螺旋吊拉钢结构景观坡道施工技术

孙玉涛 胥献忠

1 工程概况

某体育场馆绿化屋面结构形式为“格构柱+空间桁架”，最大跨度为72 m，最大悬挑长度16.4 m，由10 组异形格构柱、屋面钢桁架、张弦梁、螺旋吊拉钢结构景观坡道及其顶部造型和预应力吊索等组成，屋面板为钢筋桁架组合楼板。螺旋吊拉钢结构景观坡道为倒三角桁架通过预应力吊索悬挂于屋面桁架结构上，高度33.75 m，中间无立柱，整体造型新颖独特(图1)，但结构十分复杂，施工难度极大。

图1 螺旋吊拉钢结构深化模型（来源：作者自绘）

2 工程特点与施工重难点

2.1 工程特点与结构体系

根据结构受力特点以及建筑造型和功能要求[1]，螺旋钢结构的吊拉钢结构景观坡道分为4 个部分：第1，螺旋形钢结构，采用倒三角桁架结构；第2，预应力吊索，采用一端可调的1670级高钒索；第3，调谐质量阻尼器，防止产生共振；第4，钢筋桁架楼承板及混凝土。

2.2 重难点分析

2.2.1 深化设计

钢结构、索结构、减振设置等均需进行深化设计，种类繁杂；钢结构模型需与索结构和外创表皮模型进行合模，精度要求高。

2.2.2 双曲环梁加工

坡道主体为螺旋钢桁架，两侧钢梁为双曲构件；空间弯扭构件的制作难点是零件成型质量和效率，空间定位精度控制。

2.2.3 索结构施工模拟分析

螺旋坡道作为钢结构和索结构的组合结构体系，索结构的张拉顺序、张拉力值控制及张拉过程中的安全性分析是重点。

2.2.4 减振设置

螺旋坡道因其轻盈的结构形式，其自振频率较低，阻尼小，很容易在行人等外界荷载激励作用下产生人桥共振或抖振的现象，减振研究及设置十分重要[2]。

2.2.5 支撑胎架

螺旋坡道由下向上盘旋三圈半，结构竖向空间存在重叠，且结构下方存在隧道结构、结构顶板及二层板面，胎架支撑面高低不一，胎架设计及安装困难。

2.2.6 楼承板封闭

螺旋坡道板面两侧为双曲钢梁，在进行钢筋桁架楼承板铺设时，双曲圆弧边缘封闭和变形控制措施是施工的难点。

2.2.7 混凝土浇筑

螺旋坡道呈椭圆形由下向上盘旋三圈半，大坡度混凝土浇筑质量控制是难点。

2.2.8 预应力吊索施工难度大

本工程结构体系复杂，由螺旋钢桁架与预应力吊索组成的新型组合体系。结构的位形受拉索索力的影响巨大，“形”与“力”是逐一对应的关系，因此需要对结构的预应力施工过程做全过程分析模拟，以确定合理的拉索张拉方案[3-5]。

3 螺旋吊拉钢结构施工过程分析

3.1 预应力吊索安装分析

采用有限元分析软件，根据设计文件及施工工艺对螺旋吊拉钢结构景观坡道索结构施工过程进行力学分析，提取结构响应，验证过程中的结构安全性，并提供索张拉施工及监测参数。

螺旋坡道主结构的施工工况1 ～工况13 的具体划分为：

1）架设胎架，安装钢结构；2）自上而下，依次进行螺旋坡道第1 根拉索的张拉；3）进行螺旋坡道第2 根拉索的张拉；4）进行螺旋坡道第3 根拉索的张拉；5）进行螺旋坡道第4 根拉索的张拉；6）进行螺旋坡道第5 根拉索的张拉；7）进行螺旋坡道第6 根拉索的张拉；8）进行螺旋坡道第7 根拉索的张拉；9）进行螺旋坡道第8 根拉索的张拉；10）进行螺旋坡道第9根拉索的张拉；11）进行螺旋坡道第10 根拉索的张拉；12）进行螺旋坡道第11 根拉索的张拉；13）胎架卸载，结构成型；吊索布置图如图2 所示。

图2 吊索布置图（来源：作者自绘）

通过有限元软件模拟，得到拉索的索端施工张拉力值（见表1 中的理论索力）及张拉过程结构响应值。施工过程中结构最大上挠23.8 mm，施工过程中结构最大下挠37.0 mm，施工过程中的最大索力为304.7 kN。胎架卸载，结构成型后；施工过程中钢构的最大组合应力为-148 MPa，处于弹性应力状态，结构安全。

表1 油压表读数对应表

3.2 减振分析

螺旋吊拉钢结构景观坡道造型新颖且自重小，该结构类型自振频率低、阻尼小，极有可能落入激励荷载频率范围内而引起共振，引起使用者的恐慌[6]。为降低结构在人行荷载激励下的振动，提高行走的舒适度和安全性，采用有限元软件进行仿真模拟，确定调谐质量阻尼器（Tuned Mass Damper，TMD）的配置点位(图3)、数量及产品参数。

图3 TMD 布置图（来源：作者自绘）

4 施工方案

4.1 螺旋钢结构施工方案

螺旋钢桁架安装遵循“地面拼装，高空吊装，散件补档”的思路。根据螺旋吊拉钢结构景观坡道钢结构模型进行深化设计，确定螺旋坡道安装时胎架布置位置、胎架高度、顶部工装及胎架数量等，为现场安装提供依据。特别的，根据螺旋形钢桁架盘旋上升结构形式，结合现场施工条件及吊装分段位置，设计了一种新型双层门字形胎架结构形式（图4），有效解决了有限空间异形结构支撑体系布置难的问题，节约了措施费用。螺旋钢结构共分为23 个吊装单元，在地面采用专用拼装胎架拼装完成后，用塔吊吊装，全过程采用高精度全站仪进行监测，保证安装精度。

图4 支撑胎架（来源：作者自绘）

4.2 预应力吊索施工方案

螺旋钢结构安装完成后，进行预应力吊索安装，遵循“塔吊及卷扬机配合，自上而下逐根张拉”的思路。吊索最大施工张拉力为234.7 kN，鉴于此，选用YCW15B 型穿心式千斤顶进行张拉，2 台千斤顶并联在一个张拉点能达到480 kN 的张拉能力。

根据螺旋坡道拉索施工索力表中的索力，结合千斤顶的校验数据，将索力值换算为油压表的读数，作为现场实际施工控制参数（表1）。

吊索采用分级张拉，并记录张拉过程数据。考虑到施工损失等原因，最后一级张拉采用超张拉施工，张拉力提高5%。

4.3 临时支撑胎架卸载

三维空间螺旋形钢桁架与预应力吊索的组合结构体系，结构受力复杂，通过对吊索在工况12 下的施工模拟，分析各胎架位置结构位移变化及钢结构应力变化，胎架位置处结构竖向位置变化值为-14.6 ～16.8 mm，钢构的最大组合应力为-145.5 MPa，处于弹性应力状态，结构安全。

根据张拉完成后的竖向位移图，对吊索张拉完成后未能卸载的胎架，需进行二次主动卸载。其余胎架的竖向位移均为正值，无需二次主动卸载。根据施工模拟，确定胎架卸载时间为吊索安装完成后，正式张拉前。张拉前割除所有胎架支点，使螺旋坡道处于一个搁置在胎架上的状态。支撑胎架根据吊索张拉顺序依次卸载。

4.4 钢筋桁架楼承板施工方案

楼承板施工工艺流程如下：

施工准备—内外侧支撑及底模安装—楼承板安装—栓钉焊接—附加钢筋敷设—缝隙处打胶—隐蔽验收—混凝土浇筑螺旋坡道楼承板铺设方向：平行于螺旋坡道。为提高切割质量，保证楼承板安装质量，采用等离子切割机对底模及楼承板进行切割。混凝土采用优化配合比后的自密实商品混凝土。针对坡道板厚较小，钢筋较密的特点，粗骨料采用10 ～20 mm碎卵石，砂采用中砂，砂子的含泥量不得超过5%，石子的含泥量不得大于3%，坍落度控制在120 ～140 mm。

根据螺旋坡道结构曲率及坡度，螺旋坡道混凝土浇筑采用“从下向上、分段跳浇”方式，将坡道部分为21 个浇筑段，间隔浇筑混凝土—先浇筑第1，3，5，7，9，11，13，15，17，19，21 段混凝土，间隔7 天后，再浇筑 第2，4，6，8，10，12，14，16，18，20 段混凝土，相邻段混凝土按施工缝处理。

4.5 调谐质量阻尼器（TMD）调试

调谐质量阻尼器（TMD）在楼承板铺设完成，混凝土浇筑完毕且达到一定强度后再进行调试，TMD 调试步骤：第1，结构自振频率测试。用脉动法测试结构基本自振频率，以此作为TMD 调试的基准频率。测试时禁止周围人员走动和施工作业。第2，无控情况下结构响应测试。在无控状态，测试结构在16 人行走、16 人慢跑、8 人快跑工况下结构的竖向加速度。行走和跑动时均分为2 队。行人的慢走频率为竖向，约2 Hz；快走频率约为2.4 Hz；慢跑动频率为竖向，约2.7 Hz。快跑频率为竖向，在约3.1 Hz 的激励下结构响应，并通过人员的主观感觉及振动加速度数值来评价舒适度。第3，有控情况下结构响应测试。在有控状态，测试结构在16 人行走、16 人慢跑、8 人快跑工况下结构的竖向加速度。行走和跑动时均分为2 队。行人的慢走频率为竖向2 Hz，快走频率约2.4 Hz，慢跑动频率为竖向2.7 Hz，快跑频率为竖向3.1 Hz 的激励下结构响应，并通过人员的主观感觉及振动加速度数值来评价舒适度。第4，TMD 控制效果评价。首先确定结构的自振情况，然后对比有控与无控状态，在单人和多人激励下的振动情况的测试结果，并与规范限值（≤0.5 m/s²）进行对比。若加速度峰值在舒适度要求的限值之内，则说明TMD 的安装是有效果的。

调谐质量阻尼器调试结果显示，坡道振动越厉害，TMD 效果越明显。无论步行还是跑动，TMD 都起到了较好的减振效果。TMD 步行效果优于跑动效果，原因为步行频率与受控频率更接近。根据《建筑楼盖振动舒适度技术标准》（JGJ/T 441—2019）[7]的要求，在测试工况下坡道的加速度反应均满足加速度≤0.5 m/s²的要求。

5 结语

通过对预应力吊索施工全过程进行模拟分析，确定了吊索的施工方案，得到了张拉过程中各工况下的结构响应及吊索施工张拉值，为现场施工提供了依据，保证了施工过程安全。

通过仿真模拟分析，为螺旋吊拉钢结构景观坡道配置了调谐质量阻尼器，降低了坡道在人行荷载激励下的频率，提高了坡道行走时的舒适性和安全性。螺旋吊拉钢结构景观坡道结构复杂，安装精度要求高，通过对钢结构、索结构、减振装置、钢筋桁架楼承板、支撑胎架等各部分进行深化设计、施工模拟分析，过程中严控构件加工精度、现场拼装质量，加强过程监测，科学合理安排施工工序，有效保证了各工序穿插施工，形成了螺旋钢桁架与预应力吊索组合结构体系的成套施工技术，为以后类似结构体系施工提供了参考。