張弦桁架屋蓋施工技術研究

1 工程概況

某屋蓋設計為張弦桁架結構。張弦桁架跨度41m，每榀桁架間距8.0m，張弦桁架中部撐桿最高為1.4m，屋蓋共設桁架11榀；張弦桁架之間設置穩定橫梁與張弦桁架剛接，其間距4.0m。屋面張弦桁架由φ102mm×5mm、φ114mm×5mm、φ140mm×5mm、φ245mm×10mm、φ273mm×10mm和φ273mm×14mm的無縫圓管組成。拉索規格為φ7mm×85mm，鋼絲強度≮1 670MPa，拉鎖采用S N S/S-1277。

2 工程施工難點

1）屋蓋張弦桁架由無縫圓管組成，無縫鋼管壁厚5 mm。桁架跨度41m，每榀張弦桁架質量約11 t。跨度大、管壁薄、剛度小，防止桁架在吊裝過程中扭轉破壞難度大。

2）張弦桁架從結構的組拼、安裝到預應力張拉完成，隨著工況的變化，其內應力變化較大，保證施工過程中結構安全，是屋架體系安裝施工控制的難點。

3）桁架制作精度要求高。鋼索的下料長度必須根據節點及鋼索的工作載荷進行精確計算，并在制作過程中嚴格控制，鋼結構的安裝精度也必須在施工過程中進行監控，只有制作和安裝的精度滿足要求，張拉完成后的工程質量才能達到設計要求的預應力狀態。

4）現場場地有限，屋面桁架跨度大，無法采用整體吊裝的施工方法。

3 主要施工方法

3.1 鋼桁架安裝

針對工程施工難點考慮工期、人工和大型機械設備等因素，采用每榀桁架地面拼裝、整體吊裝、空中滑移的施工方法進行鋼屋蓋施工。

在1～2軸和13～14軸間，從3層樓板上搭設操作平臺，為方便工人施工，平臺大小為11.7m×39.6m，高9m（結構施工3層以下模板支撐不拆除）。平臺下鋪設腳手架。張弦桁架組合好一榀后向外滑移，然后連接支撐部分，再進行滑移，依此類推，直到整個屋面安裝好。屋蓋按照先拼裝滑移后張拉原則進行安裝，見圖1。

圖1 屋面施工布置

3.1.1 每榀桁架的組拼

每榀桁架分3段運輸到現場，現場在地面用槽鋼搭設組裝平臺進行桁架的拼裝，平臺兩端支架高度為

0.5 m，其他支點根據桁架曲度確定。組裝時，一次拼接2榀張弦桁架，見圖2。

圖2 張弦桁架組裝胎架

3.1.2 操作要點

因7軸左右兩端工況相似，以7軸右端桁架為研究對象進行分析。吊裝前，測量并且標記用作滑移路線的混凝土梁的中心線，滑移時確保滑移軌道平整干凈并且滑移支座的中心線與梁中心線一致。

1）先在地面組裝平臺上組裝2榀桁架，拉索施加20%預應力，用2臺130 t汽車吊雙機抬8個吊點吊裝到14軸左邊混凝土梁上的滑移支座上。桁架每個端點各有個滑移支座。因桁架管徑較小、跨度大并且桁架截面為倒三角，所以桁架放在滑移支架上會因自重產生側向失穩，因此在汽車吊不飛鉤的情況下，用2根φ100mm鋼管把張弦桁架與混凝土柱連接做臨時穩定。

2）2榀桁架到位后，拆除剛性桿件，桁架兩端各用2個10 t手拉葫蘆對2榀桁架進行滑移。后方的2個葫蘆先同時緩慢地放松，前面2個葫蘆再同時慢慢的拉，見圖3。

圖3 桁架滑移

3）滑移時應做平穩緩慢、同步前進，確保滑移支座緊貼混凝土梁并且滑移路線的混凝土梁的中心線一致。

4）當第1榀桁架滑移到12軸左邊時停下，吊裝第3榀桁架到14軸左邊位置，連接之間的支撐。以此類推，直到右端所有桁架滑移到位。

5）桁架滑移時，整個桁架坐落于滑移支座上，每個端支座下相應有一個滑移支座。滑移支座與端支座間加枕木或橡膠墊防滑。每個滑移支座可以承受10 t質量。

3.2 拉索施工

鋼屋蓋結構采用張弦結構體系，包括以周邊外環支撐體系，以及沿屋面短向布置的張弦結構體系。采用的拉索規格為φ7mm×85mm及φ7mm×127mm。

由于拉索和鋼構件都是結構中重要的組成部分，因此拉索和鋼構件的施工需要緊密配合。拉索的施工穿插在鋼構件的安裝過程中，施工過程為安裝外圈支撐系統；地面拼裝每榀張弦梁；地面預張拉至初張力的20%；吊裝拼裝好的張弦梁并連接其相鄰的連系桿件；按分級的方式對結構施加預應力，張拉分三級；預應力施工完成。待全部鋼結構安裝完成后，開始張拉鋼索，對結構施加預應力。預應力的施加分三級，第一級張拉至控制應力的20%，然后進行第二級張拉至控制應力的70%，第三級施加到100%設計應力，使預應力值及結構的變形符合設計要求的狀態。

4 桁架受力分析

由于拉索結構為柔性結構，隨著施工工況的不同，鋼桁架的內力不同。為保證結構施工過程中的安全，采用計算機模擬技術，應用Ansys有限軟件與Mi d as軟件，對實際工程施工過程中的每一個施工工況進行施工仿真分析，達到施工中的每一個工況都做到在設計要求的應力及變形控制范圍之內并且在最后張拉完成后保證與設計要求的計算模型相吻合。

1）施加20%預應力受力分析見圖4。

圖4 地面張拉20%張弦桁架應力

地面張拉20%對于張弦桁架的受力是安全的。

2）吊裝過程中受力分析。兩端軸向最大位移為0.87 mm，豎向最大位移為8.8mm，桁架處于安全范圍內。

3）臨時穩定受力分析。當第1榀張弦桁架放在滑移支座上，此時最大軸向變形位于端點，為5.43mm；最大豎向變形為22.9mm；無側向變形。所以桁架就位后，側向用2根φ100mm鋼管臨時穩定第一榀桁架完全滿足要求。

4）滑移受力分析。當2榀桁架滑移到就位位置，此時最大豎向變形為跨中27.5mm，最大軸向變形為7.1 mm，張弦桁架都處于安全狀態。

5 結語

1）大跨度鋼結構屋架的高空組裝、水平滑移法安裝成功應用，使大量的高空作業轉變為近視的地面作業，確保了工人操作的安全性和工程質量，節約了高空作業用操作平臺的搭設以及汽車吊的租賃費用。張弦桁架滑移方向為從兩端向中間滑移，也大大提高了鋼桁架的施工速度。

2）在預應力施工過程中，屋蓋張弦梁拉索最大張拉力728 kN，隨著預應力的施加，鋼結構的應力也逐漸增加，但張弦梁在整個施工過程中鋼結構的應力比較小，說明本施工方案是安全可行的。

3）在整個張拉過程中，屋蓋張弦梁向上起拱最大位移僅為84mm。