大跨度張弦梁結構屋蓋安裝質量控制及施工技術優化

摘 要：大跨度張弦梁高空施工作業存在風險大、結構復雜節點多、吊裝方式選擇難等問題，由此引發了“構件錯位”及“構件變形”一系列施工質量問題。在象嶼大廈的大跨度張弦梁施工過程中，通過對施工過程的質量控制要因進行分析，提出了針對性的解決方案，同時對大跨度張弦梁體系施工技術進行了優化，提高了一次安裝合格率，取得了良好的技術、經濟、環保和社會效益。

關鍵詞：大跨度；張弦梁；安裝合格率；3D掃描；有限元分析文章編號：2095-4085（2024）02-0067-03

1 工程概況

象嶼集團大廈位于廈門市湖里區，地下3層，地上11層，建筑高度48.5m。主體結構總體分為東西塔樓，其中二至四樓兩塔樓通過裙樓連接，并在機房層通過張弦梁進行連接，張弦結構屋蓋由上弦鋼梁、下弦索及中部的圓管撐桿構成，兩端分別設有滑動支座和鉸支座。其中上弦鋼梁截面尺寸為500mm×300mm×20mm×20mm，最大跨度為39.9m，共10根。

本工程張弦梁位于屋面層，標高為50.6m，下方為裙樓三層（8m）、四層（13.4m）、五層（15.8m），且無任何腳手架及操作平臺等措施，預應力鋼索施工90%以上為高空作業，作業風險大。張弦結構與塔樓結構連接方式多樣化［1-4］，吊裝方式選擇難，且本項目質量要求高。若出現返工，將需要花費大量人力、物力、財力進行后期調整。因此需要提高大跨度張弦梁一次安裝合格率（見圖1）。

2 張弦梁屋蓋安裝質量控制要點

2.1 質量控制要因分析

項目部對既有同類型工程張弦梁安裝的不合格因素進行了討論分析，并利用排列圖對收集到的信息進行統計分析（見圖2）。

由排列圖中可以看出：“構件錯位偏差大”及“構件變形大”是影響大跨度張弦梁體系安裝的關鍵控制點。

針對“構件錯位偏差大”及“構件變形大”的問題，項目部進行了專項論證，認為只有大幅度降低這兩項關鍵癥結的發生，才能確保提高大跨度張弦梁一次安裝合格率。針對此要求，對施工現場及既有工程進行現場調查，找到了以下三個問題，并采取了相應的措施。

2.2 質量控制關鍵問題

2.2.1 下料方法

傳統鋼結構下料是按照施工詳圖放出足寸節點大樣，依據經驗考慮預留收縮量進行切割下料，此方法制作的構件尺寸與現場實際需求尺寸誤差較大，這將直接影響構件的相互連接，不利于現場的安裝調節。

2.2.2 吊裝方法

原方案定于在地面將分段1～3整段進行拼裝焊接，然后整榀提升安裝。但在整段吊裝過程中，由于跨度大且重量過大，鋼梁兩端存在明顯的下擾現象，產生變形，使得整榀吊裝難以控制安裝精度。

2.2.3 監測方法

監測階段如采用振動頻率法，要建立拉索的簡化模型，實測拉索的振動頻率，經過計算間接得出索力，因為受減震器、外護套等影響，其測量精度比較差。如采用壓力傳感器，要串接在受力結構中，將傳遞到傳感器上面的力測量出來，但由于受荷載長期作用、材料徐變、形變傳遞失真等方面的影響，耐久性和長期精度很難保證。傳統監測方法無法滿足本工程預應力拉索施工，導致拉索預應力存在偏差，構件定位難以保證，易出現構件錯位。

3 張弦梁屋蓋施工技術優化

3.1 三維技術輔助下料

3.1.1 BIM建模技術

通過激光掃描跟蹤儀掃描，獲得現階段鋼結構外輪廓點云數據，利用軟件生成BIM模型，通過模型直接分析得出鋼構件的尺寸，輔助精準下料。

3.1.2 有限元分析模擬

采用大型有限元軟件Midas建立模型，將拉索安裝及張拉施工過程劃分成56個關鍵施工步驟進行施工仿真分析，并采用Ansys進行校核計算，計算出張

拉后的結構受力情況，根據這一狀態，給出鋼索的精確下料長度（見圖3）。

通過此方式，鋼梁和拉索的精度得到有效控制，切實為工廠制作下料提供了數據支持。

3.2 吊裝方案優化

3.2.1 構件分段

由于張弦梁最大跨度為39.9m，跨度較大，自重大，將引起吊裝過程中下撓等現象，對構件錯位造成較大影響，現將張弦梁按3個分段進行劃分，分段示意圖（見圖4）。

考慮到鋼梁的運輸，將分段2分為3段進行加工和運輸，在現場地面進行拼裝。分段示意圖（見圖5）。

3.2.2 合理布置安裝順序

第一步：先完成屋面層鋼結構、滑動支座及鉸支座的預埋及安裝。

第二步：使用塔吊安裝各榀張弦梁西塔側的分段1、分段2，以及東塔側的分段4。

第三步：分段2、分段4均存在較長的外挑段，因此設置剛性桿件、柔性拉索相結合的方式對分段2、分段4的外挑段進行支撐、拉結固定。

第四步：使用汽車吊或塔吊（雙機抬吊）的方式吊裝分段3，即完成整榀上弦梁的安裝。

第五步：安裝上弦梁下部的圓管撐桿，并用銷軸固定。

第六步：安裝張弦梁的主索，通過設置于東、西塔樓屋面層結構板的卷揚機將拉索分別提升到位，通過銷軸固定拉索連接的耳板與夾板，再通過張拉工裝和設備進行張拉施工，主索即安裝完成。

第七步：安裝張弦梁兩側的抗風索、穩定索，同樣采用張拉工裝和設備進行張拉，單榀張弦梁立面上的拉索即完成安裝。

第八步：通過塔吊安裝主梁間的附屬桿件，再逐榀完成平面抗風索的安裝。

利用合理分段，減少因自重過大產生撓度，且確保拉索在施工張拉過程中均處于彈性變形范圍內，滿足設計、施工要求。

3.3 監測方案優化

3.3.1 位移監測

位移監測在結構上選取張拉過程中位移響應敏感的位置進行三維坐標監測。采用在拉索上弦鋼梁的跨中和滑動支座的位置附近布置2組監測點，位移監測點布置在對應上部鋼構件表面，構件上粘貼反射片，用全站儀直接讀取監測點的坐標信息。

3.3.2 索力監測

采用磁通量傳感器對索力進行監測，通過非接觸式測量解決傳統傳感器受力疲勞影響使用壽命的問題，不損傷結構，抗干擾能力強、精確性高，與計算機連接，可進行多通道數據采集和遠程健康監測。

經方案調整后，精準實時監測索力及位移變化，達到與計算模型相吻合。同時鋼梁和拉索的精度得到有效控制。

3.4 優化后效果

在實施優化措施后，對已施工的大跨度張弦梁體系進行現場檢查，發現一次安裝合格率提升了13.9%，并且影響大跨度張弦梁結構體系一次安裝合格率的主要癥結，已經由主要問題下降為次要問題，效果顯著，達到了預期目標。

4 結語

本工程大跨度張弦梁由于跨度、自重及所處中庭裙樓上空的位置等因素，存在高空施工作業風險大、結構復雜節點多、吊裝方式選擇難等問題，由此引發了“構件錯位”及“構件變形”一系列施工質量問題，是本項目施工的一項重大技術難題之一。通過三個施工技術方案進行優化，有效解決了對應的難點。

三維技術輔助下料，大跨度張弦梁施工時采用3D掃描技術收集既有鋼結構外輪廓信息，建立BIM模型，通過BIM技術實現拉索及其耳板、撐桿和主次鋼梁精確下料。

吊裝方案優化，利用合理分段，通過吊裝工況分析論證分段方案可行性，采用大型建筑結構通用有限元分析與計算軟件midas Gen對主梁安裝進行驗算，確定安裝過程豎向位移在允許范圍內。

監測方案優化，利用有限元分析計算軟件midas Gen，對將拉索安裝及張拉施工全過程劃為35個關鍵施工階段進行仿真計算分析確認并通過磁通量傳感器對索力進行監測：鋼構件在施工張拉過程中均處于彈性變形范圍內；結構應力、下撓和構件穩定性均在安全范圍內；張拉順序及分級能夠滿足設計、施工要求。

本文總結了大跨度張弦梁施工安裝質量控制要點，提出了對應的優化方案，對以后相似的張弦梁施工提供了有力的技術保證。

參考文獻：

［1］劉強.淺談張弦梁預應力施工實施思路［J］.四川建筑，2009，29（3）：196-198.

［2］劉晟.預應力張弦梁設計理念與施工控制研究［D］.上海：同濟大學，2007.

［3］候會杰.平面張弦梁結構的施工過程控制研究［D］.天津：天津大學，2007.

［4］劉錦程.大跨度鋼結構關鍵施工技術的應用分析［J］.建筑技術開發，2017，44（7）：6-7.