索網結構懸空操作平臺施工技術研究

馮慶敏，魏從高，張意，管立平，張宇

（1重慶建工住宅建設有限公司，重慶 400015；2徐州通域空間結構有限公司重慶分公司，重慶 400060）

1 工程概況

重慶某廣場鋼結構玻璃頂蓋項目工程采光頂球殼（如圖1所示）建筑面積為870m2，球殼單體表面積1670m2，結構形式為球面網殼，節點形式為相貫節點，支撐形式為縱向多點支撐。屋蓋結構支座均設置在下部混凝土框架柱頂，支座上部由短柱與環形鋼梁焊接連接。該鋼結構工程為單層球面網殼結構，球殼半徑為36m，異型桁架最高點距離地面約為40m。

圖1 鋼結構玻璃頂蓋項目

2 施工難點和技術確定

傳統腳手架方案費用是與搭設腳手架體積呈線性增長，體積在超過一定限額時，所使用的材料也會依實際情況上浮，人工也會依實際情況增加[1]，因此整體費用偏高；傳統腳手架方案在施工過程中也隨高度增加，危險度會相應增加而施工效率相應降低。

球面網殼結構如圖2、圖3所示，該工程若采用滿堂腳手架對采光頂結構進行施工，則腳手架的搭設高度將達到將近40m，需要耗費大量的人力物力，且危險性高，經濟效益較差。鑒于此種情況，在細致考察了施工現場條件，并經過細致的分析論證后，最終決定采用搭設懸空操作平臺進行采光頂結構的施工。

圖2 球面網殼剖面圖

圖3 球面網殼施工圖

懸空操作平臺是一種網狀復合承重的綜合結構，該結構體系由鋼索網、槽鋼、木膠板、竹跳板等構件組成。鋼索網作為主要承重結構（如圖4所示）由固定于周圍支點的預應力鋼索交織形成，鋼索位置可通過做圓的內接等邊三角形，以旋轉角度為13.3°，旋轉生成九個相同的等邊三角形，三角形各邊即為鋼索布置位置。而后在索網上依次鋪設槽鋼、木膠板、竹跳板，并增設其他附屬設施，從而形成完整的懸空操作平臺。該平臺可大大減少施工腳手架的搭設成本，縮短施工周期，確保了大空間高空施工的順利開展。

表1 鋼索選型表

圖4 索網結構示意圖

3 力學計算

懸空操作平臺的主體受力結構為鋼絲繩交織形成的索網結構，作為柔性結構其初始剛度取決于施加的預拉力大小，若要使最終的操作平臺滿足施工安全及使用要求，就需要同時對索網結構在最不利荷載條件下的受力和變形進行限制[2]，并在此限制條件下通過優化分析選出最符合要求的鋼絲繩型號以及對應的所需施加的預拉力大小，從而指導實際的平臺搭設，在理論上保證懸空操作平臺的安全性和適用性。

采用通用有限元軟件ANSYS建立索網的有限元模型，鋼索采用LINK10單元模擬 （Tension only），有限元模型如圖5所示。

在受力和變形的雙控指標下，通過迭代優化分析，最終得到了滿足工程要求的索網型號及所需施加的預拉力大小。此外，為了增加該工法的適用范圍，還補充計算了結構跨度從18～42m時的鋼索選型和預拉力大小，以及鋼索固定點的最小承載力，限于篇幅，本文僅給出了30～36m時的選型結果，如表1所示。

4 施工工藝

4.1 工藝流程 （如圖6）

4.2 平臺搭設

4.2.1 現有結構條件判定

檢查現有結構是否具備鋼索的支承條件[3]。索網在現有圓形結構上應具有等間距的支承點，且支承點應滿足一定的承載力要求。

（1）現有結構滿足要求：現有結構滿足索網支承條件，此時可直接進行后續的方案設計。

圖6 工藝流程

（2）現有結構不滿足要求：在現有結構上增設索網結構臨時支承點，可采用焊接臨時支點或增設其他臨時錨固措施，并保證臨時支承點的承載力要求，之后方可進行后續施工。

4.2.2 索網張拉

（1）在方案選定和現場準備工作完成的情況下即可進入平臺主體受力索網張拉過程。

（2）主受力索的預張力最大不超過40kN，利用小型預應力張拉千斤頂、電動葫蘆導鏈等設備進行張拉。

（3）張拉的內力控制方式可以通過張拉設備設定設計張力來控制，或者根據鋼索截面型號及說明書要求，來控制拉索的內力。

（4）鋼索張拉設備采用千斤頂和配套油泵。根據設計和預應力工藝要求的實際拉力對千斤頂、油壓傳感器進行標定。實際使用時，由此標定曲線上找到與控制張拉力值相對應的值，并將其計算打印成表格，以便操作和查驗。

（5）根據現場施工條件，可以采用逐次單根張拉或多根同時張拉的方式進行。索網張拉應根據方案對稱張拉施工。

（6）施工平臺可能進行焊接施工，索端與錨固點之間應有絕緣措施。

（7） 鋼索與鋼柱鋼梁接觸部位增設枕木和膠皮墊（增大受力面積，減小壓強），該位置從上到下（外到內）依次順序為鋼索→枕木→膠皮墊→鋼柱（梁）。枕木和膠皮墊下方焊接下腳料作為支托，防止其受力后產生滑移。

4.2.3 輔助受力構件及附屬設施搭設

索網架設完成后，方可進入施工操作面輔助構件鋪設。

（1）采用鋼絲繩U形卡將鋼絲繩相交處兩根鋼絲繩固定在一起，保證鋼絲繩節點的穩固，從而保證鋼絲繩交織形成可靠的索網結構。

（2）鋪設槽鋼作為“受力次梁”，按照實際情況需求確定槽鋼鋪設間距（一般約為1～1.5m），在槽鋼端部鉆孔穿鐵絲將其與鋼索進行綁扎，槽鋼與鋼索通過在槽鋼上鉆孔，用鐵絲（或卡扣）穿過鉆孔將鋼索與槽鋼牢固綁扎固定，并進行防滑處理，可在綁扎處纏繞橡膠帶或布條等增大綁扎處的摩擦力，保證綁扎牢固可靠。

（3）槽鋼設置完成后，為滿足施工安全需求，在索網下方、施工平臺外圍增設施工安全防護網，防止異物墜落。

（4）鋪設木膠板和竹跳板。施工中應采取措施保證木膠板和竹跳板的穩定。一般可以在木膠板上鉆孔穿鐵絲將其與槽鋼固定[4]，竹跳板可以直接與鉆孔后的木膠板綁扎固定，如圖7、圖8所示。鋪設木膠板和竹跳板時應一端朝圓心均勻鋪設，盡可能減小板與板之間的空隙，平搭在主體結構一端的木膠板與竹跳板除與下部槽鋼間綁扎固定外，還應與周邊結構進行綁扎固定，具體可通過在木膠板與竹跳板上鉆孔，用鐵絲與主體結構進行綁扎固定，或根據具體的施工情況，采用可靠的方式進行固定。用于綁扎槽鋼的鐵絲直徑不小于3.5mm。

圖7 木板與槽鋼連接示意圖

圖8 竹跳板與木板連接示意圖

（5）增設平臺臨邊防護措施。可通過在臨邊槽鋼焊接三角支架（如圖9），而后在支架上焊接鋼筋從而形成臨邊護欄（如圖10），在平臺下方布置安全防護網。

圖9 臨邊槽鋼上焊接臨時護欄

圖10 焊接鋼筋后整體護欄示意圖

（6）由于索網平臺雖然承載力足夠但施工過程中在施工荷載作用下依然存在一定的撓度。為進一步減小索網平臺的撓度，在上部穹頂的主受力鋼梁架設完成的條件下，可以利用上部結構的承載能力，在鋼索最內圈與主梁投影相交的位置分別增設豎向拉接導鏈，如圖11所示，從而進一步減小施工平臺索網撓度，保證施工平臺的水平度，豎向拉接導鏈與主梁的連接可采用在主梁上焊接臨時構件（如將鋼筋加工成U形焊接在主梁上部），將導鏈繞過主梁，通過臨時構件的輔助從而與主梁可靠連接。導鏈與索網的連接則應選擇索網節點處作為連接部位，可在該節點部位纏繞橡膠帶等，增大節點部位摩擦力，將導鏈牢固纏繞并固定于索網節點處。施工平臺搭設完成后如圖12所示。

圖11 豎向拉接導鏈設置位置

圖12 施工平臺搭設完成

（7） 平臺搭設完成后，中部上料口應設置安全兜網，在不上料情況下，保證安全兜網全覆蓋中部的空間。上料過程只能局部打開，能滿足上料施工即可。

（8） 平臺操作面可適當增設防滑措施，如采取鋪設橡膠墊等增強平臺防滑性。

（9）平臺搭設完成后應根據方案設置限重標識。

4.3 平臺使用要點

（1）按設計規定的荷載使用，嚴禁超載。

（2）平臺荷載應均勻分布，避免荷載集中于一點或一側。

（3）不得隨意拆除安全防護措施，未有設置或設置不符合要求時，應予補設或改善后才能上架進行作業[5]。

（4）施工過程中，應對平臺承載力和變形進行控制監測，平臺承載力不應超過鋼索選型表中的荷載限值，具體控制方法可通過在平臺臨邊欄桿處設置觀測點，采用水準儀監測該點撓度，控制撓度在選型表限值以內。當撓度超過位移限值時，應立刻停止施工，采取卸載或對鋼索補張拉等措施來控制平臺變形。

（5）作業時應注意隨時清理落到平臺面上的材料，保持平臺面上規整清潔，不要亂放材料、工具，以免影響作業安全和發生墜物傷人。

（6）每次收工時，宜把平臺面上的材料用完或碼放整齊。

（7）禁止在平臺面上打鬧戲耍。禁止在平臺面上急行或跑動。

（8）在平臺上進行電氣焊作業時，要鋪設隔火、接火設施，同時設置滅火器等防火、滅火設施。

（9）當平臺面高度不夠，一定要采用穩定可靠的墊高方法，當需要再搭設門字型腳手架或高凳時，在底部應設置整塊木墊板等。在加高作業面時，應相應增設防護設施，保證腳手架的平穩。

（10）在平臺上運送材料時要輕拿穩放，不許采用傾倒、猛磕或其他匆忙卸料方式。

（11）工人在操作平臺上進行施工時應系好安全繩。在上部結構（如網架、網殼等）完成前，安全繩可固定在主體結構周邊柱（或環梁）上；在上部結構完成后，可將安全繩固定于上部結構上。

4.4 平臺拆除

為保證施工平臺拆除過程中的安全性，拆除施工平臺必須完成下列準備工作：

（1）全面檢查施工平臺，重點檢查鋼索支承點、防護措施等是否符合安全要求。

（2）根據檢查結果及現場情況結合專項施工方案制定拆除順序和措施。

（3）根據拆除現場的情況設圍欄或警戒標志，并有專人看守。

（4）拆除前清除平臺上留存的材料、電線等雜物及地面障礙物。

施工平臺的拆除應符合下列要求：

（1）拆除平臺必須有專人指揮，參與拆除的人員應注意動作的配合和協調，在拆除過程中不宜中途換人，不得單人拆除較重桿件等有危險的構配件。

（2）拆除順序應是后搭設的部件先拆，先搭設的部件后拆。

（3）拆除的施工平臺部件應及時運至地面，嚴禁從空中拋擲。

（4）運至地面的平臺部件應及時清理、保養，根據需要涂刷防銹漆，并按品種、規格隨時碼堆存放。

5 結論

懸空操作平臺是一種網狀復合承重的綜合結構，具有搭建方便、成本低、適用性強等特點。

（1）平臺受力合理，安全可靠。懸空操作平臺主受力構件為預應力鋼索，另外有槽鋼、木膠板、竹跳板作為輔助受力構件，在一起形成了網狀復合承重的綜合結構，保證體系結構安全，總體適用性較強。

（2）平臺搭建方便，工藝簡單。相對于滿搭腳手架來說，索網平臺搭建更加方便，僅需要將鋼索張拉后固定并形成索網，節約了大量的人力成本，節約工期。

（3）平臺節約材料，總體成本低。該平臺僅需要少量鋼索和一套預拉設備，而且可重復使用，總體投入少。

[1]蘇建華.采光頂幕墻凌空安裝施工技術[J].廣州建筑，2014，42（4）：14-18.

[2]住房和城鄉建設部.GB50009—2012建筑結構荷載規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2012.

[3]住房和城鄉建設部.JGJ59—2011建筑施工安全檢查標準[S].北京：中國建筑工業出版社，2012.

[4]曹亞軍，車志巖，謝超.大跨度操作平臺在采光頂施工中的應用[J].施工技術，2016，45（6）：74-77.

[5]上海市建筑施工技術研究所.JGJ80—1991建筑施工高處作業安全技術規范[S].北京：中國計劃出版社，2004.