。

表1 鋼索的種類與規(guī)格

在屋蓋整體（包括建筑圍護系統(tǒng)、室內(nèi)吊掛機電管線等）基本施工完成之際，徑向拉索S11’（如圖2 所示）因受到其他干擾而需要更換。此時屋蓋結(jié)構(gòu)處于使用狀態(tài)，施工方案決定采用高空原位換索。為保護已完工程，盡量減少對建筑構(gòu)配件的損壞，要求換索施工控制性參數(shù)：

圖2 更換下弦徑向索位置圖

屋蓋結(jié)構(gòu)自當前狀態(tài)下新增豎向變形 ≯L/3 000（L 為屋蓋跨度）；鋼結(jié)構(gòu)應變?nèi)^程處于彈性；更換完成后，屋蓋結(jié)構(gòu)的整體狀態(tài)應與原結(jié)構(gòu)基本一致，鋼結(jié)構(gòu)應力和各索拉力接近更換前數(shù)值。

施工過程應采取可靠的監(jiān)測手段，對預應力索的張拉力和鋼結(jié)構(gòu)的變形進行監(jiān)控，確保結(jié)構(gòu)安全，并及時獲取可靠數(shù)據(jù)。

2 技術方案確定

鋼索S11’拆除后，索系的整體形狀發(fā)生改變，大多數(shù)索有些松弛，撐桿對屋蓋上弦鋼網(wǎng)格的支撐作用減弱，整個屋蓋結(jié)構(gòu)的承載力下降，因此高空換索首要保證拆索后原結(jié)構(gòu)體系的安全。

使用Midas Gen 有限元軟件對各階段性工況進行施工模擬分析，索采用只受拉單元模擬，撐桿采用梁單元模擬，同時釋放梁端約束，通過增加初拉力的方法來施加預應力[1]。

2.1 原結(jié)構(gòu)拆索后狀態(tài)分析

對S11’索直接放松卸載直至拆除后，下弦環(huán)向索由正12 邊形變?yōu)榉堑冗叺?1 邊形，并稍向S11’索的對向水平移動，余下的11 條徑向索仍張緊，其中S11’索兩側(cè)相鄰的S9’、S13’索的拉力有一定增大，其他索的拉力減小，屋蓋結(jié)構(gòu)受力重新平衡。計算結(jié)果顯示拆索后剩余的構(gòu)件形成新的結(jié)構(gòu)體系，仍基本滿足承載力要求，各結(jié)構(gòu)件均處于彈性狀態(tài)，但屋蓋中部的豎向變形較大，超過了控制參數(shù)值。為控制豎向變形并確保原結(jié)構(gòu)安全，在屋蓋下方設置支撐架頂住鋼網(wǎng)格后再卸載拆索，是較為簡便、直接的做法。經(jīng)重新計算并參考原屋蓋結(jié)構(gòu)安裝方案，最終決定采用設置支撐架卸載換索方案。

2.2 換索方案

換索采用“高空拆索、高空換索和高空張拉”的方式，施工步驟：安裝支撐架→卸載拆索→換索并重新張拉→拆除支撐架。

2.2.1 支撐架設計

支撐架應直接頂緊在上弦鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)格上。在通常情況下上弦鋼網(wǎng)格的平面外剛度相對偏弱，如果支撐架的支撐點與豎向撐桿距離較近，會因支撐架豎向剛度大而對索拉力產(chǎn)生較直接的影響，因而支撐架的平面布置應盡量靠近上弦網(wǎng)格中心受壓環(huán)梁（截面尺寸較大）；同時對于體育館或表演類公共建筑，支撐架還要避開屋蓋吊掛的馬道、聲光機電管線和設備、重要裝飾等。為方便施工，支撐架數(shù)量宜少，并采用裝配式格構(gòu)鋼柱以便獨立設置。支撐架的設計應納入整體的結(jié)構(gòu)模型中經(jīng)計算確定。本例中，屋蓋結(jié)構(gòu)在原先安裝時使用4 個支撐架布置在中心受壓環(huán)梁的正下方，換索時為避開大型排煙風管，采用了3 個支承架頂緊在受壓環(huán)內(nèi)側(cè)的次鋼梁上，經(jīng)整體建模分析，滿足施工各階段要求。

支撐架按照四肢格構(gòu)式鋼柱標準節(jié)進行設計，鋼材材質(zhì)為Q235B，每節(jié)長度9.0m，橫截面分肢中心距1.6m；格構(gòu)柱分肢采用φ180×8 鋼管，綴條采用φ70×4 鋼管，綴條與分肢相貫焊接；分肢端部焊接20 厚法蘭連接平板，法蘭板開有8M20螺栓孔，便于標準節(jié)間用高強螺栓安裝并拆解。

2.2.2 仿真施工模擬分析

仿真施工模擬分為以下幾個階段：

（1）原結(jié)構(gòu)當前的成型狀態(tài)；（2）搭建支撐架，拆卸單根受損拉索；（3）安裝并重新張拉新索。

施工模擬基于原結(jié)構(gòu)設計模型進行，計算分析顯示，S11’索卸載后，該索所在位置附近的屋蓋結(jié)構(gòu)豎向變形較為明顯，S11’索對應的上弦網(wǎng)格徑向梁因為失去索撐桿支撐，跨中變形最大。該梁從屋蓋結(jié)構(gòu)安裝至當前使用狀態(tài)時跨中已產(chǎn)生豎向變形43mm，本次施工進行卸載拆索后繼續(xù)向下位移11mm（即總共54mm），新增變形撓跨比為1/5900，換索重新張拉后變形回彈，基本恢復原狀。施工過程中鋼網(wǎng)格最大應力比0.69，為屋蓋外邊緣連接次構(gòu)件，主鋼結(jié)構(gòu)應力較小，整體處于彈性狀態(tài)；換索后S11’索拉力由403kN 增加至411kN，其他各索拉力略有增大。計算結(jié)果均滿足施工控制參數(shù)要求。

2.3 監(jiān)測方案

使用狀態(tài)下高空換索安全風險大，必須監(jiān)測換索過程中主要結(jié)構(gòu)件的受力和變形，采取可靠的、針對性的方案進行實時連續(xù)監(jiān)測。

2.3.1 監(jiān)測內(nèi)容

（1）屋蓋鋼結(jié)構(gòu)徑向梁變形、應變、溫度監(jiān)測；（2）屋蓋鋼結(jié)構(gòu)環(huán)向梁及小次梁的變形、應變、溫度監(jiān)測；（3）拉索索力監(jiān)測；（4）外圍鋼結(jié)構(gòu)應變、溫度監(jiān)測。

在整個施工過程中，監(jiān)測以結(jié)構(gòu)索力控制為主、變形控制為輔。索力監(jiān)測標準為理論值的±10%[2]。

2.3.2 監(jiān)測點位布置

變形監(jiān)測布置：整個屋蓋共設置11 個變形測點（如圖3所示），主要布置在S11’徑向梁、相鄰的S9’和S13’徑向梁及與其相連的環(huán)梁上，測點D1～D6 為屋蓋徑向梁測點（采用高精度全站儀測試），測點D7、D8、D9 為屋蓋壓力環(huán)梁測點（采用高精度全站儀測試），測點D10、D11 為壓力環(huán)中間的小次梁測點（采用高精度激光測距儀測試）。

圖3 變形測點布置圖

變形監(jiān)測遵循可比性原則，采用全站儀和激光測距儀兩種設備對變形進行對比，最大限度地消除系統(tǒng)誤差。

索力監(jiān)測布置：共布設16 個測點（如圖4 所示），其中測點C1～C12 為徑向索索力測點，測點CH1～CH4 為環(huán)向索索力測點，采用磁彈式應力監(jiān)測系統(tǒng)。這種檢測裝置不易損壞，使用壽命長，對拉索銹蝕也有較好的檢測效果[3]。

圖4 磁通量傳感器索力測點布置圖

應變監(jiān)測布置：測點布設于屋蓋S11’徑向梁及其左右相鄰徑向梁末端的“L”型節(jié)點位置、壓力環(huán)梁及環(huán)梁內(nèi)部的小次梁上，測點布置如圖5、6 所示，應變監(jiān)測傳感器選用質(zhì)量高的外貼式鋼結(jié)構(gòu)應變計與配套的頻率接收儀作為應變觀測儀器。

圖5 屋蓋應變測點布置圖

圖6 徑向梁應變測點布置示意

3 施工重點控制措施與結(jié)果

現(xiàn)場利用舉臂車結(jié)合已安裝的馬道作為拆除、安裝和張拉的操作平臺。

3.1 主要張拉工藝與控制措施

（1）預應力鋼索張拉前標定張拉設備。根據(jù)施工模擬計算，徑向索最大張拉力約為410kN，據(jù)此決定采用2 個60t 千斤頂、油泵及張拉工裝等設備，并按照設計和預應力工藝要求對千斤頂、油壓傳感器進行標定。

（2）預應力鋼索張拉采用雙控，以索力控制為主、變形控制為輔；張拉完成后，立即測量校對。

（3）預應力鋼索張拉：油泵啟動供油正常后，開始加壓，當壓力達到鋼索預定拉力時，超張拉3%左右，然后停止加壓，完成預應力鋼索張拉。張拉時，要控制給油速度，給油時間不應低于0.5min。

（4）在換索張拉結(jié)束后如發(fā)現(xiàn)有某根索不滿足索力要求，可以通過個別施加預應力進行補償?shù)姆椒ㄕ{(diào)整，張拉力控制范圍為理論值的±10%[4]。

3.2 換索施工結(jié)果

施工過程連續(xù)監(jiān)測結(jié)果如下：

3.2.1 豎向變形

S11’索卸載后，屋蓋整體下?lián)?，換索重新張拉后屋蓋結(jié)構(gòu)豎向變形向上回彈。圖7顯示主要截面D4點的豎向位移變化：卸載過程中D4 下?lián)?-5.1mm，張索后截面抬升了4.2mm，變形恢復了82.4%，總體恢復效果較好。

圖7 卸載及張拉過程中D4 點位移圖

3.2.2 鋼網(wǎng)格狀態(tài)

在S11’索卸載過程中，屋蓋徑向梁原有的拉應力釋放，每一根徑向梁的2 個內(nèi)測點和短柱的內(nèi)測點均為受壓，最大壓應變?yōu)镾11’徑向梁下緣，達到-53.31με，如圖8 所示；在重新張拉過程中，每一根徑向梁的2 個內(nèi)測點和短柱的內(nèi)測點均為受拉，最大拉應變位于S11’徑向梁下緣，達到57.35με。但這些應變數(shù)值并不大，遠小于鋼結(jié)構(gòu)的彈性設計應變，并且主要應變測點表現(xiàn)出良好的對稱性（應變值相似，方向相反）。

圖8 索S11’徑向梁最大應變圖

3.2.3 索拉力

張索結(jié)束后，12 根徑向索的索力均恢復到S11’索卸載前的水平，且略超過原索力，如C3 測點（對應S12 索）換索前拉力為405kN，換索后拉力為412kN。從卸載到張拉后的索力分布如圖9 所示，除了換索張拉的S11’索力增大稍明顯外，其他11 根徑向索的索力增值相似，總體比較均勻協(xié)調(diào)。圖10 顯示C1～C4 測點徑向索索力的變化，S11’索卸載后，C1～C4 徑向索的索力下降明顯，下降比例均超過20%，其中，C1～C3 下降比例相似，C4 因在S11’索正對面，受影響較大，索力下降達到27.3%；換索張拉后，索力恢復并略超原值，符合預期。

圖9 徑向索從卸載到張拉后索力分布圖

圖10 C1～C4 徑向索全過程索力變化圖

監(jiān)測數(shù)據(jù)還顯示在S11’索卸載后直至重新張拉前的一段時間里，有2 根徑向索索力增大，1 根索索力減小，其他索力幾乎沒有變化，說明隨著時間推移，各索之間的索力會整體自然平衡。

以上監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，與換索前相比，換索后屋蓋結(jié)構(gòu)的豎向變形、各索索力、鋼網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的應力均相差不大，符合原設計的要求，屋蓋結(jié)構(gòu)整體上基本恢復原狀態(tài)。

4 相關問題探討

4.1 非結(jié)構(gòu)件對于結(jié)構(gòu)剛度的影響

對比監(jiān)測結(jié)果與模擬計算數(shù)據(jù)，幾項控制指標的變化歷程和分布形態(tài)在各階段基本保持一致，數(shù)值也相近，但還是有一些差別：換索后實際監(jiān)測的索拉力偏大、卸載豎向變形偏小、鋼網(wǎng)格應力偏小。這表明屋蓋結(jié)構(gòu)的實際剛度比理論模型要大，究其原因主要有兩個：一是使用狀態(tài)下的次結(jié)構(gòu)如馬道和檁條、圍護幕墻龍骨、機電管線支架、裝飾配件龍骨等均已安裝完畢，它們與主結(jié)構(gòu)連接形成混合空間結(jié)構(gòu)，在一定程度上增大了主結(jié)構(gòu)的剛度，但在進行結(jié)構(gòu)計算時它們僅作為荷載體現(xiàn)；二是原結(jié)構(gòu)設計計算模型將鋼網(wǎng)格外端部鋼柱與下部主結(jié)構(gòu)的連接設為鉸接，但施工圖上的做法為只對鋼柱腹板焊接而放開翼緣，這種鉸接節(jié)點具有半剛性的性質(zhì)，屋蓋的實際剛度本就比結(jié)構(gòu)計算模型偏大些。

4.2 卸載拆索前原結(jié)構(gòu)是否要反向回拱卸載

在屋蓋結(jié)構(gòu)正常施工安裝過程中，已經(jīng)產(chǎn)生了一定的豎向變形，至使用狀態(tài)時后續(xù)安裝的其他建筑構(gòu)配件和設備設施等繼續(xù)增加了變形。如果拆索前先將屋蓋結(jié)構(gòu)向上反頂回拱進行整體卸載，然后換索，更符合結(jié)構(gòu)設計的基本概念，但會帶來其他問題：

（1）對于圍護系統(tǒng)和其他設施、裝飾等在屋蓋結(jié)構(gòu)成型后施工的部分，回拱相當于施加了一個反向的強迫變形，可能導致其形體受損或工作性能下降。

（2）換索施工相當于把屋蓋整體的荷載一次性施加在結(jié)構(gòu)上，由于索承結(jié)構(gòu)的非線性特性，即使進行回拱，也不能完全達到原施工過程逐步加載的最終狀態(tài)。

（3）上弦鋼網(wǎng)格的平面外剛度相對偏弱，如果屋蓋各點豎向變形同比例反向回拱恢復，則要求設置的支撐點較多，不僅施工過程復雜，對索拉力產(chǎn)生影響，也難于實際操作。

從本工程換索監(jiān)測結(jié)果來看，不作回拱實際效果也較好，綜合考慮，可以不作回拱。

5 結(jié)論

使用狀態(tài)下進行索承網(wǎng)格結(jié)構(gòu)高空換索，技術復雜、施工難度大、安全風險高。采用“高空拆索、高空換索和高空張拉”方法進行高空換索施工，合理設置支撐架是保證換索過程中整體結(jié)構(gòu)安全的重要措施；應預先設定施工控制參數(shù)保護已完建筑設施，布設針對性監(jiān)測及時獲取過程數(shù)據(jù)，更換完成后，屋蓋結(jié)構(gòu)的整體狀態(tài)應與原結(jié)構(gòu)基本一致。本文的研究為類似工程的設計和施工提供了非常實用的思路和方法。