74 m大跨度張弦梁鋼結構屋蓋施工關鍵技術

李昌馭 喬文俊 徐 偉

1.南京市建筑安裝工程質量監督站 南京 210007；2.江蘇建科建設監理有限公司 南京 210008；3.中建三局集團有限公司（滬） 上海 200129

1 工程概況

南京國際博覽中心二期工程的1#、2#展館采用單層張弦梁鋼結構屋蓋，屋蓋整體傾斜，角部大懸挑，整個屋蓋結構支承于下部混凝土柱上，單個展廳的鋼屋蓋結構共有18 榀張弦梁，單榀張弦梁自重約84.7 t，間距9 m，跨度74 m，垂跨比1∶18.5，每個展館由2 部分屋面組成（圖1），屋蓋縱向中部存在高差，屋面飛出館外的部分采用斜支撐懸挑。

圖1 單個展館屋蓋平面示意

張弦梁的上弦為單坡雙H型鋼直梁，梁高1.2 m，主截面為1 200 mm×400 mm×24 mm×35 mm，梁截面為2 根工字型鋼由橫板在上下翼緣拼接而成；預應力拉索由1 670 MPa級PESφ7 mm×301規格鍍鋅鋼絲組成，外包高密度聚乙烯（HDPE）護層，索體兩端可調，索頭采用冷鑄錨。為了盡量突出展館內的大空間，張弦梁拉索的垂直高度僅4 m，拉索的撐桿分為上下2 段，上段為受力段，下段為裝飾段（圖2），上下2 段的總長度均為4.2 m，使得等長的撐桿結合拉索的弧線，在視覺上極具韻律性[1-3]。

圖2 單榀張弦梁結構單元示意

2 工廠加工及質量控制

有限元分析結果表明，張弦梁應力在支座區域最大，所有熔透焊縫均為一級焊縫，由于支座處含有拉索的斜向穿孔，加勁板多，工廠內加工應注意保證焊接質量，尤其對于隱蔽焊縫，做好焊縫檢測。

展館中央的高低屋面重疊部位，立面上采用1 榀張弦桁架銜接高低屋面，桁架自重約220 t，如完全通過拉索抬起桁架，則張拉索力過大，將造成張弦梁支座區域的應力超過屈服應力，故對張弦桁架，采用工廠內加工預起拱25 mm的措施，以減小支座應力。

深化設計的找形分析完成后，構件之間的位置關系就已經精確形成且唯一，包括張弦梁總長、梁底插耦位置、受力段撐桿的長度、拉索總長、索夾在拉索上的位置。對張弦梁的整體長度應在加工中進行全過程控制，74 m跨度的誤差應控制在-5～+10 mm之內，以保證梁體在兩端支座埋板上的準確就位，以及插耦位置和索夾的對應關系。

撐桿的垂直度直接決定觀感質量，如果撐桿不垂直，將顯著影響展館建筑效果，撐桿垂直度主要由深化設計建模分析的精度決定，同時施工中應控制好張拉力、上下節點初始位置、張拉伸長值3 個因素，本工程采用兩端張拉工藝，有助于避免撐桿向一個方向傾斜[4-6]。

撐桿與張弦梁的連接，靠撐桿插入梁底的2 片耳板間（插耦）來實現，插耦間隙精度應嚴格控制，間隙過大，對撐桿起不到平面外的約束作用，撐桿將有外擺趨勢；間隙過小，撐桿難以插入，且工廠內如果不能加工到位，出現間隙不足，施工現場的作業人員往往會采用火焰糾正來擴大間隙，對質量產生影響。工廠內應保證撐桿插入后，每側間隙＜1.5 mm。

3 鋼梁吊裝及質量控制

張弦梁體系的構件進場做好配套工作，包括主梁、次梁、撐桿、支座、索夾、拉索等構件，對現場做好交底，保證現場安裝有條不紊的進行。

張弦梁兩端支座下的混凝土獨立柱，截面形狀為橢圓形，截面尺寸1 000 mm×2 000 mm，由于張弦梁及屋面板自重由兩端支座承擔，柱頂局部壓應力大，重點保證柱體垂直度、鋼筋綁扎、混凝土澆筑質量，柱體垂直度須在埋板安裝時校核到位，同時保證澆筑過程不跑模，保證固定鉸支座位于柱頂正中（圖3），使得獨立柱軸心受力。

圖3 混凝土獨立柱頂的張弦梁（固定鉸）支座

從便于運輸角度考慮，每根長74 m的張弦梁均分為3 段進場，吊裝時在胎架上對接拼裝，對接焊縫均為一級焊縫，每跨采用2 處雙拼胎架（圖4）。雙胎架較之單胎架，既增加了穩定性，也方便拉索從雙胎架中間提升吊裝。

圖4 張弦梁中間一段吊裝

考慮到館內運輸通道，張弦梁垂直跨度方向擺放，采用1 500 kN汽車吊，起吊過程中旋轉90°至安裝方向，卡馬對中后，普通螺栓加點焊臨時固定，之后吊車松鋼絲繩不松鉤，次梁隨主梁同步安裝，待兩側次梁就位固定后，吊車松鉤，梁上下翼緣及腹板的對接焊縫正式焊接，高空焊接采用防風布，保證CO2氣體保護效果。

在張弦梁腹板上張貼反光觀測標識，采用全站儀檢測張弦梁的安裝位置、標高，除高低跨處的桁架大梁外，不考慮安裝起拱。張弦梁安裝與張拉偏差控制指標：混凝土獨立柱垂直度為1/300；支座平面位置長邊方向20 mm、短邊方向10 mm；標高±10 mm；跨度-10～+20 mm；跨中撓度≤30 mm；拉索撐桿垂直度1/200。

4 索起吊、安裝及質量控制

4.1 拉索進場檢查

由于拉索在無應力狀態下安裝，為保證索夾的安裝位置，同時為消除非彈性因素對鋼索長度的影響，拉索的長度和索夾位置標識控制均應在設計預張力的應力狀態下下料，雖然制索在工廠內完成， 但拉索與撐桿的空間姿態關系是在深化設計中得到計算和控制的，對拉索廠家應進行交底，拉索進場重點檢查拉索長度、預張拉記錄及索體表面索夾位置的標識，成品拉索長度≤100 m時，索長偏差≤20 mm。

4.2 索夾安裝

索夾由2 個半球形的鑄鋼件組成，半球內壁鑄有凸起的條紋，以增加包裹拉索的摩擦力，在拉索展開后，根據索體表面的標識安裝索夾，由4 顆螺栓固定，由于索體外包的聚乙烯護套既有一定硬度，又有一定的彈性，需要對4 顆螺栓進行反復擰緊。

4.3 拉索吊裝

將拉索在地面上順梁方向展開，從雙拼胎架中間穿過，兩端由汽車吊吊起，采用鋼絲繩、千斤頂牽引索頭（圖5），穿過張弦梁兩端支座的斜向張拉孔中就位，調整上半截撐桿，使得索夾進入撐桿凹槽，穿過張弦梁支座的張拉孔中就位，待兩側各榀裝完，張拉本榀。

圖5 拉索由吊機、鋼絲繩、千斤頂牽引穿入支座

5 索張拉及質量控制

張拉采用雙控原則，以控制變形為主，張拉力控制為輔，設計張拉索力每榀不等，最小值2 240 kN，最大值3 450 kN，每榀張弦梁張拉前，按照兩側均有2 榀張弦主梁及次梁安裝到位的前提下，方可張拉本榀梁，張弦梁一端支座固定，一端自由滑動，全部張弦梁張拉完畢后，將滑動支座固定。自由端的支座兩側焊限位鐵，約束平面外位移，同時支座底和柱頂埋件之間涂抹黃油，實現自由滑動端。

張拉時，隨著拉應力的增加，鋼索有一個自適應過程，經過自平衡而使內力重分布后， 形狀也隨之改變，張拉由地面指揮，兩端同步，采用分級對稱、緩慢加速、同步加載的原則，分五級張拉程序：預緊→20%→40%→60%→80%→100%，每級持荷時間為2 min，保證應力和變形均勻增加，同時觀察撐桿垂直度，發現偏擺較大時，可將索力卸掉，適當移動索夾位置后，重新張拉[7,8]。

張拉時，將張弦梁跨中節點豎向位移作為首要變形控制參數（圖6），在跨中下方地面設置激光鉛直儀進行監測。結果表明，除11軸大桁架梁自重較大外，其余張弦梁張拉完即脫離胎架，與設計相符。經過對多道梁自由端支座的觀測，未見滑動，表明張弦梁未發生肉眼可見的軸向變形。

圖6 張拉完成的初始態（下段裝飾撐桿尚未安裝）

胎架卸載時，對胎架是卸載，對張弦梁體系實際是加載，梁自重及結構荷載開始由張弦梁體系承受，觀測表明，梁跨中豎向撓度最大3 mm，11軸上拱23 mm，與深化設計的計算結果吻合較好（表1）。

表1 張弦梁跨中節點豎向位移

6 索力監測

對于張弦空間結構，由于數榀張弦桁架之間存在相互影響，在施工前通過計算分析，循環逆迭代，得到每一榀張弦梁拉索的設計張拉力，從而做到一次張拉到位，避免循環張拉。

拉索張拉前，在張拉端的錨墊板和螺母之間安裝穿心式壓力傳感器（索力計），拉索張拉后，拉索的內力傳遞到壓力傳感器，傳感器內部安裝有高靈敏度弦式應變計，根據傳感器的受壓面積和應變可得到傳感器所承受的壓力，張拉索力誤差應≤10%的設計索力，索力實測值與設計值相比，滿足偏差要求。

7 結語

南京國際博覽中心工程為大跨鋼結構屋蓋，施工難度較大，針對主結構加工、安裝、張拉中遇到的相關問題，通過采取各種技術措施，使得問題得以有效的解決。

通過對索力及擾度監測驗證，結果均符合設計及規范要求，撐桿垂直度等觀感效果良好，收到了良好的工程效果，具有良好的社會效益和經濟效益。