宁波铁路南站钢结构雨棚张弦梁单侧张拉关键技术

2014-05-23江张宿

浙江工商职业技术学院学报 2014年2期

江张宿

（中铁建设集团有限公司，北京 100131）

0 工程概况

宁波铁路南站改建工程位于浙江省宁波市海曙区，在主站房的东西两侧各有一个顺轨向长147m、垂直轨道向宽184.95m的无站台柱钢结构张弦梁雨棚，总建筑面积54375.3m2。张弦梁雨棚结构呈平板状，三跨连续拱状，屋面标高15.00m，由横向张弦梁、索承系统与钢管混凝土柱组成，单个张拉单元尺寸为3×8.00m×40.85m（40.80m、37.85m）。其中横向张弦梁为实腹式矩形钢管；索承系统为一组1670级ф5镀锌钢丝双护层扭绞型船型拉索，由主索和分叉索组成、在撑杆下节点处分开，主索型号为φ5×199，分叉索型号为φ5×109，张弦梁雨棚如图1和图2所示。

图1 单个张拉单元示意图

图2 西侧张弦梁雨棚轴测图

由于本工程属于既有线改造项目，雨棚施工时需确保既有铁路线的安全通行，致使部分跨线雨棚结构不能一次成跨，既有线的现状也无法实施张弦梁的两端张拉。因此，经讨论，本工程决定采用单侧张拉法，并通过攻关解决其中的关键技术，确保本雨棚工程顺利施工。

1 单侧张拉施工方案

张拉前，建立张弦梁结构的有限元模型，模拟张弦梁单侧张拉时的应力和变形状态，编制单侧张拉方案。根据有限元分析结果，深化设计和加工制作节点。张拉时，采取相邻跨单侧分级跳拉法，张拉过程逐渐增大张拉力、实时监测，监测以变形控制为主、索力控制为辅。张拉后，拆除张弦梁中部的临时支撑体系，并根据屋面变形情况，适当调整索力和变形，确保相邻张弦梁之间变形的协调性和屋面的平顺性。

图3 单侧张拉流程图

2 关键技术研究

2.1 单侧分级跳拉方案优化

考虑宁波铁路南站既有线的施工特点和雨棚张拉后变形协调性问题，结合有限元模拟分析结果，经过方案比选，选择单侧分级跳拉法进行张拉。具体为：采用4套600kN的张拉设备（含千斤顶、油泵、压力表）对相邻的两榀梁进行单侧跳跃式张拉，每次张拉1根分叉索，张拉力分两级张拉，第1级张拉至预张力的70%，第2级张拉至预张力的100%。张拉单元和张拉走向如图4和图5所示。

图4 单侧张拉单元示意图

图5 单侧张拉走向图

2.2 张弦梁撑杆下节点深化设计

2.2.1 撑杆下节点构造设计

张弦梁撑杆下拉索节点是张弦梁的重要组成部分，起到连接主索和分叉索、并将张拉分力传递至上弦钢梁的作用，是顺利实现单侧张拉目标的关键所在。根据设计院要求，本工程张弦梁节点由安装单位自行深化设计。

鉴于张弦梁节点位于雨棚的最下方，是未来乘客的主视点，必须考虑美观性因素；此外，考虑到受力最优和造价最低的因素，节点采用铸钢节点、类似人字形浮漂，具体尺寸如图6和图7所示。

图6 撑杆下节点构造图

图7 撑杆下节点轴测图

2.2.2 撑杆下节点有限元分析

为了确保设计的撑杆下节点满足受力要求，对设计的节点采用ANSYS12.0进行有限元分析。由于各荷载组合包络值小于拉索破断荷载的0.4倍，且考虑节点安全系数值为1.25，计算得到主索力为3265kN，分叉索力为1790kN，两个耳板同时考虑撑杆受力因素，分析结果如图8和图9所示。

图8 节点受力计算示意图

图9 节点Von-mises应力云图（单位Pa）

从图9中可以看出，节点的最大Von-Mises应力为189MPa，远小于铸钢材料的屈服强度。

2.3 单侧张拉法的屋面找形技术

单侧张拉法更易造成张弦梁结构的竖向不均匀起拱，同时构件（含索和节点）安装时容易产生索力松弛、张弦梁滑移等现象，导致屋面找形困难。经过研究决定：先利用有限元计算设计起拱高度值，再在张弦梁关键截面上布设监测点进行变形实时监测，然后将实测的变形值与设计的起拱高度值进行对比分析，最后根据需调整的张弦梁起拱高度值、利用有限元软件反算索力，从而确保屋面找形平顺。

2.3.1 有限元法计算张弦梁设计起拱高度

利用Madis软件建立张弦梁的三维有限元模型，输入预设的张拉力参数，计算（F-2/G）～（2/1-2/3）的起拱高度最大值如表1所示。

表1 张弦梁起拱高度最大值单位：mm

图10 1～6号索张拉至100%的竖向位移图

2.3.2 屋面变形的实时监测

建立张弦梁屋面变形的高程控制网，在每榀张弦梁的跨中截面贴莱卡60×60mm全站仪反射片，每次张拉结束后及时测量张弦梁起拱高度变化值。

图11 全站仪反射片布设现场照片

表2 实测起拱高度最大值单位：mm

由表1和表2可知，张拉后的起拱高度值普遍偏大，起拱幅度无明显渐变规律，可见实际的张拉力偏大，需适当调整索力值。

2.3.3 索力调整控制屋面找形

鉴于前期监测的起拱值无渐变规律、难以实现屋面平顺效果，因此需根据既有起拱情况、再利用有限元软件反算索力、并实施监测实际索力值大小。由于本工程拉索为平行钢丝束，外包黑色HDPEHE和白色PE，无法直接在拉索上布置传感器来测试索力。因此，采用油压传感器直接得到施工阶段的索力，现将（F-2/G）～（2/1-2/3）区域索力调整后的实测值与设计值列表对比如下。

表3 索力实测值与设计值对比表

图12 索力调整现场照片

索力调整后，再次观测屋面变形得知，屋面起拱变形范围为±5mm，实现了既定的找形目标。

2.4 单侧张拉法的撑杆偏位控制

单侧张拉法易引起撑杆向一侧倾斜、从而造成索力出现明显的不对称性，如果偏差较大，将直接导致张拉失败。因此，对撑杆对称性的控制就显得至关重要。为了实时监测索力的对称特性，在固定端同榀张弦梁的两根分叉索上安装加速度传感器，通过JM5930动态信号采集系统直接采集张拉力达到 60%时的受迫振动频率，（F-2/G）～（2/1-2/2）拉索振动频率如表4所示。