江張宿
(中鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司,北京 100131)
寧波鐵路南站改建工程位于浙江省寧波市海曙區(qū),在主站房的東西兩側(cè)各有一個(gè)順軌向長147m、垂直軌道向?qū)?84.95m的無站臺(tái)柱鋼結(jié)構(gòu)張弦梁雨棚,總建筑面積54375.3m2。張弦梁雨棚結(jié)構(gòu)呈平板狀,三跨連續(xù)拱狀,屋面標(biāo)高15.00m,由橫向張弦梁、索承系統(tǒng)與鋼管混凝土柱組成,單個(gè)張拉單元尺寸為3×8.00m×40.85m(40.80m、37.85m)。其中橫向張弦梁為實(shí)腹式矩形鋼管;索承系統(tǒng)為一組1670級(jí)ф5鍍鋅鋼絲雙護(hù)層扭絞型船型拉索,由主索和分叉索組成、在撐桿下節(jié)點(diǎn)處分開,主索型號(hào)為φ5×199,分叉索型號(hào)為φ5×109,張弦梁雨棚如圖1和圖2所示。
圖1 單個(gè)張拉單元示意圖
圖2 西側(cè)張弦梁雨棚軸測(cè)圖
由于本工程屬于既有線改造項(xiàng)目,雨棚施工時(shí)需確保既有鐵路線的安全通行,致使部分跨線雨棚結(jié)構(gòu)不能一次成跨,既有線的現(xiàn)狀也無法實(shí)施張弦梁的兩端張拉。因此,經(jīng)討論,本工程決定采用單側(cè)張拉法,并通過攻關(guān)解決其中的關(guān)鍵技術(shù),確保本雨棚工程順利施工。
張拉前,建立張弦梁結(jié)構(gòu)的有限元模型,模擬張弦梁單側(cè)張拉時(shí)的應(yīng)力和變形狀態(tài),編制單側(cè)張拉方案。根據(jù)有限元分析結(jié)果,深化設(shè)計(jì)和加工制作節(jié)點(diǎn)。張拉時(shí),采取相鄰跨單側(cè)分級(jí)跳拉法,張拉過程逐漸增大張拉力、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)以變形控制為主、索力控制為輔。張拉后,拆除張弦梁中部的臨時(shí)支撐體系,并根據(jù)屋面變形情況,適當(dāng)調(diào)整索力和變形,確保相鄰張弦梁之間變形的協(xié)調(diào)性和屋面的平順性。
圖3 單側(cè)張拉流程圖
考慮寧波鐵路南站既有線的施工特點(diǎn)和雨棚張拉后變形協(xié)調(diào)性問題,結(jié)合有限元模擬分析結(jié)果,經(jīng)過方案比選,選擇單側(cè)分級(jí)跳拉法進(jìn)行張拉。具體為:采用4套600kN的張拉設(shè)備(含千斤頂、油泵、壓力表)對(duì)相鄰的兩榀梁進(jìn)行單側(cè)跳躍式張拉,每次張拉1根分叉索,張拉力分兩級(jí)張拉,第1級(jí)張拉至預(yù)張力的70%,第2級(jí)張拉至預(yù)張力的100%。張拉單元和張拉走向如圖4和圖5所示。
圖4 單側(cè)張拉單元示意圖
圖5 單側(cè)張拉走向圖
2.2.1 撐桿下節(jié)點(diǎn)構(gòu)造設(shè)計(jì)
張弦梁撐桿下拉索節(jié)點(diǎn)是張弦梁的重要組成部分,起到連接主索和分叉索、并將張拉分力傳遞至上弦鋼梁的作用,是順利實(shí)現(xiàn)單側(cè)張拉目標(biāo)的關(guān)鍵所在。根據(jù)設(shè)計(jì)院要求,本工程張弦梁節(jié)點(diǎn)由安裝單位自行深化設(shè)計(jì)。
鑒于張弦梁節(jié)點(diǎn)位于雨棚的最下方,是未來乘客的主視點(diǎn),必須考慮美觀性因素;此外,考慮到受力最優(yōu)和造價(jià)最低的因素,節(jié)點(diǎn)采用鑄鋼節(jié)點(diǎn)、類似人字形浮漂,具體尺寸如圖6和圖7所示。
圖6 撐桿下節(jié)點(diǎn)構(gòu)造圖
圖7 撐桿下節(jié)點(diǎn)軸測(cè)圖
2.2.2 撐桿下節(jié)點(diǎn)有限元分析
為了確保設(shè)計(jì)的撐桿下節(jié)點(diǎn)滿足受力要求,對(duì)設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)采用ANSYS12.0進(jìn)行有限元分析。由于各荷載組合包絡(luò)值小于拉索破斷荷載的0.4倍,且考慮節(jié)點(diǎn)安全系數(shù)值為1.25,計(jì)算得到主索力為3265kN,分叉索力為1790kN,兩個(gè)耳板同時(shí)考慮撐桿受力因素,分析結(jié)果如圖8和圖9所示。
圖8 節(jié)點(diǎn)受力計(jì)算示意圖
圖9 節(jié)點(diǎn)Von-mises應(yīng)力云圖(單位Pa)
從圖9中可以看出,節(jié)點(diǎn)的最大Von-Mises應(yīng)力為189MPa,遠(yuǎn)小于鑄鋼材料的屈服強(qiáng)度。
單側(cè)張拉法更易造成張弦梁結(jié)構(gòu)的豎向不均勻起拱,同時(shí)構(gòu)件(含索和節(jié)點(diǎn))安裝時(shí)容易產(chǎn)生索力松弛、張弦梁滑移等現(xiàn)象,導(dǎo)致屋面找形困難。經(jīng)過研究決定:先利用有限元計(jì)算設(shè)計(jì)起拱高度值,再在張弦梁關(guān)鍵截面上布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行變形實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),然后將實(shí)測(cè)的變形值與設(shè)計(jì)的起拱高度值進(jìn)行對(duì)比分析,最后根據(jù)需調(diào)整的張弦梁起拱高度值、利用有限元軟件反算索力,從而確保屋面找形平順。
2.3.1 有限元法計(jì)算張弦梁設(shè)計(jì)起拱高度
利用Madis軟件建立張弦梁的三維有限元模型,輸入預(yù)設(shè)的張拉力參數(shù),計(jì)算(F-2/G)~(2/1-2/3)的起拱高度最大值如表1所示。
表1 張弦梁起拱高度最大值 單位:mm
圖10 1~6號(hào)索張拉至100%的豎向位移圖
2.3.2 屋面變形的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)
建立張弦梁屋面變形的高程控制網(wǎng),在每榀張弦梁的跨中截面貼萊卡60×60mm全站儀反射片,每次張拉結(jié)束后及時(shí)測(cè)量張弦梁起拱高度變化值。
圖11 全站儀反射片布設(shè)現(xiàn)場(chǎng)照片
表2 實(shí)測(cè)起拱高度最大值 單位:mm
由表1和表2可知,張拉后的起拱高度值普遍偏大,起拱幅度無明顯漸變規(guī)律,可見實(shí)際的張拉力偏大,需適當(dāng)調(diào)整索力值。
2.3.3 索力調(diào)整控制屋面找形
鑒于前期監(jiān)測(cè)的起拱值無漸變規(guī)律、難以實(shí)現(xiàn)屋面平順效果,因此需根據(jù)既有起拱情況、再利用有限元軟件反算索力、并實(shí)施監(jiān)測(cè)實(shí)際索力值大小。由于本工程拉索為平行鋼絲束,外包黑色HDPEHE和白色PE,無法直接在拉索上布置傳感器來測(cè)試索力。因此,采用油壓傳感器直接得到施工階段的索力,現(xiàn)將(F-2/G)~(2/1-2/3)區(qū)域索力調(diào)整后的實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)值列表對(duì)比如下。
表3 索力實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)值對(duì)比表
圖12 索力調(diào)整現(xiàn)場(chǎng)照片
索力調(diào)整后,再次觀測(cè)屋面變形得知,屋面起拱變形范圍為±5mm,實(shí)現(xiàn)了既定的找形目標(biāo)。
單側(cè)張拉法易引起撐桿向一側(cè)傾斜、從而造成索力出現(xiàn)明顯的不對(duì)稱性,如果偏差較大,將直接導(dǎo)致張拉失敗。因此,對(duì)撐桿對(duì)稱性的控制就顯得至關(guān)重要。為了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)索力的對(duì)稱特性,在固定端同榀張弦梁的兩根分叉索上安裝加速度傳感器,通過JM5930動(dòng)態(tài)信號(hào)采集系統(tǒng)直接采集張拉力達(dá)到 60%時(shí)的受迫振動(dòng)頻率,(F-2/G)~(2/1-2/2)拉索振動(dòng)頻率如表4所示。
表4 拉索振動(dòng)頻率表
從表1中可以看出,同榀張弦梁左右兩索的自振頻率基本接近,說明分叉拉索的索力相同、撐桿的偏位值很小。
本工程采用單側(cè)分級(jí)跳拉法張拉寧波鐵路南站張弦梁雨棚結(jié)構(gòu),解決了撐桿下節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、撐桿偏位、屋面找形等關(guān)鍵技術(shù),經(jīng)過調(diào)整索力最終達(dá)到了預(yù)應(yīng)力狀態(tài)、實(shí)現(xiàn)了屋面結(jié)構(gòu)精確找形。實(shí)踐證明,單側(cè)分級(jí)跳拉法能很好地適用既有線無站臺(tái)柱大型張弦梁結(jié)構(gòu)的張拉施工。
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