装配式大跨径木质张弦梁结构施工技术

2021-08-19陈亚丽胡炜炜辛化文黄增平

建筑施工 2021年4期

陈亚丽胡炜炜辛化文吴含黄增平

1. 浙江省建工集团有限责任公司浙江杭州 310012；

2. 中建新疆建工（集团）有限公司华东分公司浙江杭州 311200

在设计选型和施工建造中，张弦梁结构体系凭借高效、经济、美观的结构特点得到了广泛应用[1]。张弦梁结构体系是将刚性构件上弦、柔性拉索构件通过中间撑杆与下弦拉索组合在一起，形成自平衡的混合结构受力体系[2-3]。木结构是国家大力发展的装配式结构体系之一，其中装配式胶合木张弦梁结构以其良好的受力性能、优美的外观、较大的空间等特点，越来越受到青睐。

相对于刚性张弦梁结构而言，装配式大跨径木质张弦梁结构具有整体抗侧刚度弱、稳定性差、节点构造复杂、施工难度大等技术难点，属于超限大跨木结构，结构设计和施工时都需要专门研究和论证。本文对施工过程中比较关键的问题，如张弦梁结构的总体施工流程、施工方案、张弦梁及拉索安装、张拉顺序、张拉过程监测、张拉过程受力分析等进行了重点介绍，丰富了装配式大跨径木质张弦梁结构的施工经验，提升了大跨度木结构建筑施工领域的技术水平，保证了结构安装的安全性和可靠性[4-7]。

1 工程简介

1.1 工程概况

某工程为一所全日制学校，在校学生8 000人，本期工程主要建设东区书院、湖东综合体、综合体育馆等工程。综合体育馆是下部为混凝土结构、屋盖为钢结构的大型体育场馆。整体建筑结构呈轴对称布置，一侧为训练馆，一侧为游泳馆，中间采用大跨径木质张弦梁连接为整体。整体建筑立面如图1所示。

图1 整体建筑立面

1.2 结构特点

张弦梁结构建筑面积约2 041 m2，建筑层数为1层，木拱顶部结构标高为19.17 m，为5榀木质张弦梁结构，跨径达45.6 m，每榀间距9 m。本工程装配式木质张弦梁结构的跨径及间距为国内罕见。

张弦梁结构由上部张弦梁段，下部拉索一，中间斜向撑杆一、斜向撑杆二及拉索二组成。结构立面如图2所示。

图2 张弦梁结构立面

上部张弦梁结构支承于预留的混凝土柱牛腿上，牛腿结构标高14.95 m。牛腿一端设置固定盆式橡胶支座，另一端为单向活动盆式橡胶支座。橡胶支座与顶部销轴、下部预埋板通过施加周围焊缝连接为整体。连接节点如图3所示。

图3 支座处连接节点立面

每榀木质张弦梁结构由6段强度等级为TCT24的同等组合花旗松层板胶合木木梁组成，每2段木梁之间通过厚30 mm的Q235B钢连接板与强度等级为8.8级的φ30 mm普通螺栓连接而成。木结构选材为花旗松层板胶合木，结构设计安全等级为二级，使用年限为50 a。分段标高对称位于17.436、18.748、19.170 m位置处，木梁段连接节点如图4所示。

图4 木梁段连接节点立面

结构中间部位有2个材质为Q235B的斜向撑杆二与拉索一通过索头连接，连接节点如图5所示。

图5 斜向撑杆二节点立面

1.3 施工方案比选

目前，装配式大跨径张弦梁结构施工通常有2种方案：第1种是将大跨径张弦梁段先在地面拼装为整体，再以榀为单元进行吊装，待吊装就位、安装次梁等附属构件后，张拉拉索至设计值，完成结构的安装；第2种是将大跨径张弦梁段先吊装就位，再在高空中散件组装拼接成一榀大跨径张弦梁结构，分次吊装完成每榀张弦梁结构，待次梁等附属构件全部安装完成后，对拉索进行张拉。

相较于第2种施工方案，第1种施工方案具有施工简单、安全风险小、不需要搭设胎架、工程造价低等特点，但由于装配式大跨径张弦梁结构侧向刚度小、每榀张弦梁结构之间无连系，故容易出现平面外失稳等情况。第2种施工方案在高空安装，需要搭设胎架，张拉时需要克服整个屋面的自重，因此，第2种方案的张拉力较大，张拉作业强度及难度也相应较大。

本工程采用有限元方法进行力学分析与计算，辅助结构施工方案的选型。取单榀桁架，用SAP2000模拟计算，单榀张弦梁在第1至第4模态均为平面外失稳，至第5模态才呈现平面内失稳。而在实际张拉完成和起吊过程中，动力作用或吊装偏心所引起的侧向扰动将大于计算考虑的数值。第2种方案由于张弦梁和次梁已完成拼装，张拉时次梁可以约束每榀桁架，故更有利于结构的侧向稳定。综合分析后，本工程选用第2种施工方案。

2 施工技术

2.1 支座安装

盆式橡胶支座又称弹性支座，具备以下优点：具有足够的竖向刚度以承受垂直荷载，能够将上部结构的反力可靠地传递给墩台；有良好的弹性以适应梁端的转动；能产生较大的剪切变形以适应上部结构的水平位移；可以产生很好的防振作用，能有效减小动载对结构所造成的冲击作用，增加结构自身的安全实用性，有效延长结构物的实际应用寿命。本工程支座一侧设置有5个固定盆式橡胶支座和5个单向活动滑动支座。

施工流程为：牛腿施工→放线定位→安装预埋板→预埋板位置校正、固定→支设模板、浇筑基础混凝土→安装橡胶支座→进行上部大跨径木质张弦梁施工。

在施工过程中，要注意控制预埋板的平面位置和竖向高度。用塔吊或吊车将盆式橡胶支座本体吊装在固定位置，按照厂家提供的吊点（连接板上预留的吊装螺孔）安装吊具，严禁使用连接螺孔起吊，防止对连接螺孔造成损伤。

在固定盆式橡胶支座安装开始之前，牛腿混凝土强度应达到设计强度的75%，并将预埋板清理干净。将固定盆式橡胶支座的中心位置与预埋板的中心位置保持一致，经过检查和验收后，将底盆与预埋板通过角焊缝围焊成一个整体。

2.2 胎架搭设

木梁段吊装前需搭设满堂脚手架及上弦梁跨中支撑胎架。胎架按图纸中梁底设计标高现场放样搭设。搭设满堂脚手架，可提高安装中桁架上弦的稳定性，在上弦梁底设计标高位置搭设胎架至梁底。同时，为给主梁钢支撑及拉索张拉提供操作平台，在主梁下方标高处满铺木板形成工作平台。

2.3 木构件加工与制作

木结构的加工与制作直接影响结构的安装精度。用于制作胶合木构件的层板厚度在沿板宽方向上的厚度偏差不超过±0.2 mm，在沿板长方向上的厚度偏差不超过±0.3 mm。层板指接接头在切割后应保持指形切面的清洁，并应在24 h内进行黏合。指接接头涂胶时，所有指形表面应全部涂抹。固化加压时，端压力应根据采用的树种和指长，控制在2～10 N的范围内，加压时间不得低于2 s。层板胶合前表面应光滑，无灰尘、杂质、污染物和其他渗出物质。各层木板的木纹应平行于构件长度方向，层板涂胶后应在所用胶黏剂规定的时间内进行加压胶合，胶合前不得污染胶合面。

胶合木胶缝应均匀，胶缝厚度应为0.1～0.3 mm。厚度超过0.3 mm胶缝的连续长度不应大于300 mm，且胶缝厚度不得超过1 mm。在承受平行于胶缝平面的剪力时，构件受剪部位漏胶长度不应大于75 mm，其他部位不大于150 mm。在室外使用环境条件下，层板宽度方向的平接头和层板板底开槽的槽内均应填满胶。

层板胶合时，应确保夹具在胶层上均匀加压，所施加的压力应符合胶黏剂使用说明书的规定。对于厚度不大于35 mm的层板，胶合时施加压力应不小于0.6 N；对于弯曲的构件和厚度大于35 mm的层板，胶合时应施加更大的压力。

2.4 张弦梁装配

吊装单组张弦梁前，检查木梁需要在地面安装的金属连接件是否安装好，然后确定构件的吊点位置和绑扎方法。为保证木构件的外观质量，应采用棉吊带吊装。本工程中胶合木构件截面大且质量较重，胶合梁吊装时采用两点对称绑扎起吊并就位安装。胶合梁起吊后距安装支座100 mm时慢速就位，待胶合梁吊装就位后进行对接调整，然后和金属连接件固定连接。

为确保安全，起吊前要预先绑好缆风绳，便于起吊和落吊时的构件牵引控制。根据现场塔吊位置，张弦梁可按先远后近的顺序吊装。每组张弦梁采用分件吊装的方法，先将单组远的一端依次吊装在定位胎架上，随吊随调整，然后进行临时固定。根据现场实际情况，一个或多个单体可同步施工。

2.5 拉索安装与张拉

采用吊机将缆索吊上操作平台，再采用手拉葫芦进行安装。先安装一侧锚具，待销轴安装并固定后，再进行另一侧的安装。

每榀张弦梁共4组拉索一、2组拉索二。施加预应力时，先自支座向跨中对称张拉拉索一，每次张拉1组，每榀共1次张拉完成；然后同步张拉拉索二。所有预应力索均为一端固定、单侧张拉。

张拉过程将遵循相应对称、同步张拉、逐渐加载到位的原则。配备4台100 t千斤顶，满足350 kN以下张拉力的要求，采用穿心千斤顶同步张拉工艺。根据现场施工工艺顺序及设计要求，通过施工模拟分析得出每榀张弦桁架张拉施工时的控制索力及单榀桁架张拉时对周边桁架的索力影响。为保证张拉同步，分4级张拉，分别为设计张拉力的25%、50%、75%、100%。

2.6 张拉过程监测

拉索预张力施工过程是个动态的结构状态变化过程，是结构从零状态向成形初始态转变的过程。由于装配式木质张弦梁结构安装误差，拉索制作、安装和张拉误差，分析误差以及环境影响等原因，实际结构状态与分析模型是有差异的。因此，有必要对拉索预应力施工过程进行监测，对比理论分析值和实际结构响应的差异，及时掌握各关键施工阶段的结构状态，保证拉索施工全过程处于可控状态，为下阶段施工和最后的施工验收提供依据。

监测设备采用常州华岩预应力传感器有限公司生产的振弦式应变计及配套测试设备和百分表。应变计频率与压力（张拉值）经过标定，按公式进行计算。