马鞍形预应力索膜结构施工技术

2015-09-19

建筑施工 2015年10期

中国建筑第二工程局有限公司（沪）上海 200135

1 工程概况

武汉中央文化区汉秀剧场项目装饰性造型幕墙设置在主体结构外侧，与结构主体之间保持5～21 m的距离，其直径为110 m，高约60 m，由椭圆形轮辐环管（前厅部分加强为环桁架）、伞撑、桅杆支撑、单层马鞍形预应力索网和竖索构成，为非封闭的装饰性构筑物，其外表面由小圆盘与拉索构成，造型独特（图1）。

索网幕墙为双向单索幕墙系统，以椭圆形环管（前厅部分为桁架）为骨架，在骨架交叉形成的区格中填充单层马鞍形预应力索网。索网幕墙底部与裙楼拉接，立面上通过布置伞状支撑与主体结构相连，顶部通过桅杆支撑与屋盖结构相连。通过椭圆形环管承受环向压力，裙楼提供向下的拉力，单层索网为环管提供竖向面内的稳定性并形成蒙皮效应，竖索为环桁架的内弦提供了竖向联系，从而使整体结构形成为一个张力空间结构。该索结构幕墙体型大，结构形式和力学性能独特，与一般屋盖和幕墙的索结构差异大，可借鉴的工程案例少。

椭圆形环管/环桁架（φ400 mm×10/20 mm），斜向相互交叉，构成了φ110 m的幕墙面骨架。环管自身难以独立承受自重及外荷载，需通过布置伞状支撑依附于主体结构。由于在前厅部分幕墙与主体结构距离较大（最大可达20 m），难以布置伞撑，故将前厅部分环管加强为环桁架，并在顶部通过撑杆与屋盖结构相连（图2）。

图1 汉秀剧场效果图

图2 索网幕墙钢构骨架

单层马鞍形预应力索网填充在环管区格中，各区格的边界形状和面积大小差异较大，最大跨度为33.30 m，最小跨度为2.20 m。由于通透性的要求，拉索布置细密、规格小、间距小、根数多。索网张拉完成后在拉索交点处安装圆形碟片，形成“红灯笼”的建筑效果。根据设计要求，预应力索需施加30 kN的预应力。

马鞍形预应力索网分为内外2层钢索，2层钢索均采用φ20 mm不锈钢拉索，2层索网通过圆形锻铸铝夹具连接，共计2 900根钢索。钢索两端与椭圆形钢桁架或钢管结构相连，索头采用压制锚具、叉耳式连接件和套筒调节装置（两端可调），并通过1个转向耳板与环管耳板销轴连接，实现多向转动。索网的双向拉索通过圆形索夹夹持在一起，碟片安装在索夹上。

拉索连接节点处由夹具和红色圆盘组件两大部分组成（图3）。其中，夹具由金属压盘1、金属压盘2、金属压盘3组成，金属压盘2和金属压盘3构成内层斜索夹具，金属压盘1和金属压盘2构成外层斜索夹具；最外层安装φ800 mm红色圆盘。本工程金属压盘共有18 000余套，由于索网预紧成型后，交点处内外索受压，因此索夹不承受拉力。索网安装完成后的轴测如图4所示[1-3]。点上的钢管壁加厚为20 mm，而其直径达110 m，需要通过若干支撑共同作用方可形成整体；而预应力索需施加30 kN的预应力，直接作用在外龙骨上将会使得外龙骨产生变形，如何进行索网的预应力施加是本项工程施工的难点，更是重点。

图3 拉索连接节点示意

图4 索网安装完成后的轴测示意

2）解决对策：初步设定集中张拉方案，对整个预应力索网张拉过程进行模拟，采用大型通用有限元软件ANSYS，考虑结构具有双重非线性（几何非线性和材料非线性）特征，计算中考虑几何大变形和应力刚化效应。经综合比较，最终确定张拉方案和张拉顺序。

2 索网幕墙安装、张拉难点分析

2.1 耳板定位难

1）难点描述：所有的索网均通过耳板与钢结构主龙骨相连接，索网最终的造型与耳板的定位息息相关；外龙骨呈立体圆形，单个外龙骨为立体椭圆形，耳板在外龙骨上的定位十分困难。

2）解决对策：通过采用有限元软件对外龙骨安装阶段和最终成型阶段进行建模模拟，将所有的索网进行精确模拟，从而确定外龙骨的空间坐标；现场实施时，根据设置在周边的基准点通过全站仪进行每一个耳板的精确定位。

2.2 索网安装难

1）难点描述：索网依附在钢结构龙骨上，而该龙骨与主体结构距离5～21 m；索网最高处达70 m，周边没有结构可以依附，耳板焊接和预应力索的安装较难进行。

2）解决对策：利用安装钢结构龙骨所设置的外置塔架作为操作平台；遇到不设塔架而仅设三角支撑的部位，利用钢结构三角支撑设置吊篮；高出结构的部分，在外龙骨安装完成后，在外龙骨顶部设置吊篮。

2.3 立体交叉施工安全监管难

1）难点描述：工期紧张，外龙骨与索网同时施工，索网下部还在进行外幕墙施工，存在上下立体交叉施工的安全隐患，安全监管难。

2）解决对策：调整施工顺序，室内外分隔，建立立体作业面移交制度，加强安全监管。在外龙骨安装前完成+19.00 m水平幕墙的安装，并在水平玻璃幕墙上设置防护，通过水平玻璃幕墙的安装，将上部外龙骨和索网安装与室内精装修施工分隔开来；按照外龙骨的分隔将索网安装范围分成若干工作段，每个工作段内只允许1个施工单位进行作业；根据工序安排现场施工的顺序，每天召集各单位确认每个工作段内的工作，并安排专人进行安全监管。

2.4 外龙骨柔软，预应力张拉成型难

1）难点描述：索网所依附的钢结构外龙骨为φ400 mm、壁厚为10 mm或20 mm的钢管，仅在外龙骨交叉

3 索网安装、张拉总体方案

索网总体安装顺序为配合钢结构安装顺序，从下而上逐层安装。同一层索网区格安装先后顺序根据现场钢结构安装完成情况而定。

索网张拉总体原则为分2次逐层张拉，即在索网自下而上逐层安装时，以15 kN为张拉索力逐层进行第1次张拉，索网安装及第1次张拉在支撑胎架上完成；第1次张拉完成后索网基本成型，拆除结构支撑胎架，再自上而下以30 kN为张拉索力逐层进行第2次张拉。

4 施工流程

1）索及夹具安装流程：测量定位→耳板焊接→外层索安装→内层索安装→夹具安装→碟片安装。

2）根据现场情况及工序安排，确定索网安装流程为：主体结构施工完成→外置塔架吊装、三角支撑安装→第1层外龙骨安装→第2层外龙骨安装、第1层索网及碟片安装→第3层外龙骨安装、第2层索网及碟片安装→第4层外龙骨安装、第3层索网及碟片安装→第5层外龙骨安装、第4层索网及碟片安装→第5层索网及碟片安装→索网自下而上逐层第1次张拉→外龙骨整体荷载转换→塔架拆除、三角支撑拆除→吊篮安装→索网自上而下逐层第2次张拉→索网调整找形→吊篮拆除[4,5]。

5 索网安装方案

5.1 临时支撑系统安装

前厅部分用于支撑外龙骨的外塔架、后厅部分用于支撑外龙骨的楼层结构柱外三角挑支架的平面布置如图5、图6所示。

5.2 索网龙骨安装

按照图纸设计要求，将索网主龙骨分段进行吊装，主龙骨全部搁置在塔架和三角支撑上。主龙骨采取自下而上分段吊装的方式进行安装。

5.3 测量定位及耳板焊接

设置一级控制网，用全站仪采取极坐标定位法进行耳板定位。测量定位完成后，在钢龙骨上用油漆进行标示，然后将耳板焊接在钢龙骨上。

图5 前厅环桁架部分支撑塔架三维示意

图6 后厅节点剖面示意

5.4 拉索安装

1）单根拉索质量从52～85 kg不等，每个拉索夹具质量约为2.00 kg，每根拉索上需要安装4～15套铝合金金属压盘。

2）在安装现场根据斜向拉索编号对主体结构上的锚固部位进行标记。

3）在地面上将双向节点接驳件分解成3块，并且把其中金属压盘3和金属压盘2分别安装至内层拉索上指定位置。

4）按编号顺序依次把内层拉索通过第2层上设置的滑轮牵引至对应的主体结构锚固部位（本项工作可根据施工进度计划需要，把拉索幕墙分成多个作业区段，同时进行拉索安装工作）。

5）当拉索2个固定端均安装至主体结构锚固处并可靠锚固后，把节点处内、外层斜向拉索卡具用对接螺栓连接，固定好2层拉索。

6）索网区格的安装必须遵守“从下而上，从小格到大格，前后中轴对称同步协调”原则，依次安装拉索。其中2层斜向拉索通过金属压盘进行连接固定，可以形成索网的零状态。

7）拉索安装过程中应做好对拉索及双向节点接驳件的保护工作，如有损坏，应及时联系厂家维修或更换相应材料。拉索安装步骤为：安装外层索→安装内层索→锁好夹具（金属压盘）[6,7]。

6 预应力索网张拉过程分析

6.1 施工分析软件和方法

采用大型通用有限元软件ANSYS，考虑结构具有双重非线性（几何非线性和材料非线性）特征，计算中考虑几何大变形和应力刚化效应。基于ANSYS平台和相关规范，二次开发了钢构件和拉索的承载力验算程序。

6.2 荷载条件

1）自重：钢材密度为7.85×103kg/m3；索夹重量取150 N；找力分析时不考虑索网及索夹自重作用，其他分析时再计入二者自重。

2）预张力：施工过程为分2次进行张拉，第1次张拉的预张力为15 kN，第2次张拉的预张力为30 kN。

3）支座约束条件：

（1）结构约束条件：幕墙底部与裙楼相连处为固定支座，伞撑与主体连接处为三向固定铰支座，伞撑与钢屋盖连接处为弹性支座，竖向刚度为40 000 N/mm。

（2）支架附加约束条件：支撑胎架为结构在所有支撑点提供附加竖向约束，包括向上和向下约束；在钢构和索网安装、索网第1次张拉时存在支架附加约束，第1次张拉完成后完成支架拆除，之后不再存在支架附加约束。

6.3 3个关键施工阶段的结构状况

索网安装张拉的整个施工过程主要分为第1次张拉、拆除支架、第2次张拉3个过程，控制这3个施工阶段的结构状况是整个施工过程分析的关键。

6.3.1 第1次从下而上逐层张拉过程分析

索网第1次分层张拉以15 kN为张拉索力，从下而上逐层进行张拉。15 kN索力为索网全部张拉完成后的平均索力，在考虑索网和索夹自重后，各层索网以及同一区格内索网索力存在一定不均匀性。

分层张拉后索网索力及钢构件应力情况如表1所示。

表1 索网分层张拉时整体索网索力及钢构件最大等效应力

6.3.2 拆除支架过程分析

在索网第1次分层张拉完成后进行支撑胎架的拆除。支撑分层分批进行拆除，先拆除后厅支撑三角架，再从上而下分5层拆除前厅部分支撑塔架。

分层分批进行支撑胎架拆除，索网索力及钢构件等效应力变化如表2所示。从表中可以看出，拆除胎架对于索网索力及钢构件等效应力影响均较小。

表2 分层分批拆除支撑胎架索网索力变化及钢构件最大等效应力

6.3.3 索网第2次分层张拉

索网第2次分层张拉以30 kN为张拉索力，自上而下逐层张拉。第2次张拉时已拆除支撑胎架，为最后补张拉阶段，使索网索力达到设计张拉索力。由于索网及索夹自重影响，30 kN索力为平均索力，各区格及区格内部上下部分均存在一定的索力不均匀现象。

第2次分层张拉后索网索力及钢构件应力情况如表3所示。

表3 索网第2次分层张拉索网索力及钢构件最大等效应力

7 预应力张拉

7.1 张拉设备介绍

选用液压手摇泵张拉器，对每根斜向拉索实施张拉。针对本工程实际情况，准备了15套手摇泵张拉器，如图7所示。

图7 手摇泵张拉器

7.2 拉索张拉力顺序

因本工程项目比较特殊，采用的是主体钢结构边施工、不锈钢索边张拉的交叉作业顺序，在主体结构没有完成卸载的情况下，钢索安装就基本找形完成，而待钢结构完成卸载，钢桁架的内应力重新分配直至最终变形完成，再调整索力直至达到设计要求。经计算分析，张拉索力比较小，每根索力约30 kN，所以对整体结构变形影响不大。根据现场的实际情况，采用“从下而上，从小格到大格，前后中轴对称同步协调”的张拉顺序，第1次张拉达到设计预应力值的50%，第2次张拉达到设计预应力值的100%。第1次张拉，应在钢结构没有卸载的情况下完成，并且完成基本找形（具备安装红色大圆盘的条件），第2次张拉必须等钢结构完全卸载并且钢结构内应力重新分配到位后才可以进行。