预应力钢结构采光顶施工平台的设计和实现

2022-12-11朱玉林

工程与建设 2022年5期

朱玉林

(安徽中亚钢结构工程有限公司，安徽合肥 230051)

0 引言

项目研究对象为安徽省六安市第一中学扩建项目图书馆玻璃采光顶，属于张弦钢桁架结构体系，预应力支撑体系为高强度合金钢拉杆。建筑结构顶点标高(相对于总图±0.000)为42.500 m，支座中心标高为35.200 m，结构平面尺寸为40.205 m×36.575 m，结构整体造型为不等边正放四角锥样式。主体桁架圆管采用Q460B低合金高强度结构钢[1]，预应力钢拉杆[2]采用GLG750(Ⅱ)合金钢，钢拉杆互为正交且交汇于铸钢铰节点，钢拉杆与桁架之间设置圆管撑杆。底部周圈杆件交汇处均设置抗震固定铰支座，共44只，整体结构透视图如图1所示。

图1 采光顶钢屋盖结构透视图

为了实现该采光顶的施工建造，需要在采光顶下方设置操作钢平台，利用钢平台堆放索杆节点配件和供施工管理人员行走。预应力张拉施工采用液压穿心式张拉千斤顶，拉杆张拉施工对操作平台结构体系的稳定性及变形限值有着较高的要求，设计选用何种类型的钢平台主体结构需要通盘考虑。

1 施工平台设计

1.1 设计思路

该项目屋盖正下方为三层楼面，标高为13.700 m，屋盖支座圈梁标高为34.500 m，屋盖四周还有一段混凝土斜坡屋面，如果采用外围汽车吊或履带吊需要较大吨位。经现场勘查比选预应力钢拉杆屋盖施工方案，分别比较研究了传统满堂脚手架[3][4]、常规H型钢梁[5]、柔性索网体系[6][7]、网架钢结构体系[8]四大类施工平台。

比较研究发现：

(1) 满堂脚手架平台较为常用，但施工工期长，且大量占用采光顶下方空间，影响其他专业的施工。

(2) 常规H型钢梁平台在大跨度情况下，用钢量很大，安装成本高，单个构件相对笨重，在拆除时因上方采光顶钢结构主体形成封闭空间的影响，拆除施工工艺上难以实现。

(3) 索网体系平面外稳定性差，钢拉杆预应力施工时存在较大的不利影响，不便于控制张拉操作，此外拉索支座节点要求高，前期并未考虑预埋件布置安装。

(4) 网架结构平台在本项目中优势较为明显，其加工安装工期短、装拆操作难度小、占用建筑空间少、稳定性好，直接经济费用亦较低，具有比较优势。

综上客观比较得出，选择利用既有土建施工作业塔吊并结合操作平台(主体用网架结构)是最优实施方案，能够在有限的工期内较为经济合理地完成项目施工。设计合理的钢网架支撑平台成为关键一环，必须结合项目土建施工图纸和考察复核现场尺寸，确保网架平台顺利安装，避免返工。

为了最大限度地减少对土建楼面的影响，钢网架平台设置5组跨中竖向格构柱，格构柱位置尽量选在三层结构面梁梁交汇点。网架格构柱支座采用H型钢调平，型钢梁放置在楼面结构混凝土梁正上方或跨越两根梁，最大限度减少对楼面板的影响。钢网架平台采用三层楼面支撑结合屋面圈梁支撑的方式，有利于控制网架平台的挠度变形和结构稳定，减小集中反力，有利于减小对混凝土主体结构的不利影响。网架平台上设置矩形管主次檩，满铺楼承钢板供施工人员操作使用和方便管理人员巡检，施工平台能确保安全可靠。

1.2 设计计算

选用上海同磊土木工程技术有限公司3D3S 2020空间结构计算软件，建立空间网架平台整体分析模型[9]，起步杆件D60×3.5，杆件材质选用常规的Q235B；起步高强度螺栓采用M20；起步螺栓球BS100；计算应力比控制为0.9，杆件长细比控制拉压杆均为180。网架平台模型投影面积约为1 450 m2，网架铰支座为简易十字形平板压力支座(共60只)，支座水平刚度取为0.3 kN/mm，近似模拟支座底板与混凝土的摩擦刚度，竖向刚度取100 kN/mm(型钢混凝土梁变形虽然很小，但刚度不是无穷大)。

网架结构自身最为重要的参数是网格三向尺寸，通常都是正放四角锥，也有部分项目采用斜放四角锥，两者都可以抽空设计，超静定结构网架抽空设计在某些项目上有较好的经济效益。

本项目平板网架采用变厚度设计，四周边界处稍薄，逐渐加大厚度，中间厚(格构柱围合面积范围)。从空间角度看网架，下弦杆(螺栓球节点)组合形成了气囊式造型。变厚度也就是变刚度，这种做法既考虑避免上弦支座处腹杆与支座处型钢混凝土梁的交涉，也是为了进一步节省材料，根据力学规律布置受力构件，结构布局合理高效。

考虑一定的施工堆载和不确定因素，恒荷载取值1.0 kN/m2，活荷载[10]取值2.0 kN/m2，夏季施工，考虑10 ℃的温差(相对于合拢时温度的±5 ℃)，屋盖桁架架设后受到风荷载的影响，与平台有联系的部位考虑风工况下的支反力作用，施工周期短不考虑灰荷载的影响。设计网架总用钢量约40吨，网架投影面积用钢量为27.5 kg/m2。计算模型轴侧图如图2所示。

图2 网架施工平台计算模型

计算时严格按照施工方案模拟加载顺序，多方面考虑屋盖钢结构施工时的堆放荷载工况，为了最大限度控制施工平台的挠度[11]，经多次方案比选，最优网格模型在上部结构施工时竖向挠度仅为10 mm，挠跨比接近1/1 000，如图3所示，有力地保证了钢拉杆预应力张拉施工[12]需要的客观条件。施工平台支座反力主要为竖向反力，水平反力每点均小于3 kN；经设计院复核验算，主体结构安全稳定，也验证了钢平台设计方案在技术上可行。

图3 网架施工平台理论计算挠度值

1.3 注意事项

由于采光顶屋盖固定铰支座密集，钢平台网架支座宜设置在屋盖支座之间且对称布置，为了避免平台与屋盖下部的碰撞，使用网架上弦支座，同时要结合BIM技术建立三维实体1∶1比例TEKLA模型，检查支座弦杆与型钢混凝土梁的空间关系，避免平台体系与土建结构物的碰撞交涉。

格构柱的设置需结合上方屋盖桁架临时支撑点位置，有利于分散较大的荷载。格构柱内侧在竖向一定位置(此项目为第三个网格处)布置一道斜杆，使格构柱轻微扭转现象得到进一步改善，提高钢平台的整体稳定性。

统一网架支座球径为BS150，以便于支座板加工，改善支座节点刚度不均匀现象；次檩与主檩之间，主檩与网架支托之间，支托与网架之间，均采用螺栓连接，减少焊接动火，以便于拆卸施工。

全过程宜采取网架主体结构无线监测，主要是变形数据观察，考虑到钢平台上部荷载工况非常多，难以全面考虑，辅以应力及变形监测确保平台运行时始终处于安全可控状态。

2 施工平台实现

2.1 钢平台的搭建

钢平台是项目预应力施工的关键，搭建质量尤为重要，项目部严格按照施工方案指挥，严格落实操作顺序和流程，注重节点构造细节，确保体系安全可靠。派驻设计人员全程跟踪，从结构理念上把牢安全准绳，如图4所示，钢平台顺利搭建就位。施工阶段对屋盖及平台实时监测[13,14]，测量数据显示实际情况与理论值吻合度较高，验证了理论计算结果具有一定的可靠性。

图4 采光顶施工平台有序搭建

钢网架从三层楼面开始由下而上组立拼装，只需要塔吊既能实现全平台安装(含檩条及平台面板)，节省了大量吊车费用，提高了既有施工设备的使用频率，一举两得，实现企业降本增效。

2.2 采光顶竣工效果

桁架结构撑杆及拉杆组装完毕，预应力分阶段分层次张拉，施工经验收合格后，按既定的拆除方案逆序拆除钢网架平台体系[15]。项目建设完成后采光顶观感效果良好，如图5所示，竣工验收时受到设计院及业主方的一致好评。项目得以安全高效的实施离不开项目部前期多次现场勘查和协调组织，离不开技术人员充分的施工模拟和准确计算。

该项目采光顶设计参考巴黎卢浮宫结构体系，双向预应力钢拉杆采光顶是省内乃至全国为数不多的工程案例，其设计难度和建造成本有异于一般项目，对设计(含施工方案设计)和施工水平都有较高的要求。

图5 采光顶结构竣工效果图

3 施工平台优化思路

3.1 设计优化思路

该项目施工平台在实施过程中发现一些问题，设计存在优化的可能[16,17]。平台支座数目可以减少，在支反力允许的情况下减小支座数目，结构变形不会有较大变化；格构柱及平台网架可以适当增加竖向网格尺寸，有利于提高安拆速度；主次檩可以考虑侧向搭接，有利于减小钢平台的净空高度，增加屋顶与平台间的操作空间，尤其是采光顶支座附近，倾角净空需要增大，项目实施时明显感觉空间不足，对预应力张拉有一定的影响。

钢平台的楼承板宜使用一定厚度的木工板[18]，钢楼承板在走动时会有一定的变形，且由于板材长度大、刚度小，对其高空吊装安拆时，明显迎风抖动，有一定的安全风险和隐患。

格构柱可以采用角钢格构式代替网架，角钢连接节点采用普通螺栓连接，易于拆除，不影响二次使用，减少网架钢结构耗材；格构柱也可以用成品支撑架，只需要支付租赁费，格构柱甚至可以用场地内塔吊标准节代替。

3.2 施工优化思路

该项目施工平台在安拆的过程中存在一些问题，施工顺序存在优化的空间[19,20]。由于土建设计和施工时没有考虑钢结构的施工方案(实际上前期施工安装方案也并未形成)，基本没有提前埋设预埋件，给钢结构的施工造成一定的影响；安装时钢平台网架宜分大块在地面组装，考虑利用建筑外围站立吊车分块吊装，或者分小块在塔吊能力范围内分块吊装，分块吊装比组炮(仅1个螺栓球及其连接杆件)吊装能更好地节约时间成本；拆卸时发现屋盖采光顶桁架梁对拆卸工作有一定的影响，经过采光顶释放塔吊绳索需要非常小心，类似采光顶施工平台的拆除工作需要更多的研究和思考，寻求更佳的路径，比如采取措施在钢平台中部设置小型拔杆(中部净空高度超过5 m)，分步拆除周边构件。