裝配式大跨徑木質張弦梁結構施工技術

陳亞麗 胡煒煒 辛化文 吳 含 黃增平

1. 浙江省建工集團有限責任公司 浙江 杭州 310012；

2. 中建新疆建工（集團）有限公司華東分公司 浙江 杭州 311200

在設計選型和施工建造中，張弦梁結構體系憑借高效、經濟、美觀的結構特點得到了廣泛應用[1]。張弦梁結構體系是將剛性構件上弦、柔性拉索構件通過中間撐桿與下弦拉索組合在一起，形成自平衡的混合結構受力體系[2-3]。木結構是國家大力發(fā)展的裝配式結構體系之一，其中裝配式膠合木張弦梁結構以其良好的受力性能、優(yōu)美的外觀、較大的空間等特點，越來越受到青睞。

相對于剛性張弦梁結構而言，裝配式大跨徑木質張弦梁結構具有整體抗側剛度弱、穩(wěn)定性差、節(jié)點構造復雜、施工難度大等技術難點，屬于超限大跨木結構，結構設計和施工時都需要專門研究和論證。本文對施工過程中比較關鍵的問題，如張弦梁結構的總體施工流程、施工方案、張弦梁及拉索安裝、張拉順序、張拉過程監(jiān)測、張拉過程受力分析等進行了重點介紹，豐富了裝配式大跨徑木質張弦梁結構的施工經驗，提升了大跨度木結構建筑施工領域的技術水平，保證了結構安裝的安全性和可靠性[4-7]。

1 工程簡介

1.1 工程概況

某工程為一所全日制學校，在校學生8 000人，本期工程主要建設東區(qū)書院、湖東綜合體、綜合體育館等工程。綜合體育館是下部為混凝土結構、屋蓋為鋼結構的大型體育場館。整體建筑結構呈軸對稱布置，一側為訓練館，一側為游泳館，中間采用大跨徑木質張弦梁連接為整體。整體建筑立面如圖1所示。

圖1 整體建筑立面

1.2 結構特點

張弦梁結構建筑面積約2 041 m2，建筑層數為1層，木拱頂部結構標高為19.17 m，為5榀木質張弦梁結構，跨徑達45.6 m，每榀間距9 m。本工程裝配式木質張弦梁結構的跨徑及間距為國內罕見。

張弦梁結構由上部張弦梁段，下部拉索一，中間斜向撐桿一、斜向撐桿二及拉索二組成。結構立面如圖2所示。

圖2 張弦梁結構立面

上部張弦梁結構支承于預留的混凝土柱牛腿上，牛腿結構標高14.95 m。牛腿一端設置固定盆式橡膠支座，另一端為單向活動盆式橡膠支座。橡膠支座與頂部銷軸、下部預埋板通過施加周圍焊縫連接為整體。連接節(jié)點如圖3所示。

圖3 支座處連接節(jié)點立面

每榀木質張弦梁結構由6段強度等級為TCT24的同等組合花旗松層板膠合木木梁組成，每2段木梁之間通過厚30 mm的Q235B鋼連接板與強度等級為8.8級的φ30 mm普通螺栓連接而成。木結構選材為花旗松層板膠合木，結構設計安全等級為二級，使用年限為50 a。分段標高對稱位于17.436、18.748、19.170 m位置處，木梁段連接節(jié)點如圖4所示。

圖4 木梁段連接節(jié)點立面

結構中間部位有2個材質為Q235B的斜向撐桿二與拉索一通過索頭連接，連接節(jié)點如圖5所示。

圖5 斜向撐桿二節(jié)點立面

1.3 施工方案比選

目前，裝配式大跨徑張弦梁結構施工通常有2種方案：第1種是將大跨徑張弦梁段先在地面拼裝為整體，再以榀為單元進行吊裝，待吊裝就位、安裝次梁等附屬構件后，張拉拉索至設計值，完成結構的安裝；第2種是將大跨徑張弦梁段先吊裝就位，再在高空中散件組裝拼接成一榀大跨徑張弦梁結構，分次吊裝完成每榀張弦梁結構，待次梁等附屬構件全部安裝完成后，對拉索進行張拉。

相較于第2種施工方案，第1種施工方案具有施工簡單、安全風險小、不需要搭設胎架、工程造價低等特點，但由于裝配式大跨徑張弦梁結構側向剛度小、每榀張弦梁結構之間無連系，故容易出現平面外失穩(wěn)等情況。第2種施工方案在高空安裝，需要搭設胎架，張拉時需要克服整個屋面的自重，因此，第2種方案的張拉力較大，張拉作業(yè)強度及難度也相應較大。

本工程采用有限元方法進行力學分析與計算，輔助結構施工方案的選型。取單榀桁架，用SAP2000模擬計算，單榀張弦梁在第1至第4模態(tài)均為平面外失穩(wěn)，至第5模態(tài)才呈現平面內失穩(wěn)。而在實際張拉完成和起吊過程中，動力作用或吊裝偏心所引起的側向擾動將大于計算考慮的數值。第2種方案由于張弦梁和次梁已完成拼裝，張拉時次梁可以約束每榀桁架，故更有利于結構的側向穩(wěn)定。綜合分析后，本工程選用第2種施工方案。

2 施工技術

2.1 支座安裝

盆式橡膠支座又稱彈性支座，具備以下優(yōu)點：具有足夠的豎向剛度以承受垂直荷載，能夠將上部結構的反力可靠地傳遞給墩臺；有良好的彈性以適應梁端的轉動；能產生較大的剪切變形以適應上部結構的水平位移；可以產生很好的防振作用，能有效減小動載對結構所造成的沖擊作用，增加結構自身的安全實用性，有效延長結構物的實際應用壽命。本工程支座一側設置有5個固定盆式橡膠支座和5個單向活動滑動支座。

施工流程為：牛腿施工→放線定位→安裝預埋板→預埋板位置校正、固定→支設模板、澆筑基礎混凝土→安裝橡膠支座→進行上部大跨徑木質張弦梁施工。

在施工過程中，要注意控制預埋板的平面位置和豎向高度。用塔吊或吊車將盆式橡膠支座本體吊裝在固定位置，按照廠家提供的吊點（連接板上預留的吊裝螺孔）安裝吊具，嚴禁使用連接螺孔起吊，防止對連接螺孔造成損傷。

在固定盆式橡膠支座安裝開始之前，牛腿混凝土強度應達到設計強度的75%，并將預埋板清理干凈。將固定盆式橡膠支座的中心位置與預埋板的中心位置保持一致，經過檢查和驗收后，將底盆與預埋板通過角焊縫圍焊成一個整體。

2.2 胎架搭設

木梁段吊裝前需搭設滿堂腳手架及上弦梁跨中支撐胎架。胎架按圖紙中梁底設計標高現場放樣搭設。搭設滿堂腳手架，可提高安裝中桁架上弦的穩(wěn)定性，在上弦梁底設計標高位置搭設胎架至梁底。同時，為給主梁鋼支撐及拉索張拉提供操作平臺，在主梁下方標高處滿鋪木板形成工作平臺。

2.3 木構件加工與制作

木結構的加工與制作直接影響結構的安裝精度。用于制作膠合木構件的層板厚度在沿板寬方向上的厚度偏差不超過±0.2 mm，在沿板長方向上的厚度偏差不超過±0.3 mm。層板指接接頭在切割后應保持指形切面的清潔，并應在24 h內進行黏合。指接接頭涂膠時，所有指形表面應全部涂抹。固化加壓時，端壓力應根據采用的樹種和指長，控制在2～10 N的范圍內，加壓時間不得低于2 s。層板膠合前表面應光滑，無灰塵、雜質、污染物和其他滲出物質。各層木板的木紋應平行于構件長度方向，層板涂膠后應在所用膠黏劑規(guī)定的時間內進行加壓膠合，膠合前不得污染膠合面。

膠合木膠縫應均勻，膠縫厚度應為0.1～0.3 mm。厚度超過0.3 mm膠縫的連續(xù)長度不應大于300 mm，且膠縫厚度不得超過1 mm。在承受平行于膠縫平面的剪力時，構件受剪部位漏膠長度不應大于75 mm，其他部位不大于150 mm。在室外使用環(huán)境條件下，層板寬度方向的平接頭和層板板底開槽的槽內均應填滿膠。

層板膠合時，應確保夾具在膠層上均勻加壓，所施加的壓力應符合膠黏劑使用說明書的規(guī)定。對于厚度不大于35 mm的層板，膠合時施加壓力應不小于0.6 N；對于彎曲的構件和厚度大于35 mm的層板，膠合時應施加更大的壓力。

2.4 張弦梁裝配

吊裝單組張弦梁前，檢查木梁需要在地面安裝的金屬連接件是否安裝好，然后確定構件的吊點位置和綁扎方法。為保證木構件的外觀質量，應采用棉吊帶吊裝。本工程中膠合木構件截面大且質量較重，膠合梁吊裝時采用兩點對稱綁扎起吊并就位安裝。膠合梁起吊后距安裝支座100 mm時慢速就位，待膠合梁吊裝就位后進行對接調整，然后和金屬連接件固定連接。

為確保安全，起吊前要預先綁好纜風繩，便于起吊和落吊時的構件牽引控制。根據現場塔吊位置，張弦梁可按先遠后近的順序吊裝。每組張弦梁采用分件吊裝的方法，先將單組遠的一端依次吊裝在定位胎架上，隨吊隨調整，然后進行臨時固定。根據現場實際情況，一個或多個單體可同步施工。

2.5 拉索安裝與張拉

采用吊機將纜索吊上操作平臺，再采用手拉葫蘆進行安裝。先安裝一側錨具，待銷軸安裝并固定后，再進行另一側的安裝。

每榀張弦梁共4組拉索一、2組拉索二。施加預應力時，先自支座向跨中對稱張拉拉索一，每次張拉1組，每榀共1次張拉完成；然后同步張拉拉索二。所有預應力索均為一端固定、單側張拉。

張拉過程將遵循相應對稱、同步張拉、逐漸加載到位的原則。配備4臺100 t千斤頂，滿足350 kN以下張拉力的要求，采用穿心千斤頂同步張拉工藝。根據現場施工工藝順序及設計要求，通過施工模擬分析得出每榀張弦桁架張拉施工時的控制索力及單榀桁架張拉時對周邊桁架的索力影響。為保證張拉同步，分4級張拉，分別為設計張拉力的25%、50%、75%、100%。

2.6 張拉過程監(jiān)測

拉索預張力施工過程是個動態(tài)的結構狀態(tài)變化過程，是結構從零狀態(tài)向成形初始態(tài)轉變的過程。由于裝配式木質張弦梁結構安裝誤差，拉索制作、安裝和張拉誤差，分析誤差以及環(huán)境影響等原因，實際結構狀態(tài)與分析模型是有差異的。因此，有必要對拉索預應力施工過程進行監(jiān)測，對比理論分析值和實際結構響應的差異，及時掌握各關鍵施工階段的結構狀態(tài)，保證拉索施工全過程處于可控狀態(tài)，為下階段施工和最后的施工驗收提供依據。

監(jiān)測設備采用常州華巖預應力傳感器有限公司生產的振弦式應變計及配套測試設備和百分表。應變計頻率與壓力（張拉值）經過標定，按公式進行計算。

2.7 張拉過程監(jiān)測結果

取本工程中某一榀典型張弦梁的監(jiān)測結果進行分析，結果顯示張拉值與應變計數值基本一致，且張拉值達到設計要求。但當回油后，張拉值將有較大的損失，原因可能是工裝段長度無法與張拉值一致。木梁上的應變值多為壓應變，并顯示出跨中大、1/4跨較小、端部也較大的特征。

3 結語

對于裝配式大跨徑木質張弦梁結構，需根據構件安裝情況及預應力施加方案，計算結構在此施工工況下的應力和變形，并以仿真計算結果指導實際施工。為更好地監(jiān)控裝配式大跨徑木質張弦梁結構的初始應力和位移，宜對張拉施工過程作數值分析和實時監(jiān)測。

在施工中，應選擇合理的張拉分區(qū)、順序及張拉工藝，配合張拉前、張拉中、張拉后的結構監(jiān)控等措施，使施工過程始終處于可控狀態(tài)。應從拉索制作、安裝、張拉等工藝過程出發(fā)，改進施工工藝，合理組織施工流水，保證結構成形質量。