索网结构悬空操作平台施工技术研究

2018-01-23冯庆敏魏从高张意管立平张宇

重庆建筑 2018年1期

冯庆敏，魏从高，张意，管立平，张宇

（1重庆建工住宅建设有限公司，重庆 400015；2徐州通域空间结构有限公司重庆分公司，重庆 400060）

1 工程概况

重庆某广场钢结构玻璃顶盖项目工程采光顶球壳（如图1所示）建筑面积为870m2，球壳单体表面积1670m2，结构形式为球面网壳，节点形式为相贯节点，支撑形式为纵向多点支撑。屋盖结构支座均设置在下部混凝土框架柱顶，支座上部由短柱与环形钢梁焊接连接。该钢结构工程为单层球面网壳结构，球壳半径为36m，异型桁架最高点距离地面约为40m。

图1 钢结构玻璃顶盖项目

2 施工难点和技术确定

传统脚手架方案费用是与搭设脚手架体积呈线性增长，体积在超过一定限额时，所使用的材料也会依实际情况上浮，人工也会依实际情况增加[1]，因此整体费用偏高；传统脚手架方案在施工过程中也随高度增加，危险度会相应增加而施工效率相应降低。

球面网壳结构如图2、图3所示，该工程若采用满堂脚手架对采光顶结构进行施工，则脚手架的搭设高度将达到将近40m，需要耗费大量的人力物力，且危险性高，经济效益较差。鉴于此种情况，在细致考察了施工现场条件，并经过细致的分析论证后，最终决定采用搭设悬空操作平台进行采光顶结构的施工。

图2 球面网壳剖面图

图3 球面网壳施工图

悬空操作平台是一种网状复合承重的综合结构，该结构体系由钢索网、槽钢、木胶板、竹跳板等构件组成。钢索网作为主要承重结构（如图4所示）由固定于周围支点的预应力钢索交织形成，钢索位置可通过做圆的内接等边三角形，以旋转角度为13.3°，旋转生成九个相同的等边三角形，三角形各边即为钢索布置位置。而后在索网上依次铺设槽钢、木胶板、竹跳板，并增设其他附属设施，从而形成完整的悬空操作平台。该平台可大大减少施工脚手架的搭设成本，缩短施工周期，确保了大空间高空施工的顺利开展。

表1 钢索选型表

图4 索网结构示意图

3 力学计算

悬空操作平台的主体受力结构为钢丝绳交织形成的索网结构，作为柔性结构其初始刚度取决于施加的预拉力大小，若要使最终的操作平台满足施工安全及使用要求，就需要同时对索网结构在最不利荷载条件下的受力和变形进行限制[2]，并在此限制条件下通过优化分析选出最符合要求的钢丝绳型号以及对应的所需施加的预拉力大小，从而指导实际的平台搭设，在理论上保证悬空操作平台的安全性和适用性。

采用通用有限元软件ANSYS建立索网的有限元模型，钢索采用LINK10单元模拟（Tension only），有限元模型如图5所示。

在受力和变形的双控指标下，通过迭代优化分析，最终得到了满足工程要求的索网型号及所需施加的预拉力大小。此外，为了增加该工法的适用范围，还补充计算了结构跨度从18～42m时的钢索选型和预拉力大小，以及钢索固定点的最小承载力，限于篇幅，本文仅给出了30～36m时的选型结果，如表1所示。

4 施工工艺

4.1 工艺流程（如图6）

4.2 平台搭设

4.2.1 现有结构条件判定

检查现有结构是否具备钢索的支承条件[3]。索网在现有圆形结构上应具有等间距的支承点，且支承点应满足一定的承载力要求。

（1）现有结构满足要求：现有结构满足索网支承条件，此时可直接进行后续的方案设计。

图6 工艺流程

（2）现有结构不满足要求：在现有结构上增设索网结构临时支承点，可采用焊接临时支点或增设其他临时锚固措施，并保证临时支承点的承载力要求，之后方可进行后续施工。

4.2.2 索网张拉

（1）在方案选定和现场准备工作完成的情况下即可进入平台主体受力索网张拉过程。

（2）主受力索的预张力最大不超过40kN，利用小型预应力张拉千斤顶、电动葫芦导链等设备进行张拉。

（3）张拉的内力控制方式可以通过张拉设备设定设计张力来控制，或者根据钢索截面型号及说明书要求，来控制拉索的内力。

（4）钢索张拉设备采用千斤顶和配套油泵。根据设计和预应力工艺要求的实际拉力对千斤顶、油压传感器进行标定。实际使用时，由此标定曲线上找到与控制张拉力值相对应的值，并将其计算打印成表格，以便操作和查验。

（5）根据现场施工条件，可以采用逐次单根张拉或多根同时张拉的方式进行。索网张拉应根据方案对称张拉施工。

（6）施工平台可能进行焊接施工，索端与锚固点之间应有绝缘措施。

（7）钢索与钢柱钢梁接触部位增设枕木和胶皮垫（增大受力面积，减小压强），该位置从上到下（外到内）依次顺序为钢索→枕木→胶皮垫→钢柱（梁）。枕木和胶皮垫下方焊接下脚料作为支托，防止其受力后产生滑移。

4.2.3 辅助受力构件及附属设施搭设

索网架设完成后，方可进入施工操作面辅助构件铺设。

（1）采用钢丝绳U形卡将钢丝绳相交处两根钢丝绳固定在一起，保证钢丝绳节点的稳固，从而保证钢丝绳交织形成可靠的索网结构。

（2）铺设槽钢作为“受力次梁”，按照实际情况需求确定槽钢铺设间距（一般约为1～1.5m），在槽钢端部钻孔穿铁丝将其与钢索进行绑扎，槽钢与钢索通过在槽钢上钻孔，用铁丝（或卡扣）穿过钻孔将钢索与槽钢牢固绑扎固定，并进行防滑处理，可在绑扎处缠绕橡胶带或布条等增大绑扎处的摩擦力，保证绑扎牢固可靠。

（3）槽钢设置完成后，为满足施工安全需求，在索网下方、施工平台外围增设施工安全防护网，防止异物坠落。

（4）铺设木胶板和竹跳板。施工中应采取措施保证木胶板和竹跳板的稳定。一般可以在木胶板上钻孔穿铁丝将其与槽钢固定[4]，竹跳板可以直接与钻孔后的木胶板绑扎固定，如图7、图8所示。铺设木胶板和竹跳板时应一端朝圆心均匀铺设，尽可能减小板与板之间的空隙，平搭在主体结构一端的木胶板与竹跳板除与下部槽钢间绑扎固定外，还应与周边结构进行绑扎固定，具体可通过在木胶板与竹跳板上钻孔，用铁丝与主体结构进行绑扎固定，或根据具体的施工情况，采用可靠的方式进行固定。用于绑扎槽钢的铁丝直径不小于3.5mm。

图7 木板与槽钢连接示意图

图8 竹跳板与木板连接示意图

（5）增设平台临边防护措施。可通过在临边槽钢焊接三角支架（如图9），而后在支架上焊接钢筋从而形成临边护栏（如图10），在平台下方布置安全防护网。

图9 临边槽钢上焊接临时护栏

图10 焊接钢筋后整体护栏示意图

（6）由于索网平台虽然承载力足够但施工过程中在施工荷载作用下依然存在一定的挠度。为进一步减小索网平台的挠度，在上部穹顶的主受力钢梁架设完成的条件下，可以利用上部结构的承载能力，在钢索最内圈与主梁投影相交的位置分别增设竖向拉接导链，如图11所示，从而进一步减小施工平台索网挠度，保证施工平台的水平度，竖向拉接导链与主梁的连接可采用在主梁上焊接临时构件（如将钢筋加工成U形焊接在主梁上部），将导链绕过主梁，通过临时构件的辅助从而与主梁可靠连接。导链与索网的连接则应选择索网节点处作为连接部位，可在该节点部位缠绕橡胶带等，增大节点部位摩擦力，将导链牢固缠绕并固定于索网节点处。施工平台搭设完成后如图12所示。