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(jié)構(gòu)是一種新型預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)，是在傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上引入柔性的索，張弦梁結(jié)構(gòu)的整體剛度貢獻(xiàn)來(lái)自抗彎構(gòu)件截面與拉索構(gòu)成的幾何形體兩個(gè)方面，張弦梁結(jié)構(gòu)具有承載能力高、結(jié)構(gòu)變形小、結(jié)構(gòu)體系自平衡和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)。近些年，張弦梁結(jié)構(gòu)由平面張弦梁結(jié)構(gòu)向空間張弦梁結(jié)構(gòu)發(fā)展，珠海某體育館采用了大跨度交叉張弦梁結(jié)構(gòu)，這種張弦梁結(jié)構(gòu)打破了單榀張弦梁?jiǎn)为?dú)受力、橫向承載力弱的缺點(diǎn)，每?jī)砷瘡埾伊鸿旒茼敳烤匦瘟哼B接為X 型，使整個(gè)屋蓋結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)復(fù)雜，在施工過(guò)程包括鋼結(jié)構(gòu)梁吊裝、預(yù)應(yīng)力張拉、屋面混凝土澆筑、屋面防水保溫層等多個(gè)施工工序，不同工況下，張弦梁結(jié)構(gòu)變心、內(nèi)力等隨之發(fā)生變化，這給張弦梁施工控制帶來(lái)了困難。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)張弦梁結(jié)構(gòu)也開展了相應(yīng)的研究，陳松等人［1-3］采用有限元分析對(duì)張弦梁結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，推導(dǎo)了初始預(yù)應(yīng)力計(jì)算公式及結(jié)構(gòu)構(gòu)件對(duì)張弦梁結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的影響。王慶鑫等人［4-10］對(duì)張弦梁結(jié)構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，通過(guò)有限元分析，優(yōu)化了張弦梁吊裝及分級(jí)施加預(yù)應(yīng)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(guò)BIM技術(shù)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(shù)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(jié)構(gòu)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(yù)應(yīng)力鋼拉索，拉索的張拉以張拉力控制為主、伸長(zhǎng)值控制為輔的雙控方式。體育館東西兩側(cè)的外墻圍護(hù)采用玻璃幕墻，幕墻主龍骨掛設(shè)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(diǎn)和難點(diǎn)分析

⑴張弦梁上弦桿采用箱型鋼梁，跨度達(dá)71 m，鋼梁節(jié)點(diǎn)多為X型及V型，節(jié)點(diǎn)復(fù)雜，下弦桿采用直徑為φ116高釩索，跨度66 m，預(yù)應(yīng)力索高空安裝難度大。

⑵張弦梁?jiǎn)伍灾剡_(dá)30 t，拼裝完成后，自重下張弦梁會(huì)產(chǎn)生向下彎曲變形，下弦預(yù)應(yīng)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(gè)屋蓋張弦梁體系將會(huì)產(chǎn)生較大變形，如何監(jiān)測(cè)及控制不同工況時(shí)張弦梁的變形是施工的難點(diǎn)。

3 總體思路

⑴采用BIM技術(shù)對(duì)張弦梁屋蓋進(jìn)行深化設(shè)計(jì)。

⑵箱型鋼梁在工廠分段加工，現(xiàn)場(chǎng)搭設(shè)格構(gòu)式鋼胎架，采用汽車吊分段吊裝，在高空拼裝，采用卷?yè)P(yáng)機(jī)將預(yù)應(yīng)力索牽引至高空進(jìn)行安裝。

⑶利用三維仿真技術(shù)動(dòng)態(tài)模擬每榀交叉張弦梁張拉時(shí)整個(gè)屋蓋的受力和變形，采用多次分級(jí)對(duì)稱的順序進(jìn)行循環(huán)張拉。

⑷利用三維仿真技術(shù)動(dòng)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(shí)整個(gè)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(guān)系，確定屋蓋的加載順序、加載時(shí)機(jī)和加載量。

⑸對(duì)交叉張弦梁變形進(jìn)行監(jiān)控，據(jù)此反算拉索、箱型梁及撐桿的內(nèi)力，并和仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，證明施工控制措施的有效性。

4 施工關(guān)鍵技術(shù)

4.1 利用BIM技術(shù)建立三維模型

采用Revit 和Tekla Structures 軟件對(duì)張弦梁屋蓋進(jìn)行深化設(shè)計(jì)和建模，通過(guò)Navisworks 軟件實(shí)現(xiàn)模型數(shù)據(jù)對(duì)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(tái)130 t汽車吊，利用胎架在高空進(jìn)行拼裝，每榀鋼梁分五段進(jìn)行吊裝，如圖3所示。胎架主要設(shè)置在鋼梁節(jié)點(diǎn)位置，現(xiàn)場(chǎng)共設(shè)置20個(gè)格構(gòu)式鋼胎架，胎架之間采用橫梁拉結(jié)。

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

根據(jù)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求，鋼梁安裝預(yù)起拱L/1 000 mm，在綜合考慮鋼梁在制作、安裝、張拉索施工過(guò)程中產(chǎn)生的自重變形后，起拱高度增加了L/2 000 mm，鋼梁安裝實(shí)際起拱高度h=106.5 mm。

4.3 下弦預(yù)應(yīng)力拉索及撐桿安裝

預(yù)應(yīng)力拉索規(guī)格為φ116 高釩索，拉索均為叉耳結(jié)構(gòu)，一端為固定端，另一端為張拉端。拉索安裝前先采用邁達(dá)斯仿真模擬技術(shù)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(yīng)先安裝錨索帶錨具端部的一端，然后采用卷?yè)P(yáng)機(jī)將拉索牽引至高空進(jìn)行安裝。

4.4 用三維仿真技術(shù)模擬張弦梁受力變形

本工程屋蓋結(jié)構(gòu)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(hào)：ZXL1、ZXL2、ZXL3、……ZXL14，如圖4所示。

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

根據(jù)張弦梁施工時(shí)不同階段分工況進(jìn)行受力仿真模擬計(jì)算，主要工況如下：①?gòu)埾伊鹤灾貭顟B(tài)下內(nèi)力及變形；②拉索全部預(yù)緊后，內(nèi)力及變形；③拉索張拉完成后，內(nèi)力及變形；④屋面混凝土澆筑完成后，內(nèi)力及變形。

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

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

4.5 下弦預(yù)應(yīng)力拉索張拉

張弦梁張拉前，在張弦梁的箱梁跨中X 節(jié)點(diǎn)安裝永久沉降觀測(cè)點(diǎn)，并記錄初始沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)，正式張拉前先逐根對(duì)拉索進(jìn)行預(yù)緊，拉力為40 kN，對(duì)所有的索夾進(jìn)行緊固。

為保證鋼索在張拉過(guò)程中腹桿的側(cè)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(guò)程中在腹桿之間設(shè)置臨時(shí)支撐桿件，桿件截面為φ89×3.5圓管，如圖5所示。

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

在張弦梁施工過(guò)程中記錄支座端及沉降觀測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)、平面位移數(shù)據(jù)，并與三維仿真模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，調(diào)整索力。預(yù)應(yīng)力張拉完成后，監(jiān)測(cè)張弦梁上弦桿及撐桿位移和下弦拉索索力，并和設(shè)計(jì)值進(jìn)行對(duì)比，本工程索力誤差控制在5%以內(nèi)，箱形交叉張弦梁拱度誤差在2%以內(nèi)。

4.6 屋蓋樓承板施工

⑴壓型鋼板鋪設(shè)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(shè)樓面壓型鋼板，壓型鋼板面應(yīng)緊貼梁、柱面，鋪設(shè)后及時(shí)點(diǎn)焊牢固。

⑵本工程屋蓋長(zhǎng)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(huì)有較大沉降，支座水平位移也會(huì)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(guò)三維仿真技術(shù)，模擬各種荷載增加時(shí)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(shí)不同工況，通過(guò)三維仿真模擬計(jì)算，優(yōu)化了屋蓋的加載順序，主要施工順序?yàn)椋何萆w樓承板鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)施工→女兒墻施工→防水、保溫層及其保護(hù)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?yàn)闈仓炷習(xí)r施加荷載而引起張弦梁有較大沉降，降低因?yàn)樨Q向荷載增加而增大支座水平位移，屋蓋混凝土沿長(zhǎng)跨方向設(shè)兩條后澆帶，混凝土分3次澆筑，先澆筑長(zhǎng)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(cè)面下掛的幕墻施工完成后進(jìn)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(guò)程中，對(duì)屋面張弦梁跨中豎向位移和支座水平位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與仿真模擬計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析，實(shí)測(cè)豎向位移比理論值小10 mm，實(shí)測(cè)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(diǎn)剛度和鋼結(jié)構(gòu)焊接等影響，使結(jié)構(gòu)剛度略有增大，變形實(shí)測(cè)值與理論值基本相符。

5 結(jié)語(yǔ)

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(duì)張弦梁屋蓋進(jìn)行深化設(shè)計(jì)和建模，并采用邁達(dá)斯仿真軟件進(jìn)行有限元分析，對(duì)大跨度交叉式張弦梁屋蓋施工技術(shù)進(jìn)行研究，主要成果包括如下：

⑴采用邁達(dá)斯軟件分工況進(jìn)行三維仿真模擬分析，動(dòng)態(tài)模擬交叉式張弦梁各施工階段的變形，優(yōu)化預(yù)應(yīng)力張拉順序，解決了荷載疊加引起的一系列影響施工質(zhì)量及生產(chǎn)安全的問題，張弦梁屋蓋變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與有限元模擬分析結(jié)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(shè)計(jì)規(guī)范要求。

⑶根據(jù)張弦梁實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以判斷結(jié)構(gòu)變形處于可控狀態(tài)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)也反應(yīng)了基于邁達(dá)斯軟件的有限元分析可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大跨度交叉式張弦梁屋蓋施工過(guò)程的模擬，同時(shí)交叉式張弦梁計(jì)算模型施加的初始數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工比較吻合。