中國建筑金屬結(jié)構(gòu)協(xié)會
建筑鋼結(jié)構(gòu)分會主辦
摘 要：某金融大廈幕墻采用自平衡魚腹式索鋼架混合結(jié)構(gòu)支撐體系，本文研究了拉索的施工模擬計算、施工工藝及索力、結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測方法等。
關(guān)鍵詞：自平衡；魚腹式拉索；仿真分析與施工
1 工程概況
某金融大廈幕墻結(jié)構(gòu)采用自平衡式索鋼架混合結(jié)構(gòu)支撐體系，結(jié)構(gòu)體系總高度12.6m。其特點主要有：（1）自重主要由豎向拉桿承擔(dān)；（2）水平荷載主要為單元幕墻集中荷載作用，由魚腹式拉索、支承桿承擔(dān)；（3）由鋼結(jié)構(gòu)及豎向穩(wěn)定索形成整體幕墻拉索結(jié)構(gòu)。
圖1 自平衡魚腹式索鋼架混合結(jié)構(gòu)支撐體系平面
該結(jié)構(gòu)魚腹式拉索采用Ф30mm預(yù)應(yīng)力索，預(yù)拉力127.75KN、穩(wěn)定索采用Φ16預(yù)應(yīng)力索、拉桿采用Φ16拉桿、鋼梁采用Q235B 120×120×8mm方鋼管、支撐桿采用Φ60×8mm不銹鋼桿。
2 施工階段仿真計算
2.1 施工階段一
張拉穩(wěn)定索和拉索到25.6KN（即20％的預(yù)拉力，20％×127.75＝25.6KN），豎索張拉到15KN，支撐桿和豎向拉桿均已到位并參與作用，考慮各構(gòu)件的自重作用，該階段的混合結(jié)構(gòu)支撐體系系統(tǒng)的變形、內(nèi)力圖如下：
圖2 混合結(jié)構(gòu)支撐體系拉索系統(tǒng)變形圖（自重作用）
由變形圖可見，在該施工階段，Y方向索的最大變形為9.5mm，Z方向索的最大變形為82mm，均不會發(fā)生索松弛現(xiàn)象。
圖3 混合結(jié)構(gòu)支撐體系拉索系統(tǒng)內(nèi)力圖（自重作用）
由圖可見，在該施工階段，拉索的最大拉力為29kN，穩(wěn)定索的最大拉力為26kN，撐桿的壓力為2kN左右，均滿足強度要求。
圖4 混合結(jié)構(gòu)支撐體系鋼梁應(yīng)力圖 MPa（自重作用）
由鋼梁應(yīng)力圖可見：鋼梁應(yīng)力為14MPa左右，滿足要求。
2.2 施工階段二
將橫向拉索分別張拉到125KN（內(nèi)側(cè)）和135KN（外側(cè)），豎索的張拉力亦不發(fā)生變化，未作用單元幕墻集中荷載，拉索系統(tǒng)的變形如下：
圖5 混合結(jié)構(gòu)支撐體系拉索系統(tǒng)變形圖（第二次張拉后自重作用）
由變形圖可見，在該施工階段，鋼梁最大變形為1.39mm。
作用單元幕墻集中荷載后，拉索系統(tǒng)的內(nèi)力圖如下：
圖6 混合結(jié)構(gòu)支撐體系拉索系統(tǒng)內(nèi)力圖
（自重和單元幕墻集中荷載共同作用）
由內(nèi)力圖可見，在該施工階段，拉索的最大拉力為247KN，穩(wěn)定索的最大拉力為29KN，撐桿的壓力為2KN左右，均滿足強度要求。
圖7 混合結(jié)構(gòu)支撐體系鋼梁應(yīng)力圖(自平衡魚腹式索鋼架)
（自重和單元幕墻集中荷載共同）
由鋼梁應(yīng)力圖可見：鋼梁應(yīng)力為90MPa左右，滿足要求。
3 施工技術(shù)及監(jiān)測方法
3.1 主要技術(shù)措施
3.1.1 施工順序
預(yù)埋件校準(zhǔn)→耳板定位→組裝和連接拉索→施加預(yù)應(yīng)力→校準(zhǔn)檢驗→連接豎向承重拉索→施加預(yù)應(yīng)力→整體調(diào)整→校準(zhǔn)檢驗。
3.1.2 主要施工技術(shù)路線
3.1.2.1測量放線
測量放線是確保施工質(zhì)量的最關(guān)鍵工序。必須嚴(yán)格按圖紙設(shè)計、施工規(guī)范進行，在工程中使用了經(jīng)緯儀、全站儀等儀器進行測量。為了測量準(zhǔn)確、方便、直觀，根據(jù)平面布置設(shè)立主控點，以保證再次測量時基準(zhǔn)點不變。
3.1.2.2施工精度單元控制
為了減少安裝尺寸誤差積累，有利于安裝精度的控制與檢測，可人為的將幕墻分成多個控制單元。控制單元確定后，就可從測量放線到結(jié)構(gòu)安裝、鋼絲安裝、玻璃安裝，每次測量、核對、調(diào)整都以同個單元尺寸來控制安裝精度。
3.1.2.3 結(jié)構(gòu)安裝
首先對混合結(jié)構(gòu)支撐體系的基準(zhǔn)點進行測量。記錄每榻的變位情況，根據(jù)變位量按照施工圖，確定駁接頭的點位和拉索、鋼結(jié)構(gòu)耳板的焊接位置，然后進行受力索、鋼結(jié)構(gòu)的安裝，并對拉索施加預(yù)應(yīng)力。只有在安裝和調(diào)整過程中，提前設(shè)置合理的內(nèi)應(yīng)力值，才能保證玻璃安裝后在荷載作用下混合結(jié)構(gòu)支撐體系變形才能在允許的范圍內(nèi)。
3.1.2.4 施工與質(zhì)量控制
自平衡魚腹式索鋼架混合結(jié)構(gòu)支撐體系玻璃幕墻的施工與設(shè)計關(guān)系十分緊密，設(shè)計時必須預(yù)先考慮施工的步驟，尤其必須預(yù)先規(guī)定好張拉預(yù)應(yīng)力的步驟，實際施工時必須嚴(yán)格按照規(guī)定的步驟進行，如果稍有改變，就有可能引起內(nèi)力很大變化，會使支承結(jié)構(gòu)嚴(yán)重超載，因此，施工人員必須清楚設(shè)計人員的意圖，設(shè)計人員必須做好透徹技術(shù)交底并在關(guān)鍵的施工階段親臨現(xiàn)場指導(dǎo)。
索鋼架混合結(jié)構(gòu)支撐體系的假設(shè)必須首先建立支承結(jié)構(gòu)，把已經(jīng)預(yù)拉并按準(zhǔn)確長度準(zhǔn)備好的索鋼架就位，調(diào)整到規(guī)定的初始位置并初步固定，然后按規(guī)定的次序進行預(yù)應(yīng)力張拉，張拉預(yù)應(yīng)力一般利用各種專門的千斤頂進行操作比較方便，而且易于控制張拉力的大小，張拉過程要隨時監(jiān)測索系的位置變化，必要時在征得設(shè)計人員同意后做適當(dāng)調(diào)整，使整個拉索式點連接全玻璃幕墻完成時達到預(yù)定位置。
3.1.2.5 索網(wǎng)張拉施工
用超張拉法達到內(nèi)力平衡，豎向受力索桁架是采用整條索通過固定支點形成的多榀桁架，預(yù)拉力施加時只能在一端進行，經(jīng)試驗證明，每通過一個固定支點時，因摩擦阻力等因素造成的內(nèi)力損失為10%左右，會出現(xiàn)內(nèi)力不平衡，為消除此現(xiàn)象，我們采用了超張拉的方法。在施加預(yù)應(yīng)力時根據(jù)單根索所通過的固定支點的數(shù)量按損失的內(nèi)力值來確定超張拉力。經(jīng)12h持荷后將超張拉值松弛到設(shè)定的預(yù)拉力值后達到內(nèi)力平衡。
預(yù)應(yīng)力張拉步驟首先安裝承重索并將預(yù)應(yīng)力值一次施加到位，然后安裝受力索，前后受力索必須同時在一端張拉，分3步進行:
①在索布設(shè)結(jié)束后先進行第1級張拉，按總預(yù)拉力值的20%控制拉力;
②經(jīng)調(diào)整達到內(nèi)力基本平衡，空間定位基本到位后進行第2級張拉，按總預(yù)拉力值的80%控制拉力，當(dāng)拉力到位后粗調(diào)懸空桿的位置并保持拉力進行定位尺寸調(diào)整;
③當(dāng)內(nèi)力穩(wěn)定后測量每榀桁架的內(nèi)力損失情況，確定超張拉值進行超張拉，并持荷12h;
④當(dāng)超張拉內(nèi)力穩(wěn)定后將內(nèi)力放松至100%的預(yù)拉力控制值，經(jīng)測量調(diào)整使每一榀索桁架的內(nèi)力均達到預(yù)張拉值后，將節(jié)點固定鎖緊，并與垂直承重索連接鎖緊。
（4）索力測量
在施工過程中采用三點式索張力測量儀，該測量儀可用于任何位置索段的索張力測量。這種測量方法，原理簡單、量測可靠。
三點式索張力測量儀測量精度在2%以內(nèi)。采用10T和20T三點式索張力測量儀各一臺，分別用于橫索和豎索張力檢測。
圖8 三點式索張力測量儀工作原理(自平衡魚腹式索鋼架)
3.1.3 施工控制監(jiān)測
張拉過程中，因受力影響，將產(chǎn)生一定的平面及高程位移，是監(jiān)控工作中的重點控制環(huán)節(jié)。監(jiān)測工作將使用TCR402全站儀進行，該儀器具有在170米內(nèi)免棱鏡功能，即無需架設(shè)反射棱鏡或測量反射貼片，使觀測過程十分簡單、迅速，根據(jù)工程半徑，該儀器完全符合需要，能滿足動態(tài)、多點位測量的快速測量需求。在觀測前，預(yù)先在索控制部位做好標(biāo)志，由TCR402直接讀取標(biāo)志三維坐標(biāo)，通過各狀態(tài)的讀數(shù)同初始值的比較，可反應(yīng)施工過程中索的空間變形情況。并指導(dǎo)施工進行調(diào)整
4 結(jié) 語
1）本大廈幕墻采用了魚腹式拉索結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)新穎美觀且受力合理，充分發(fā)揮了預(yù)應(yīng)力空間結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性。
2）施工前進行仿真計算，施工過程中對預(yù)應(yīng)力拉索及鋼結(jié)構(gòu)變形進行了監(jiān)控，有效地保證了鋼結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量。
3）制定合理的施工順序，有效地減小施工安裝誤差，保證施工質(zhì)量。
4）根據(jù)現(xiàn)場施工條件，設(shè)計了輕巧的張拉設(shè)備，節(jié)省了施工工期。
參考文獻
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[4] 高志波、陳龍美，雙曲索網(wǎng)結(jié)構(gòu)張拉施工技術(shù)研究.工業(yè)建筑.2009年第39卷增刊
（上海建科建設(shè)發(fā)展有限公司，上海，200032）
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