大跨度刚性张弦结构施工技术研究

钱少波

（中铁建工集团有限公司上海分公司，上海 200331）

1 工程概况

本项目钢结构形式为平面组合型弦支结构（双向弦支结构），平面为三角形，最大边长尺寸为67.2m，另两条边长约为47.5m。交通中心屋面天窗（三角形采光顶）为双向弦支结构，由大跨度（67.2m）三角形的边桁架、上层的双向焊接箱形钢梁、中间撑杆、下部双向钢拉杆、支座（单向滑动和双向滑动）组成，钢拉杆编号如图1 所示。

图1 钢拉杆编号

2 工程重难点

2.1 张拉施工的重点内容

（1）施工过程中着重注意的技术要点体现在制作钢拉杆、吊挂钢拉杆和预应力钢拉杆张拉过程。一些在制钢拉杆过程中无法达到的精度或产生的误差宜在施工过程中通过相关的技术手段进行弥补[1]。

（2）施工过程中应确定施工顺序，尤其是制钢拉杆和预应力过程的顺序。

（3）张力结构的施工应规定预应力过程的速率。因为在每一阶段预应力过程中，结构都经历一个自适应的过程，结构会经过自平衡而使内力重分布，形状也随之改变，所以预应力过程的监控十分重要。

（4）张拉结构的施工还需要注意结构的其他荷载施加过程，在后续的结构施工过程中，如屋面荷载、悬挂荷载的施加步骤和方法，要尽量保证比较均匀、对称、匀速地施工，避免出现过大的集中荷载。

2.2 张拉施工难点

（1）结构自身形式：本采光顶结构平面为三角形，且支撑在大跨度边桁架上，与一般对称性结构有差别，钢拉杆力分布也有所差别。

（2）边桁架变形影响：作为采光顶结构支座的边桁架，跨度较大，其结构挠度会引起采光顶处钢拉杆结构内力的变化，会造成钢拉杆力不均匀，增加施工阶段钢拉杆找力分析的难度，同时也会造成结构变形的不均匀。

（3）钢拉杆力需要考虑张拉阶段的脱架要求，又要考虑张拉完成后的反拱不能过大，同时，也要考虑张拉完成后，安装檩条、屋面玻璃后挠度的尽量合理。

3 施工工艺流程

3.1 钢拉杆的材料和组装

3.1.1 钢拉杆材料

（1）钢拉杆材料参数。

本工程钢拉杆采用建筑UU 型非等强合金钢杆体，杆体强度级别为550 级，屈服强度ReH≥550MPa，抗拉强度Rm≥750MPa，伸长率≥17%，断面收缩率≥50%，冲击功（纵向）≥39J（-20℃）。

（2）钢拉杆钢拉杆头形式。

建筑UU 型非等强合金钢杆体，每榀边跨的钢拉杆在支座侧均带有可调节端，每榀中间段的钢拉杆不带可调节端。

（3）锚具材料。

锚具、销轴和螺杆均为锻件，均采用合金结构钢，锚具的强度应符合钢杆破断后而锚具和连接件均不破断的准则。

3.1.2 钢拉杆组装

本工程拉杆包括二段杆体、两个叉耳式连接件和一个套筒式连接装置。

3.2 钢拉杆的安装

（1）钢拉杆、钢拉杆的连接节点和撑杆下料时严格控制精度，安装前按实际位置对每根钢拉杆、钢拉杆的连接节点和撑杆编号。

（2）应仔细核对钢拉杆、钢拉杆的连接节点、撑杆耳板的位置和方向，特别要注意与钢拉杆头及撑杆相连节点的耳板方向。

（3）钢拉杆安装前，需对调节套筒、连接棒等涂适量黄油润滑，以便于拧动。

（4）钢拉杆安装前须测定撑杆下节点安装误差，并根据径向钢拉杆的实际生产长度误差，调节钢拉杆长度，然后安装，以确保撑杆下节点的准确。步骤如下：①首先将径向钢拉杆中间的调节套筒调至合适长度，将钢拉杆上端与节点耳板相连。②将径向钢拉杆下端与撑杆下端节点连接好。③调节拉杆长并预紧钢拉杆[2]。

3.3 钢拉杆的张拉

3.3.1 张拉总体步骤

（1）遵循设计要求，张拉总体步骤如下：①预紧安装：根据屋盖的流水施工顺序，撑杆随相应榀钢屋架同时安装；待每榀屋架及撑杆安装完毕后，安装预应力钢拉杆，先对环向预应力钢拉杆预紧、调节找形；然后对预应力钢拉杆预紧。②张拉：纵向钢拉杆的张拉分二阶段完成。分为0→80%→100%[3]。

3.3.2 张拉总体原则

（1）单批次张拉分级：同批次钢拉杆张拉时应逐级施加拉力，分二级张拉。

（2）张拉顺序：从两边依次向中间对称张拉（先张拉单榀跨度较短的钢拉杆，再张拉单榀拉跨度较大的钢拉杆）。

（3）钢拉杆张拉控制项目及其目标。钢拉杆张拉控制采用双控原则：控制钢拉杆力和钢梁顶关键节点（撑杆对应钢梁节点）竖向变形。

（4）张拉时机：待边桁架、钢梁、撑杆和钢拉杆、钢拉杆连接节点安装完毕，且支座就位后，进行正式张拉。待全部张拉完毕后，安装檩条、玻璃等。

3.3.3 张拉机具

张拉工装和设备包括：液压千斤顶、油压表、油泵、油管、张拉螺杆、反力架等。

鉴于前两批次的单根钢拉杆最大施工张拉力约为400kN，因此选用YDCW240QX 型千斤顶进行张拉（一个张拉点的两台千斤顶的张拉力能达到48t）。

第三批次张拉时，单根钢拉杆最大施工张拉力接近700kN，单台千斤顶张拉力不小于350kN，当采购有困难时，可替换相应张拉力的千斤顶。

3.3.4 张拉流水施工顺序

考虑尽量减少张拉引起撑杆的偏移，并考虑张拉先后顺序对钢拉杆力影响，本工程钢拉杆的张拉顺序分为三批次，前两批次从两侧向中间张拉，第一批次，由T5 向T11、-T5 向-T11 张拉，第二批次，由T5 向T11、-T5 向-T11 张拉，每个批次为3 次对称张拉。张拉顺序如下图，两个批次各为3 次，每次采用8 台顶张拉，具体钢拉杆张拉顺序如图2 和图3 所示。

图2 第一批次钢拉杆张拉顺序（由两侧向中间张拉）

图3 第二批次钢拉杆张拉顺序（由两侧向中间张拉）

3.4 钢拉杆施工监测

3.4.1 监测内容和监测点

预应力钢结构钢拉杆预应力施工常规监测内容包括：钢拉杆力和关键节点位移。

（1）钢拉杆力监测点：各主动张拉点的钢拉杆力。

（2）关键节点位移监测点：变形监控位置为支座水平位移以及各榀钢拉杆对应跨中的竖向位移。

3.4.2 监测方法和设备钢拉杆力监测

（1）钢拉杆力监测。

对于正在张拉的主动张钢拉杆拉力控制采用配套标定的千斤顶现场张拉的千斤顶均在有资质的实验室与油压表进行配套标定。

（2）位移监测仪器——全站仪。

采用全站仪可直接由控制点进行三维放样，可达到很高的精度效果。

3.5 张拉过程各工况分析

本工程属于双向张弦结构，钢拉杆张拉需考虑多钢拉杆分批张拉相互间的影响，采用分批对称张拉，同时有效减少撑杆偏位[4]。

根据本工程的钢屋盖的施工安装顺序，结合钢拉杆张拉顺序，并用软件迭代计算，确定分9 步比较合适，第一步均前一步分析的基础上完成，具体如下。

（1）工况Stage1：钢梁+撑杆+钢拉杆的自重（1.1 倍）。

（2）第一批次张拉为工况Stage2~Stage4。

工况Stage2：同时张拉GLG-8、GLG-9、GLG-17、GLG-18。

工况Stage3：同时张拉GLG-5、GLG-7、GLG-14、GLG-16。

工况Stage4：同时张拉GLG-1、GLG-4、GLG-10、GLG-13。

（3）第二批次张拉为工况Stage5~Stage7。

工况Stage5：同时张拉GLG-8、GLG-9、GLG-17、GLG-18。

工况Stage6：同时张拉GLG-5、GLG-7、GLG-14、GLG-16。

工况Stage7：同时张拉GLG-1、GLG-4、GLG-10、GLG-13。

（4）工况Stage8：张拉完成后，拆除支撑，脱架。

（5）第三批次张拉，张拉力为脱架后的确认钢拉杆拉力，张拉力为脱架后的钢拉杆拉力，张拉顺序同第一批次的张拉顺序，需待采光顶处结构完全脱架后，方可进行张拉。

工况Stage9：在工况Stage8 基础上，增加檩条及屋面玻璃荷载。

第一批张拉和第二批张拉分次张拉的钢拉杆力，以及张拉过程中钢拉杆力变化情况。第三批次的张拉力为脱架后的确认钢拉杆拉力，需待采光顶处结构完全脱架后，方可进行张拉。

施工全过程位移分析：第一批次张拉结束后，撑杆处的竖向位移均为向上，最大为4.5mm，第二批次张拉结束后，撑杆处的向上最大位移为6.1mm，均为向上，说明在张拉完成后，撑杆处的已经脱架。第三批次张拉，仅为防止脱架引起的钢拉杆拉索拉力松弛，位移参照Stage8 工况下位移。

但在拆除支撑后，位移有明显变化，边桁架由于跨度较大，且作为三角形采光顶的支座，边桁架在自重（包括三角形采光区）作用下，在跨中处最大达到了231.6mm，在安装完檩条及屋面玻璃后，在跨中处最大达到了312.9mm，同时会引起三角形采光顶区域相应变形。原蓝图中已经注明，边桁架应预起拱100mm，来减少边桁架的变形，是十分必要的。经预起拱后，下挠量=312.9-100=212.9mm，规范容许值67200/250=268.8mm＞212.9mm，变形在容许值范围以内。从计算结果表可以看出，在安装完檩条及屋面板后增加的竖向位移（相对于拆除支撑后的位移）增加了约81.3mm，说明檩条和玻璃自重对竖向位移增加幅度较小，同时说明，三角形区域结构刚度较大，钢拉杆的张拉力能满足要求。

在安装完成屋面玻璃后，钢梁、撑杆及钢拉杆的应力比均小于0.65，从计算结构看，预应力对三形角采光顶钢梁受力有较好改善作用。

4 结语

本研究对双向张弦结构施工全过程进行分析计算，并给出了钢拉杆张拉顺序、钢拉杆张拉力、张拉过程中的钢梁关键点的变形值、钢构件的应力比。采取“分段安装→拉索后装→初张拉→终张拉”的施工方法，取消整体拼装工序，减少工装措施费，节约资源，降低造价，同时增强了双曲采光顶的安全性能。