铁路站场雨棚张弦梁钢结构单侧张拉施工监控的相关技术研究①

彭仪普，邓群，李卓峰，2，林祥德

(1.中南大学土木工程学院，湖南 长沙 410075;2.浙江大学岩土工程研究所，浙江 杭州 310027)

张弦梁结构(Bean String Structure，简称BSS)是近年来发展应用的一种新型大跨度空间结构体系。它由撑杆连接抗弯受压构件和抗拉构件构成，并通过在抗拉构件上施加预应力从而减轻压弯构件负载而形成自平衡体系，是一种半柔性结构［1］。

大跨度张弦梁结构施工技术包括结构拼接、拉索连接、撑杆和拉索吊装、预应力张拉以及施工监控，其中预应力张拉是整个施工关键技术。预应力张拉顺序、张拉分级都会影响到结构受力。本文针对宁波铁路南站改造工程施工由于受既有线运营的影响，其站场雨棚张弦梁钢结构采用单侧分级跳拉的施工方案，分析其施工和监控过程的关键技术。

1 工程概况

宁波铁路南站改造工程位于浙江省宁波市海曙区，在主站场的东西两侧各有一个顺轨向长147 m、垂直轨道向宽184.95 m的无站台柱钢结构张弦梁雨棚，总建筑面积54375.3 m2。张弦梁雨棚结构呈平板状，三跨连续拱状，屋面标高15.00 m，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3×8.00 m×40.85 m(40.80 m，37.85 m)。其中东西向和南北向弦梁都为箱形梁;索承系统为一组1670级φ5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199×φ5，分叉索型号为109×φ5，撑杆为φ194×7的钢管。张弦梁雨棚如图1和图2所示。

图1 单个张拉单元示意图Fig.1 Diagram of single tensioning unit

图2 西区张弦梁雨棚轴测图Fig.2 Axonometric drawing of bean String Structure

由于该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，部分跨线雨棚结构不能一次成跨，致使张弦梁结果只能单侧张拉拉索。为了研究单侧张弦梁施工工艺，特选用西区北边第一跨3个张拉单元作为试验段，进行施工技术研究。

2 单侧张拉施工方案

2.1 总体方案

钢管柱吊装好后进行钢柱脚手架搭设，后进行东西上弦梁、横杆和檩条的安装。完成弦梁安装后，根据设计吊装索体构件，并分级张拉，同时用全站仪实时监测张拉产生的结构上拱，根据监测结果和仿真模拟结果对比调整张拉力。完成一个张拉区段施工后进入下一个区段施工。完张拉成后，进行端部钢梁灌浆、天沟及屋面板安装。

2.2 预应力方案

预应力方案选用单侧分级跳拉法进行张拉。具体为:采用4套600 kN的张拉设备(含千斤顶、油泵、压力表)对相邻的2榀梁进行单侧跳跃式张拉，每次同时张拉南向张拉端的2根分叉索，张拉力分2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%。具体张拉情况如图3所示(S1～S18表示张拉端分叉索)。

图3 单侧张拉走向示意图Fig.3 Alignment diagram of unilateral tension

2.3 施工监控方案

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(L1～L10)和拉索结点(J1～J18)贴Leica 60 mm×60 mm全站仪反射片，每次张拉结束后及时使用全站仪(Leica TCRA1201+)测量张弦梁起拱高度和撑杆形位变化值。具体的测点布置如图4。

图4 监控点布置图Fig.4 Alignment of arrangement for monitoring point

3 施工过程仿真模拟

3.1 仿真模型

利用midas/civil对试验段进行模拟计算。该试验段南北跨度为40.850 m，东西为3跨，跨度为24.000 m。

图5 计算模型Fig.5 Calculation model

钢－混凝土柱截面是φ1000×20的Q345B钢柱内灌微收缩的C40混凝土;拉索是强度不低于1670 MPa的低松弛镀锌钢绞线，主索和分叉索截面面积分别为3907 mm2和2140 mm2，弹性模量取1.9×105MPa;其余的钢结构都采用Q345B钢材，弹性模量都取2.1×105MPa，东西向弦梁截面尺寸(单位均为mm)为B1000×700×35×12，南北向弦梁1截面尺寸为B800×350×12×26，南北向弦梁2截面尺寸为B800×350×10×18，横杆截面尺寸为B400×150×6×6，西侧边跨檩条截面尺寸为B400×150×6×6，其他檩条截面尺寸为B220×150×6×6，撑杆截面尺寸为 φ194×7。在模型中拉索采用索单元，撑杆采用桁架单元，其他构件都采用一般梁单元，模型见图5所示。

在试验段施工时，结构只受到自重、拉索预应力和边跨3榀梁灌浆荷载作用，模型工况和荷载情况见表1。其中灌浆加载72 h后并不考虑砂浆强度，仅考虑配重质量为3.0 kN/m的作用。由于张弦梁结构考虑几何非线性效应的结果和线性分析结果非常接近［2］，并且只受静荷载和预应力作用，因此，本文仿真模型仅考虑线性分析。张拉各工况如列表1所示。

表1 工况列表Table 1 Lists of stages

3.2 模拟计算结果与监测数据对比

3.2.1 跨中节点位移对比

在张弦梁结构中，拉索张拉会引起结构的上拱，最终张拉完后，结构产生预拱度。张弦梁结构就是通过拉索张拉后的预拱度抵消结构上部如屋面恒载、活载等产生的竖向位移。因此，每步张拉产生的结构上拱的控制十分重要。通过模型分析和实际施工监测数据对比，得出相关结论，为以后工程积累经验。

由于节点、工况多，为了清晰地观测分析模拟计算结果和实际监测值的关系，选取各工况下L1和L5节点以及第一级(Stage3，Stage12)张拉和第2级(Stage5，Stage15)张拉的各跨中节点模拟计算竖向位移和监测竖向位移的数据进行对比分析。结果如图6、图7所示。

由图6、图7可看出，考虑测量误差(反射片模式误差±2 mm)，模拟计算结果和实测值比较吻合，但总体看模拟计算结果比实际情况的位移偏大。究其因，实际弦梁截面中施焊了横隔板和加劲肋，而在模型中没有加以考虑，因此实际截面的抗弯刚度要比模型截面的要大。故实际张拉过程产生的预拱度都小于模拟计算结果。此外，在Stage20工况，模型计算时采用设计荷载3 kN/m对西侧边跨3榀梁进行加载来模拟实际灌浆荷载，而实际灌浆荷载并没有达到设计荷载值，这也导致了灌浆72 h后的竖向位移小于模拟计算结果。

图6 L1和L5节点竖向位移计算值和监测值单次变化对比Fig.6 Computed values and measured data of L1，L5 node

图7 跨中节点竖向位移随工况单次变化对比Fig.7 Single variable displacement contrast of inter node with stages

从图6可以看出，中间弦梁跨中节点L5峰值数目是边跨跨中节点L1峰值数目的2倍，说明影响中间弦梁的拉索区域大，影响两边跨弦梁的拉索区域小。从图7也可以看出，张拉边跨拉索的工况(Stage3，Stage5)峰的开口宽度是张拉中间拉索的工况(Stage12，Stage15)峰的开口宽度的0.5倍左右，说明索张拉对其相连的两榀梁和其左右各1榀梁影响较大，且越靠近张拉索的梁受影响越大，如第2级张拉S9和S10时，L4～L7节点位移分别为4.7，23.2，24.0 和 7.4 mm，其中索 S9 和 S10 所在张拉单元节点L5和L6的竖向位移最大。

3.2.2 撑杆结点空间形位变化对比

在张弦梁结构中，分叉索、主索和撑杆通过“刚性”结点连接，在施加预应力时，结点空间形位发生变化。在设计和施工时若不加以考虑这一变化，会影响撑杆的受力和美观。尤其是撑杆顺着主索方向的形位变化过大，将造成撑杆不垂直于地面和弦梁，影响美观，同时也易失稳，让人产生不安全感。因此，研究撑杆结点空间形位变化是很有必要的。

为了清晰分析数据，选取边跨拉索结点J1和J2、中间跨拉索结点J9和J10进行分析。撑杆结点空间形位计算值和监测值比较如图8～10所示。

图8 J1，J2，J9和J10结点X方向(东为正)单次变化对比Fig.8 Single variable displacement to X direction contrast of J1，J2，J9 and J10 node

图9 J1，J2，J9和J10结点Y方向(北为正)单次变化对比Fig.9 Single variable displacement to Y direction contrast of J1，J2，J9 and J10 node

图10 J1，J2，J9和J10结点H方向(上为正)单次变化对比Fig.10 Single variable displacement to H direction contrast of J1，J2，J9 and J10 node

由于张弦梁结构自身特点，根据其不同受力状态定义:①零状态，无预应力的放样状态;②初始态，无外部荷载作用时的空间形体以及预应力分布;③工作状态，外部荷载下的荷载状态［3］。在模型中，吊装撑杆和拉索后形成的结构处于零状态;而实际施工时，拉索并非处于零状态，而是松弛状态。

从图8～10可以看出，模拟计算值和实际监测值大体一致，除第1级张拉工况外，其他工况下模拟计算值都比实测值大。究其因，在施工时，施加第1级预应力前拉索处于松弛状态，模型却处于零状态，并且结点存在一定形变和连接处存在间隙，因此施加第一级预应力时，结点位移远大于模拟值，在X方向大10 mm左右，在Y方向大200 mm左右，在H方向大10 mm左右。在第1级张拉完后，索体绷紧，在施加第2级预应力时，由于模型中上弦梁没有考虑横隔板和加劲肋，直接导致了模拟计算值稍大，但各方向变化值都在10 mm以内。

从图8可以看出，结点X方向位移随工况起伏变化，说明拉索张拉对结点X方向形位变化影响明显，但是其变化幅度不大，均不超过8 mm。若再考虑索体松弛的影响，其最大值为15 mm。这么小的形位变化在施工时完全可以忽略。

从图9可以看出，结点位移主峰值均出现在结点本索施加预应力的工况，如施加索S9和S10第1，2级预应力时本索结点J9计算位移值分别为－20.6 mm和－7.9 mm，其他工况位移值几乎都小于2 mm。这说明结点Y方向位移变化主要影响因素是本索预应力的施加。此外，J1位移大于J2，J9位移大于J10，且均出现在张拉结点本索的工况，说明张拉端结点Y方向位移大于固定端结点位移，相对位移量于拉索力有关。通过对比研究，发现相对位移量很接近主索受拉产生的变形。如S9和S10第2级张拉工况的J9实测值比J10实测值大4.7 mm，主索拉力增大209 kN，相应的主索伸长量为4.4 mm。因此，同一索体上2结点Y方向相对位移主要是由主索受拉伸长引起的。这一特点也是单向张弦梁结构特点之一。

从图10可以看出，J1和J2，J9和J10的 H方向位移曲线几乎重合，说明同索体2结点H方向相对位移几乎为0。另外，结点竖向位移曲线都有3个峰值，说明索张拉对其左右相邻索H方向形位变化有影响。

4 结论

(1)单向张弦梁拉索张拉时，对其相连的2榀梁和其左右各1榀梁位移影响较大，且越靠近张拉索的梁受影响越大。在施工时，应该采取分段施工和分级张拉的方法，以减小拉索张拉对结构不利的影响。

(2)单向张弦梁结构中撑杆结点X方向的形位变化对拉索张拉敏感度高，但变化值小，在施工时可以忽略。而对于撑杆结点H方向的形位变化受本索和左右相邻索张拉控制，并且同索体2结点H方向相对位移几乎为0。由于不产生相对位移，故在施工和监测时，撑杆结点H方向位移可不作为监测重点。

(3)单向张弦梁结构中撑杆结点Y方向形位变化大，只受本索体张拉影响。并且张拉端和固定端结点存在相对位移，相对位移量由主索受拉伸长控制。此外，还存很大由于索体松弛而引起的结点Y方向位移增量，本工程该增量为200 mm左右。因此，为了使撑杆垂直弦梁和地面，在设计和施工时，结点放样位置要预留索体松弛引起的Y方向形位增量和结点Y方向的形位增量。

(4)分级张拉拉索可以减小对已张拉结构的影响，但是分级过多会影响施工进度，并增加成本。因此，张弦梁结构分2～3级张拉较合适。

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