預應力鋼結構采光頂施工平臺的設計和實現

朱玉林

(安徽中亞鋼結構工程有限公司，安徽 合肥 230051)

0 引 言

項目研究對象為安徽省六安市第一中學擴建項目圖書館玻璃采光頂，屬于張弦鋼桁架結構體系，預應力支撐體系為高強度合金鋼拉桿。建筑結構頂點標高(相對于總圖±0.000)為42.500 m，支座中心標高為35.200 m，結構平面尺寸為40.205 m×36.575 m，結構整體造型為不等邊正放四角錐樣式。主體桁架圓管采用Q460B低合金高強度結構鋼[1]，預應力鋼拉桿[2]采用GLG750(Ⅱ)合金鋼，鋼拉桿互為正交且交匯于鑄鋼鉸節點，鋼拉桿與桁架之間設置圓管撐桿。底部周圈桿件交匯處均設置抗震固定鉸支座，共44只，整體結構透視圖如圖1所示。

圖1 采光頂鋼屋蓋結構透視圖

為了實現該采光頂的施工建造，需要在采光頂下方設置操作鋼平臺，利用鋼平臺堆放索桿節點配件和供施工管理人員行走。預應力張拉施工采用液壓穿心式張拉千斤頂，拉桿張拉施工對操作平臺結構體系的穩定性及變形限值有著較高的要求，設計選用何種類型的鋼平臺主體結構需要通盤考慮。

1 施工平臺設計

1.1 設計思路

該項目屋蓋正下方為三層樓面，標高為13.700 m，屋蓋支座圈梁標高為34.500 m，屋蓋四周還有一段混凝土斜坡屋面，如果采用外圍汽車吊或履帶吊需要較大噸位。經現場勘查比選預應力鋼拉桿屋蓋施工方案，分別比較研究了傳統滿堂腳手架[3][4]、常規H型鋼梁[5]、柔性索網體系[6][7]、網架鋼結構體系[8]四大類施工平臺。

比較研究發現：

(1) 滿堂腳手架平臺較為常用，但施工工期長，且大量占用采光頂下方空間，影響其他專業的施工。

(2) 常規H型鋼梁平臺在大跨度情況下，用鋼量很大，安裝成本高，單個構件相對笨重，在拆除時因上方采光頂鋼結構主體形成封閉空間的影響，拆除施工工藝上難以實現。

(3) 索網體系平面外穩定性差，鋼拉桿預應力施工時存在較大的不利影響，不便于控制張拉操作，此外拉索支座節點要求高，前期并未考慮預埋件布置安裝。

(4) 網架結構平臺在本項目中優勢較為明顯，其加工安裝工期短、裝拆操作難度小、占用建筑空間少、穩定性好，直接經濟費用亦較低，具有比較優勢。

綜上客觀比較得出，選擇利用既有土建施工作業塔吊并結合操作平臺(主體用網架結構)是最優實施方案，能夠在有限的工期內較為經濟合理地完成項目施工。設計合理的鋼網架支撐平臺成為關鍵一環，必須結合項目土建施工圖紙和考察復核現場尺寸，確保網架平臺順利安裝，避免返工。

為了最大限度地減少對土建樓面的影響，鋼網架平臺設置5組跨中豎向格構柱，格構柱位置盡量選在三層結構面梁梁交匯點。網架格構柱支座采用H型鋼調平，型鋼梁放置在樓面結構混凝土梁正上方或跨越兩根梁，最大限度減少對樓面板的影響。鋼網架平臺采用三層樓面支撐結合屋面圈梁支撐的方式，有利于控制網架平臺的撓度變形和結構穩定，減小集中反力，有利于減小對混凝土主體結構的不利影響。網架平臺上設置矩形管主次檁，滿鋪樓承鋼板供施工人員操作使用和方便管理人員巡檢，施工平臺能確保安全可靠。

1.2 設計計算

選用上海同磊土木工程技術有限公司3D3S 2020空間結構計算軟件，建立空間網架平臺整體分析模型[9]，起步桿件D60×3.5，桿件材質選用常規的Q235B；起步高強度螺栓采用M20；起步螺栓球BS100；計算應力比控制為0.9，桿件長細比控制拉壓桿均為180。網架平臺模型投影面積約為1 450 m2，網架鉸支座為簡易十字形平板壓力支座(共60只)，支座水平剛度取為0.3 kN/mm，近似模擬支座底板與混凝土的摩擦剛度，豎向剛度取100 kN/mm(型鋼混凝土梁變形雖然很小，但剛度不是無窮大)。

網架結構自身最為重要的參數是網格三向尺寸，通常都是正放四角錐，也有部分項目采用斜放四角錐，兩者都可以抽空設計，超靜定結構網架抽空設計在某些項目上有較好的經濟效益。

本項目平板網架采用變厚度設計，四周邊界處稍薄，逐漸加大厚度，中間厚(格構柱圍合面積范圍)。從空間角度看網架，下弦桿(螺栓球節點)組合形成了氣囊式造型。變厚度也就是變剛度，這種做法既考慮避免上弦支座處腹桿與支座處型鋼混凝土梁的交涉，也是為了進一步節省材料，根據力學規律布置受力構件，結構布局合理高效。

考慮一定的施工堆載和不確定因素，恒荷載取值1.0 kN/m2，活荷載[10]取值2.0 kN/m2，夏季施工，考慮10 ℃的溫差(相對于合攏時溫度的±5 ℃)，屋蓋桁架架設后受到風荷載的影響，與平臺有聯系的部位考慮風工況下的支反力作用，施工周期短不考慮灰荷載的影響。設計網架總用鋼量約40噸，網架投影面積用鋼量為27.5 kg/m2。計算模型軸側圖如圖2所示。

圖2 網架施工平臺計算模型

計算時嚴格按照施工方案模擬加載順序，多方面考慮屋蓋鋼結構施工時的堆放荷載工況，為了最大限度控制施工平臺的撓度[11]，經多次方案比選，最優網格模型在上部結構施工時豎向撓度僅為10 mm，撓跨比接近1/1 000，如圖3所示，有力地保證了鋼拉桿預應力張拉施工[12]需要的客觀條件。施工平臺支座反力主要為豎向反力，水平反力每點均小于3 kN；經設計院復核驗算，主體結構安全穩定，也驗證了鋼平臺設計方案在技術上可行。

圖3 網架施工平臺理論計算撓度值

1.3 注意事項

由于采光頂屋蓋固定鉸支座密集，鋼平臺網架支座宜設置在屋蓋支座之間且對稱布置，為了避免平臺與屋蓋下部的碰撞，使用網架上弦支座，同時要結合BIM技術建立三維實體1∶1比例TEKLA模型，檢查支座弦桿與型鋼混凝土梁的空間關系，避免平臺體系與土建結構物的碰撞交涉。

格構柱的設置需結合上方屋蓋桁架臨時支撐點位置，有利于分散較大的荷載。格構柱內側在豎向一定位置(此項目為第三個網格處)布置一道斜桿，使格構柱輕微扭轉現象得到進一步改善，提高鋼平臺的整體穩定性。

統一網架支座球徑為BS150，以便于支座板加工，改善支座節點剛度不均勻現象；次檁與主檁之間，主檁與網架支托之間，支托與網架之間，均采用螺栓連接，減少焊接動火，以便于拆卸施工。

全過程宜采取網架主體結構無線監測，主要是變形數據觀察，考慮到鋼平臺上部荷載工況非常多，難以全面考慮，輔以應力及變形監測確保平臺運行時始終處于安全可控狀態。

2 施工平臺實現

2.1 鋼平臺的搭建

鋼平臺是項目預應力施工的關鍵，搭建質量尤為重要，項目部嚴格按照施工方案指揮，嚴格落實操作順序和流程，注重節點構造細節，確保體系安全可靠。派駐設計人員全程跟蹤，從結構理念上把牢安全準繩，如圖4所示，鋼平臺順利搭建就位。施工階段對屋蓋及平臺實時監測[13,14]，測量數據顯示實際情況與理論值吻合度較高，驗證了理論計算結果具有一定的可靠性。

圖4 采光頂施工平臺有序搭建

鋼網架從三層樓面開始由下而上組立拼裝，只需要塔吊既能實現全平臺安裝(含檁條及平臺面板)，節省了大量吊車費用，提高了既有施工設備的使用頻率，一舉兩得，實現企業降本增效。

2.2 采光頂竣工效果

桁架結構撐桿及拉桿組裝完畢，預應力分階段分層次張拉，施工經驗收合格后，按既定的拆除方案逆序拆除鋼網架平臺體系[15]。項目建設完成后采光頂觀感效果良好，如圖5所示，竣工驗收時受到設計院及業主方的一致好評。項目得以安全高效的實施離不開項目部前期多次現場勘查和協調組織，離不開技術人員充分的施工模擬和準確計算。

該項目采光頂設計參考巴黎盧浮宮結構體系，雙向預應力鋼拉桿采光頂是省內乃至全國為數不多的工程案例，其設計難度和建造成本有異于一般項目，對設計(含施工方案設計)和施工水平都有較高的要求。

圖5 采光頂結構竣工效果圖

3 施工平臺優化思路

3.1 設計優化思路

該項目施工平臺在實施過程中發現一些問題，設計存在優化的可能[16,17]。平臺支座數目可以減少，在支反力允許的情況下減小支座數目，結構變形不會有較大變化；格構柱及平臺網架可以適當增加豎向網格尺寸，有利于提高安拆速度；主次檁可以考慮側向搭接，有利于減小鋼平臺的凈空高度，增加屋頂與平臺間的操作空間，尤其是采光頂支座附近，傾角凈空需要增大，項目實施時明顯感覺空間不足，對預應力張拉有一定的影響。

鋼平臺的樓承板宜使用一定厚度的木工板[18]，鋼樓承板在走動時會有一定的變形，且由于板材長度大、剛度小，對其高空吊裝安拆時，明顯迎風抖動，有一定的安全風險和隱患。

格構柱可以采用角鋼格構式代替網架，角鋼連接節點采用普通螺栓連接，易于拆除，不影響二次使用，減少網架鋼結構耗材；格構柱也可以用成品支撐架，只需要支付租賃費，格構柱甚至可以用場地內塔吊標準節代替。

3.2 施工優化思路

該項目施工平臺在安拆的過程中存在一些問題，施工順序存在優化的空間[19,20]。由于土建設計和施工時沒有考慮鋼結構的施工方案(實際上前期施工安裝方案也并未形成)，基本沒有提前埋設預埋件，給鋼結構的施工造成一定的影響；安裝時鋼平臺網架宜分大塊在地面組裝，考慮利用建筑外圍站立吊車分塊吊裝，或者分小塊在塔吊能力范圍內分塊吊裝，分塊吊裝比組炮(僅1個螺栓球及其連接桿件)吊裝能更好地節約時間成本；拆卸時發現屋蓋采光頂桁架梁對拆卸工作有一定的影響，經過采光頂釋放塔吊繩索需要非常小心，類似采光頂施工平臺的拆除工作需要更多的研究和思考，尋求更佳的路徑，比如采取措施在鋼平臺中部設置小型拔桿(中部凈空高度超過5 m)，分步拆除周邊構件。

4 結束語

雙向預應力鋼拉桿結構體系與單向預應力拉索結構體系在施工難度上有一定的差別，前者難度更大，因為鋼拉桿是非連續的，雙向張拉控制需要精密的配合，意味著需要有滿足條件的施工平臺。

鋼網架平臺便于加工制作，用鋼量省，且其有超靜定的結構特性，在變形撓度上有相當的優勢，選擇網架作為施工平臺的主體結構，便于拆卸，拆卸后桿件可二次加工使用，損耗較低，性價比高。

施工平臺是該預應力拉桿管桁架采光頂項目成功的關鍵，其設計計算要充分考慮荷載工況和組合，選擇公認且優秀的空間結構計算程序，結構選型既要滿足應力限值也要控制位移撓度。該網架支撐平臺的設計思路和優化建議值得推廣使用。