馬鞍形預(yù)應(yīng)力索膜結(jié)構(gòu)施工技術(shù)
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蘇敬濤 徐小洋 段必海
中國建筑第二工程局有限公司（滬） 上海 200135
摘要：武漢漢秀劇場的造型取自于“紅燈籠”創(chuàng)意，為獲得紅燈籠的外形，在其主體結(jié)構(gòu)外側(cè)設(shè)置了1個“燈籠皮”， “燈籠皮”采用鋼結(jié)構(gòu)鋼管作為主龍骨，斜向相交形成56個區(qū)格，在區(qū)格內(nèi)設(shè)置了馬鞍形預(yù)應(yīng)力索膜結(jié)構(gòu)。以此為例，具體介紹了馬鞍形預(yù)應(yīng)力索膜結(jié)構(gòu)的施工安裝技術(shù)，并通過對整個安裝過程進行分析和計算模擬，確保了理想的施工效果，可為類似工程提供借鑒。
關(guān)鍵詞：漢秀劇場 馬鞍形預(yù)應(yīng)力索膜 拉索安裝 分次張拉 找形
中圖分類號：TU757 文獻標(biāo)志碼：B DOI: 10.14144/j．cnki.jzsg．2015.10.018
1 工程概況
武漢中央文化區(qū)漢秀劇場項目裝飾性造型幕墻設(shè)置在主體結(jié)構(gòu)外側(cè)，與結(jié)構(gòu)主體之間保持5 - 2lm的距離，其直徑為110 m，高約60 m，由橢圓形輪輻環(huán)管（前廳部分加強為環(huán)桁架）、傘撐、桅桿支撐、單層馬鞍形預(yù)應(yīng)力索網(wǎng)和豎索構(gòu)成，為非封閉的裝飾性構(gòu)筑物，其外表面由小圓盤與拉索構(gòu)成，造型獨特（圖1）。
索網(wǎng)幕墻為雙向單索幕墻系統(tǒng)，以橢圓形環(huán)管（前廳部分為桁架）為骨架，在骨架交叉形成的區(qū)格中填充單層馬鞍形預(yù)應(yīng)力索網(wǎng)。索網(wǎng)幕墻底部與裙樓拉接，立面上通過布置傘狀支撐與主體結(jié)構(gòu)相連，頂部通過桅桿支撐與屋蓋結(jié)構(gòu)相連。通過橢圓形環(huán)管承受環(huán)向壓力，裙樓提供向下的拉力，單層索網(wǎng)為環(huán)管提供豎向面內(nèi)的穩(wěn)定性并形成蒙皮效應(yīng)，豎索為環(huán)桁架的內(nèi)弦提供了豎向聯(lián)系，從而使整體結(jié)構(gòu)形成為一個張力空間結(jié)構(gòu)。該索結(jié)構(gòu)幕墻體型大，結(jié)構(gòu)形式和力學(xué)性能獨特，與一般屋蓋和幕墻的索結(jié)構(gòu)差異大，可借鑒的工程案例少。
橢圓形環(huán)管／環(huán)桁架（Φ400 mm×10/20 mm），斜向相互交叉，構(gòu)成了Φ110 m的幕墻面骨架。環(huán)管自身難以獨立承受自重及外荷載，需通過布置傘狀支撐依附于主體結(jié)構(gòu)。由于在前廳部分幕墻與主體結(jié)構(gòu)距離較大（最大可達20 m），難以布置傘撐，故將前廳部分環(huán)管加強為環(huán)桁架，并在頂部通過撐桿與屋蓋結(jié)構(gòu)相連（圖2）。
單層馬鞍形預(yù)應(yīng)力索網(wǎng)填充在環(huán)管區(qū)格中，各區(qū)格的邊界形狀和面積大小差異較大，最大跨度為33.30 m，最小跨度為2.20 m。由于通透性的要求，拉索布置細(xì)密、規(guī)格小、間距小、根數(shù)多。索網(wǎng)張拉完成后在拉索交點處安裝圓形碟片，形成“紅燈籠”的建筑效果。根據(jù)設(shè)計要求，預(yù)應(yīng)力索需施加30 kN的預(yù)應(yīng)力。
馬鞍形預(yù)應(yīng)力索網(wǎng)分為內(nèi)外2層鋼索，2層鋼索均采用Φ20 mm不銹鋼拉索，2層索網(wǎng)通過圓形鍛鑄鋁夾具連接，共計2 900根鋼索。鋼索兩端與橢圓形鋼桁架或鋼管結(jié)構(gòu)相連，索頭采用壓制錨具、叉耳式連接件和套筒調(diào)節(jié)裝置（兩端可調(diào)），并通過1個轉(zhuǎn)向耳板與環(huán)管耳板銷軸連接，實現(xiàn)多向轉(zhuǎn)動。索網(wǎng)的雙向拉索通過圓形索夾夾持在一起，碟片安裝在索夾上。
拉索連接節(jié)點處由夾具和紅色圓盤組件兩大部分組成（圖3）。其中，夾具由金屬壓盤1、金屬壓盤2、金屬壓盤3組成，金屬壓盤2和金屬壓盤3構(gòu)成內(nèi)層斜索夾具，金屬壓盤l和金屬壓盤2構(gòu)成外層斜索夾具；最外層安裝Φ800 mm紅色圓盤。本工程金屬壓盤共有18 000余套，由于索網(wǎng)預(yù)緊成型后，交點處內(nèi)外索受壓，因此索夾不承受拉力。索網(wǎng)安裝完成后的軸測如圖4所示。
2 索網(wǎng)幕墻安裝、張拉難點分析
2.1耳板定位難
1)難點描述：所有的索網(wǎng)均通過耳板與鋼結(jié)構(gòu)主龍骨相連接，索網(wǎng)最終的造型與耳板的定位息息相關(guān)；外龍骨呈立體圓形，單個外龍骨為立體橢圓形，耳板在外龍骨上的定位十分困難。
2)解決對策：通過采用有限元軟件對外龍骨安裝階段和最終成型階段進行建模模擬，將所有的索網(wǎng)進行精確模擬，從而確定外龍骨的空間坐標(biāo)；現(xiàn)場實施時，根據(jù)設(shè)置在周邊的基準(zhǔn)點通過全站儀進行每一個耳板的精確定位。
2.2索網(wǎng)安裝難
1)難點描述：索網(wǎng)依附在鋼結(jié)構(gòu)龍骨上，而該龍骨與主體結(jié)構(gòu)距離5 - 21 m；索網(wǎng)最高處達70 m，周邊沒有結(jié)構(gòu)可以依附，耳板焊接和預(yù)應(yīng)力索的安裝較難進行。
2)解決對策：利用安裝鋼結(jié)構(gòu)龍骨所設(shè)置的外置塔架作為操作平臺；遇到不設(shè)塔架而僅設(shè)三角支撐的部位，利用鋼結(jié)構(gòu)三角支撐設(shè)置吊籃；高出結(jié)構(gòu)的部分，在外龍骨安裝完成后，在外龍骨頂部設(shè)置吊籃。
2.3立體交叉施工安全監(jiān)管難
1)難點描述：工期緊張，外龍骨與索網(wǎng)同時施工，索網(wǎng)下部還在進行外幕墻施工，存在上下立體交叉施工的安全隱患，安全監(jiān)管難。
2)解決對策：調(diào)整施工順序，室內(nèi)外分隔，建立立體作業(yè)面移交制度，加強安全監(jiān)管。在外龍骨安裝前完成+19.00 m水平幕墻的安裝，并在水平玻璃幕墻上設(shè)置防護，通過水平玻璃幕墻的安裝，將上部外龍骨和索網(wǎng)安裝與室內(nèi)精裝修施工分隔開來；按照外龍骨的分隔將索網(wǎng)安裝范圍分成若干工作段，每個工作段內(nèi)只允許1個施工單位進行作業(yè)；根據(jù)工序安排現(xiàn)場施工的順序，每天召集各單位確認(rèn)每個工作段內(nèi)的工作，并安排專人進行安全監(jiān)管。
2.4外龍骨柔軟，預(yù)應(yīng)力張拉成型難
1)難點描述：索網(wǎng)所依附的鋼結(jié)構(gòu)外龍骨為Φ 400 mm、壁厚為10 mm或20 mm的鋼管，僅在外龍骨交叉點上的鋼管壁加厚為20 mm，而其直徑達110 m，需要通過若干支撐共同作用方可形成整體；而預(yù)應(yīng)力索需施加30 kN的預(yù)應(yīng)力，直接作用在外龍骨上將會使得外龍骨產(chǎn)生變形，如何進行索網(wǎng)的預(yù)應(yīng)力施加是本項工程施工的難點，更是重點。
2)解決對策：初步設(shè)定集中張拉方案，對整個預(yù)應(yīng)力索網(wǎng)張拉過程進行模擬，采用大型通用有限元軟件ANSYS，考慮結(jié)構(gòu)具有雙重非線性（幾何非線性和材料非線性）特征，計算中考慮幾何大變形和應(yīng)力剛化效應(yīng)。經(jīng)綜合比較，最終確定張拉方案和張拉順序。
3 索網(wǎng)安裝、張拉總體方案
索網(wǎng)總體安裝順序為配合鋼結(jié)構(gòu)安裝順序，從下而上逐層安裝。同一層索網(wǎng)區(qū)格安裝先后順序根據(jù)現(xiàn)場鋼結(jié)構(gòu)安裝完成情況而定。
索網(wǎng)張拉總體原則為分2次逐層張拉，即在索網(wǎng)自下而上逐層安裝時，以15 kN為張拉索力逐層進行第1次張拉，索網(wǎng)安裝及第1次張拉在支撐胎架上完成；第1次張拉完成后索網(wǎng)基本成型，拆除結(jié)構(gòu)支撐胎架，再自上而下以30 kN為張拉索力逐層進行第2次張拉。
4 施工流程
1)索及夾具安裝流程：測量定位→耳板焊接→外層索安裝→內(nèi)層索安裝→夾具安裝→碟片安裝。
2)根據(jù)現(xiàn)場情況及工序安排，確定索網(wǎng)安裝流程為：主體結(jié)構(gòu)施工完成→外置塔架吊裝、三角支撐安裝→第1層外龍骨安裝→第2層外龍骨安裝、第1層索網(wǎng)及碟片安裝→第3層外龍骨安裝、第2層索網(wǎng)及碟片安裝→第4層外龍骨安裝、第3層索網(wǎng)及碟片安裝→第5層外龍骨安裝、第4層索網(wǎng)及碟片安裝→第5層索網(wǎng)及碟片安裝→索網(wǎng)自下而上逐層第1次張拉→外龍骨整體荷載轉(zhuǎn)換→塔架拆除、三角支撐拆除→吊籃安裝→索網(wǎng)自上而下逐層第2次張拉→索網(wǎng)調(diào)整找形→吊籃拆除。
5 索網(wǎng)安裝方案
5.1 臨時支撐系統(tǒng)安裝
前廳部分用于支撐外龍骨的外塔架、后廳部分用于支撐外龍骨的樓層結(jié)構(gòu)柱外三角挑支架的平面布置如圖5、圖6所示。
5.2索網(wǎng)龍骨安裝
按照圖紙設(shè)計要求，將索網(wǎng)主龍骨分段進行吊裝，主龍骨全部擱置在塔架和三角支撐上。主龍骨采取自下而上分段吊裝的方式進行安裝。
5.3測量定位及耳板焊接
設(shè)置一級控制網(wǎng)，用全站儀采取極坐標(biāo)定位法進行耳板定位。測量定位完成后，在鋼龍骨上用油漆進行標(biāo)示，然后將耳板焊接在鋼龍骨上。
5.4拉索安裝
1)單根拉索質(zhì)量從52 - 85 kg不等，每個拉索夾具質(zhì)量約為2.00 kg，每根拉索上需要安裝4- 15套鋁合金金屬壓盤。
2)在安裝現(xiàn)場根據(jù)斜向拉索編號對主體結(jié)構(gòu)上的錨固部位進行標(biāo)記。
3)在地面上將雙向節(jié)點接駁件分解成3塊，并且把其中金屬壓盤3和金屬壓盤2分別安裝至內(nèi)層拉索上指定位置。
4)按編號順序依次把內(nèi)層拉索通過第2層上設(shè)置的滑輪牽引至對應(yīng)的主體結(jié)構(gòu)錨固部位（本項工作可根據(jù)施工進度計劃需要，把拉索幕墻分成多個作業(yè)區(qū)段，同時進行拉索安裝工作）。
5)當(dāng)拉索2個固定端均安裝至主體結(jié)構(gòu)錨固處并可靠錨固后，把節(jié)點處內(nèi)、外層斜向拉索卡具用對接螺栓連接，固定好2層拉索。
6)索網(wǎng)區(qū)格的安裝必須遵守“從下而上，從小格到大格，前后中軸對稱同步協(xié)調(diào)”原則，依次安裝拉索。其中2層斜向拉索通過金屬壓盤進行連接固定，可以形成索網(wǎng)的零狀態(tài)。
7)拉索安裝過程中應(yīng)做好對拉索及雙向節(jié)點接駁件的保護工作，如有損壞，應(yīng)及時聯(lián)系廠家維修或更換相應(yīng)材料。拉索安裝步驟為：安裝外層索→安裝內(nèi)層索→鎖好夾具（金屬壓盤）。
6 預(yù)應(yīng)力索網(wǎng)張拉過程分析
6.1施工分析軟件和方法
采用大型通用有限元軟件ANSYS，考慮結(jié)構(gòu)具有雙重非線性（幾何非線性和材料非線性）特征，計算中考慮幾何大變形和應(yīng)力剛化效應(yīng)�；贏NSYS平臺和相關(guān)規(guī)范，二次開發(fā)了鋼構(gòu)件和拉索的承載力驗算程序。
6.2荷載條件
1)自重：鋼材密度為7.85×103 kg/m3;索夾重量取150 N；找力分析時不考慮索網(wǎng)及索夾自重作用，其他分析時再計入二者自重。
2)預(yù)張力：施工過程為分2次進行張拉，第1次張拉的預(yù)張力為15 kN，第2次張拉的預(yù)張力為30 kN。
3)支座約束條件：
(1)結(jié)構(gòu)約束條件：幕墻底部與裙樓相連處為固定支座，傘撐與主體連接處為三向固定鉸支座，傘撐與鋼屋蓋連接處為彈性支座，豎向剛度為40 000 N/mm。
(2)支架附加約束條件：支撐胎架為結(jié)構(gòu)在所有支撐點提供附加豎向約束，包括向上和向下約束；在鋼構(gòu)和索網(wǎng)安裝、索網(wǎng)第1次張拉時存在支架附加約束，第1次張拉完成后完成支架拆除，之后不再存在支架附加約束。
6.3 3個關(guān)鍵施工階段的結(jié)構(gòu)狀況
索網(wǎng)安裝張拉的整個施工過程主要分為第1次張拉、拆除支架、第2次張拉3個過程，控制這3個施工階段的結(jié)構(gòu)狀況是整個施工過程分析的關(guān)鍵。
6.3.1第1次從下而上逐層張拉過程分析
索網(wǎng)第1次分層張拉以15 kN為張拉索力，從下而上逐層進行張拉。15 kN索力為索網(wǎng)全部張拉完成后的平均索力，在考慮索網(wǎng)和索夾自重后，各層索網(wǎng)以及同一區(qū)格內(nèi)索網(wǎng)索力存在一定不均勻性。
分層張拉后索網(wǎng)索力及鋼構(gòu)件應(yīng)力情況如表1所示。
6.3.2拆除支架過程分析
在索網(wǎng)第1次分層張拉完成后進行支撐胎架的拆除。支撐分層分批進行拆除，先拆除后廳支撐三角架，再從上而下分5層拆除前廳部分支撐塔架。
分層分批進行支撐胎架拆除，索網(wǎng)索力及鋼構(gòu)件等效應(yīng)力變化如表2所示。從表中可以看出，拆除胎架對于索網(wǎng)索力及鋼構(gòu)件等效應(yīng)力影響均較小。
6.3.3索網(wǎng)第2次分層張拉
索網(wǎng)第2次分層張拉以30 kN為張拉索力，自上而下逐層張拉。第2次張拉時已拆除支撐胎架，為最后補張拉階段，使索網(wǎng)索力達到設(shè)計張拉索力。由于索網(wǎng)及索夾自重影響，30 kN索力為平均索力，各區(qū)格及區(qū)格內(nèi)部上下部分均存在一定的索力不均勻現(xiàn)象。
第2次分層張拉后索網(wǎng)索力及鋼構(gòu)件應(yīng)力情況如表3所示。
7 預(yù)應(yīng)力張拉
7.1張拉設(shè)備介紹
選用液壓手搖泵張拉器，對每根斜向拉索實施張拉。針對本工程實際情況，準(zhǔn)備了15套手搖泵張拉器，如圖7所示。
7.2拉索張拉力順序
因本工程項目比較特殊，采用的是主體鋼結(jié)構(gòu)邊施工、不銹鋼索邊張拉的交叉作業(yè)順序，在主體結(jié)構(gòu)沒有完成卸載的情況下，鋼索安裝就基本找形完成，而待鋼結(jié)構(gòu)完成卸載，鋼桁架的內(nèi)應(yīng)力重新分配直至最終變形完成，再調(diào)整索力直至達到設(shè)計要求。經(jīng)計算分析，張拉索力比較小，每根索力約30 kN，所以對整體結(jié)構(gòu)變形影響不大。根據(jù)現(xiàn)場的實際情況，采用“從下而上，從小格到大格，前后中軸對稱同步協(xié)調(diào)”的張拉順序，第1次張拉達到設(shè)計
預(yù)應(yīng)力值的50%，第2次張拉達到設(shè)計預(yù)應(yīng)力值的100%，第1次張拉，應(yīng)在鋼結(jié)構(gòu)沒有卸載的情況下完成，并且完成基本找形（具備安裝紅色大圓盤的條件），第2次張拉必須等鋼結(jié)構(gòu)完全卸載并且鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力重新分配到位后才可以進行。
7.3索力監(jiān)測
張拉過程中采用千斤頂張拉力控制的施工方法，并對部分拉索應(yīng)力進行張拉過程全程監(jiān)測，索力監(jiān)測設(shè)備采用手提式測力儀。另外，張拉時監(jiān)控拉索幕墻中控制點的變形，及時對斜向拉索進行調(diào)整，以確保其滿足設(shè)計要求。張拉完畢后，全面測量拉索幕墻的形狀，如不滿足設(shè)計要求，應(yīng)對斜向拉索的長度進行調(diào)整。
8 結(jié)語
武漢中央文化區(qū)漢秀劇場索網(wǎng)幕墻形式獨特，造型別致。為達到其晶瑩剔透的效果，采用鋼結(jié)構(gòu)柱面網(wǎng)格狀網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)作為主龍骨，主龍骨相交形成的區(qū)格內(nèi)設(shè)置馬鞍形預(yù)應(yīng)力索膜，索網(wǎng)交叉點上設(shè)置紅色圓形碟片。通過對整個安裝過程的分析和計算模擬，圓滿完成了整個索網(wǎng)幕墻的安裝工作，也為類似工程提供了很好的借鑒。
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