空間索面成對斜拉螺旋坡道結構施工技術

胡 怡

上海市機械施工集團有限公司 上海 200072

1 工程概況

上海博物館東館內庭區域，有一2層螺旋上升坡道，串連起博物館2—5層樓面，垂直高差達15 m。坡道截面為倒三角形，由上弦板、兩側下弦板與若干內隔板拼成。坡道總長120 m，寬2.4 m，單環平面投影直徑約35 m。整個坡道結構由3組樓面固定支座與4組斜拉索共同受力承擔（圖1）。每組斜拉索上吊點種根在博物館內庭兩側樓層框架節點上，采用叉耳式索頭（圖2）。下吊點連接在螺旋坡道外側下弦板上，采用螺桿式索頭（圖3）。每組斜拉索由8根長短不一的φ55 mm定長索組成，以上吊點為中心，向下發散到螺旋坡道外側下弦板各分布點套筒處，每組斜拉索索面排列造型呈扇形曲面狀，單根索長則控制在8～15 m范圍內。

圖1 螺旋坡道三維示意

圖2 斜拉索上吊點節點

圖3 斜拉索下吊點節點

2 現場施工流程

1）采用支撐法施工，從下往上逐段拼接螺旋坡道。

2）待螺旋坡道形成整體后，安裝就位4批次共32根斜拉索，并對斜拉索進行初裝預緊。拉索采用單端張拉的方式，主動張拉端布置在斜拉索下吊點位置。

3）解除臨時支撐對螺旋坡道向上的約束狀態。

4）分批次分階段張拉斜拉索，通過調節拉索螺桿長度并輔助油壓表數據控制拉索的張拉力，直至索力值達到設計初始態要求，結束終擰。

5）斜拉索張拉的同時螺旋坡道逐漸向上抬升，與臨時支撐形成脫離狀態。

6）復測調整完畢后，拆除現場臨時支撐。

3 連接節點優化

3.1 優化原因

根據原設計的節點圖紙，在Rhino軟件中自動生成橋體模型數據，再導入Tekla內進行鋼結構模型自動生成與擬合，發現拉索兩端連接方式無法達到預期設計效果。

1）原斜拉索上下端吊點連接方式均采用叉耳式索頭，叉耳通過銷軸與外伸耳板進行對接（圖4～圖6），且每組斜拉索縱向排列形式均被設計成扇形曲面，索的8處下吊點規定必須交會到上吊點同一塊外伸耳板上。這就導致上耳板此時作為只存在一個空間平面的直板，無法滿足同時被8個不同空間方向而來的叉耳索頭平行插入的要求。

圖4 斜拉索空間排列示意

圖5 上吊點原始節點模型

圖6 下吊點原始節點模型

2）斜拉索下吊點耳板原本是沿螺旋坡道外檐分散布置，為保證耳板有一定的錨固長度，必須將耳板延伸至坡道結構內部（圖7）。在延伸的過程中，耳板與坡道結構內部的內隔板必定會發生多次碰撞，這就導致了構件的加工質量與加工進度會受到影響。

圖7 下吊點剖面示意

3）作為一種由空間索面成對斜拉的螺旋坡道結構，在安裝精度控制方面也存在多重的難度。其中涉及的安裝偏差就包括：內庭主體框架在安裝過程中產生的允許偏差；螺旋坡道在安裝過程中產生的允許偏差；吊索上、下耳板在加工、安裝過程中產生的允許偏差。假設最不利工況下這3種允許偏差值產生了疊加效應，導致累計偏差值大幅度提高。這將直接影響后續斜拉索兩端叉耳同時平行對接各自耳板的準確率。此外，叉耳在對接施工時，與連接板的傾斜角度越大，索頭端在日后受力工作狀態下產生的多余折彎應力也會越大，若不及時處理，勢必存在極大安全隱患。

3.2 斜拉索上吊點優化措施

斜拉索上吊點錨固耳板通過實際三維模擬放樣，決定對原有的直板進行雙曲化設計，將整塊板面劃分成8個平面區段，分別對應8根吊索的不同方向角度。雙曲板本體采用多點柔性壓彎冷作加工技術，板件上不同平面角度的銷軸孔則采用五軸數控機床進行定位開孔，確保了板件與孔位的加工精度。該板件設計為后置件，單獨運抵現場后根據實測放樣結果進行二次角度調整，然后再與內庭樓層框架焊接固定。

3.3 斜拉索下吊點優化措施

斜拉索下吊點由原來的叉耳式索頭優化為螺桿式索頭，并且搭配連接套筒（圖8）。首先，套筒連接板與分倉隔板歸并為一塊整板（圖9），可有效避免與內隔板發生多次碰撞的問題。其次，套筒同樣設計成后置件形式，允許現場根據上吊點耳板實測數據對應調整套筒姿態，保證套筒和上吊點耳板控制在同一個空間平面內后再與套筒連接板進行焊接固定。以此來消化前期結構安裝所帶來的累計偏差，避免索頭與配套連接板出現折彎現象。最后，在張拉階段，主動張拉端布置在套筒底部，可直接提供穩定的工裝反力支點，免去了在斜拉索吊點周圍另外焊接耳板充當臨時反力架的環節。

圖8 錨杯式索頭節點

圖9 分倉隔板與錨杯關系示意

4 臨時支撐系統設計

本工程博物館的屋蓋為大跨度桁架結構，離地凈高約30 m。而桁架與螺旋坡道又被設置成上下2層縱橫交錯的布局形式。正因如此，部分坡道位置正好在桁架投影面以下，如果采用傳統的塔架作為支撐，則需要設計2套各自獨立的臨時支撐系統，分別對應桁架和螺旋坡道。同時鑒于螺旋坡道的空間異形特征，支撐點位無法全部對應到下方柱網，需要額外增加一套轉換梁系統作為傳力補充。為此，本項目設計了一套桁架與螺旋坡道共用的臨時支撐結構體系（圖10），既規避了柱網不對應支撐點位的問題，也節省了豎向支撐的使用數量[1-7]。

圖10 現場臨時支撐

該臨時支撐采用框架結構體系，由框架柱和框架梁組成。螺旋坡道每個分段的擱置點都位于框架梁上?？蚣苤捎娩摴芙孛?，框架梁采用熱軋H型鋼，框架軸網間距8.7 m?？蚣芰荷显O置3根H型鋼立柱作為坡道胎架（圖11），原則上胎架立柱的定位軸線均需對應到坡道結構縱橫向內隔板交會點位置。此套臨時支撐系統負責坡道的臨時落架問題，后續通過現場切割方式解除胎架立柱對坡道向上的約束力，同時結合坡道斜拉索張拉施工，最終達到螺旋坡道結構自動脫胎的目的。經結構驗算，臨時支撐單點最大反力約220 kN，出現在坡道張拉施工前。張拉完成后坡道脫離胎架，臨時支撐回歸零應力狀態，其間反力變化均勻，承載力和剛度均滿足要求。

圖11 胎架立面布置示意

5 螺旋坡道安裝

本單體坡道共計19個雙曲弧形加工段，總重約360 t，板厚均為20 mm，最重分段構件約38 t，單件最大運輸長度約12 m，采用已有塔吊作為主要起重設備逐段吊裝至胎架上。施工前對整個安裝流程進行有限元施工模擬，確定并優化施工過程中每一分段的變形預調值及應力監控值。經結構分析，螺旋坡道在支撐擱置狀態，結構的最大撓度為6 mm，承載力和剛度均滿足施工要求。

分段單元安裝全程采用全站儀測量定位。吊裝前，對胎架位置及端頭標高進行復測調整。吊裝時，結合三維模型準確找出重心吊點位置，利用倒鏈輔助調整分段單元的空間姿態以便于構件能迅速落架。調校時，依據深化模型提供三維坐標參數，在每段坡道端頭設置控制點位，實時對構件在空中的三維姿態進行跟蹤與調整（圖12、圖13）。

圖12 螺旋坡道現場吊裝

圖13 螺旋坡道在支撐擱置狀態中撓度分布

6 拉索張拉

6.1 拉索設計初始態要求

拉索采用等級為1 670 MPa的PE索，鋼構件的密度為7.85×103kg/m3。根據設計初始態模型施工過程分析，從拉索張拉施工到張拉結束，在結構自重及張拉時索體的設計目標態索力設計值為0～247 kN。施工過程分析及后續施工以設計院提供的最終計算模型的初始態索力為施工終態索力目標。其中，第1批與第3批較圖紙建模位置最大起拱25.0 mm，第2批與第4批較圖紙建模位置最大起拱52.0 mm，整體的豎向變形范圍－21.0～24.5 mm（圖14）。

圖14 設計初始態箱梁豎向變形（0～52.0 mm）

6.2 拉索施工過程分析

本單體拉索采用分批次、分階段的張拉方法，拉索采用單端張拉的方式。主動張拉端布置在套筒底部（圖15），通過特制工裝支架卡住套筒，可直接獲得穩定的反力作用點，免去了常規叉耳式索頭需要在其周圍另外焊接耳板充當臨時反力架（圖16），張拉完畢后又需要將臨時耳板割除、打磨、補漆等煩瑣環節。

圖15 螺桿式索頭配套張拉工裝

圖16 叉耳式索頭配套張拉工裝

拉索張拉根據拉索在螺旋坡道的分布，分為4個批次，每1批次8根拉索又分為3個階段進行張拉，第1階段預緊到設計初始張拉力的10%，第2階段張拉至90%設計初始態索力，第3階段張拉至100%設計初始態索力并超張拉5%。根據坡道的箱梁布置，將從最低部的批次開始張拉，螺旋而上直到最上部一批張拉結束。根據設計初始態的要求，張拉施工將在箱梁吊裝和焊接探傷結束后進行。

拉索張拉控制采用以力控為主、形控為輔的原則，主要控制索力，在預應力達到的基礎上控制箱梁的豎向變形，通過拉索調節螺桿長度并輔助油壓表數據控制拉索的張拉力。中間4根非主受力拉索根據設計受力要求進行預緊即可。

在張拉過程中，拉索索力從0逐漸張拉至244 kN。本工程每一張拉步驟的索力偏差均在規范要求的10%的范圍內，整個過程索力變化均勻。最終的索力偏差均在1%～5%內，滿足設計索力要求。

6.3 施工過程位移和應力變化

根據施工過程分析的結果，分批張拉完畢并拆除中央胎架后，整體豎向最大變形為＋53 mm，鋼箱梁的位形與設計初始態基本一致，滿足要求。張拉過程鋼箱梁應力如圖17所示，在各張拉施工過程中，屋面整體的應力變化均勻，鋼箱梁殼體的應力一直處于較低水平，應力較大的部位主要在起點支座與第1批拉索間梁段、第1批與第2批拉索間梁段及第3批與第4批拉索間梁段；最大的拉應力63 MPa出現在箱梁的底面靠旋轉坡道外側。數據顯示，在張拉過程中應力變化均勻，張拉終態箱梁的應力水平與峰值均與設計初始態一致，滿足設計要求。

圖17 箱梁殼體的應力范圍（0～60 MPa）

7 結語

本單體螺旋坡道結構對施工方法和施工精度都提出了較高的要求，針對該結構特性提出了以下4點解決方案：

1）針對螺旋坡道特殊的吊索連接形式，吊索兩端采用叉耳式索頭搭配雙曲耳板，螺桿式索頭搭配后置式套筒的混合連接形式，簡化了坡道內隔板制作流程，并有效消化坡道安裝時的累計偏差值。

2）本次臨時支撐系統有效解決了錯層結構同時借用一套臨時支撐系統完成安裝和卸載的問題，既規避了部分臨時支撐與柱網上下不對應的現象，也節省了豎向支撐的使用數量。

3）有效利用數字化建模、分析手段，精準把控各階段施工狀態，準確定位分段單元在空間中的擱置姿態，最大程度保證了螺旋坡道的整體精度，加快了分段單元的安裝速度。

4）通過對吊索張拉施工全過程分析，所有的吊索最終均能達到設計初始態要求，索力誤差在5%以內，滿足設計要求，為后續坡道的安裝、卸載、吊索張拉提供了理論依據。