陳亞麗 胡煒煒 辛化文 吳 含 黃增平

1. 浙江省建工集團(tuán)有限責(zé)任公司 浙江 杭州 310012；

2. 中建新疆建工（集團(tuán)）有限公司華東分公司 浙江 杭州 311200

在設(shè)計(jì)選型和施工建造中，張弦梁結(jié)構(gòu)體系憑借高效、經(jīng)濟(jì)、美觀的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用[1]。張弦梁結(jié)構(gòu)體系是將剛性構(gòu)件上弦、柔性拉索構(gòu)件通過中間撐桿與下弦拉索組合在一起，形成自平衡的混合結(jié)構(gòu)受力體系[2-3]。木結(jié)構(gòu)是國家大力發(fā)展的裝配式結(jié)構(gòu)體系之一，其中裝配式膠合木張弦梁結(jié)構(gòu)以其良好的受力性能、優(yōu)美的外觀、較大的空間等特點(diǎn)，越來越受到青睞。

相對于剛性張弦梁結(jié)構(gòu)而言，裝配式大跨徑木質(zhì)張弦梁結(jié)構(gòu)具有整體抗側(cè)剛度弱、穩(wěn)定性差、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造復(fù)雜、施工難度大等技術(shù)難點(diǎn)，屬于超限大跨木結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工時(shí)都需要專門研究和論證。本文對施工過程中比較關(guān)鍵的問題，如張弦梁結(jié)構(gòu)的總體施工流程、施工方案、張弦梁及拉索安裝、張拉順序、張拉過程監(jiān)測、張拉過程受力分析等進(jìn)行了重點(diǎn)介紹，豐富了裝配式大跨徑木質(zhì)張弦梁結(jié)構(gòu)的施工經(jīng)驗(yàn)，提升了大跨度木結(jié)構(gòu)建筑施工領(lǐng)域的技術(shù)水平，保證了結(jié)構(gòu)安裝的安全性和可靠性[4-7]。

1 工程簡介

1.1 工程概況

某工程為一所全日制學(xué)校，在校學(xué)生8 000人，本期工程主要建設(shè)東區(qū)書院、湖東綜合體、綜合體育館等工程。綜合體育館是下部為混凝土結(jié)構(gòu)、屋蓋為鋼結(jié)構(gòu)的大型體育場館。整體建筑結(jié)構(gòu)呈軸對稱布置，一側(cè)為訓(xùn)練館，一側(cè)為游泳館，中間采用大跨徑木質(zhì)張弦梁連接為整體。整體建筑立面如圖1所示。

圖1 整體建筑立面

1.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

張弦梁結(jié)構(gòu)建筑面積約2 041 m2，建筑層數(shù)為1層，木拱頂部結(jié)構(gòu)標(biāo)高為19.17 m，為5榀木質(zhì)張弦梁結(jié)構(gòu)，跨徑達(dá)45.6 m，每榀間距9 m。本工程裝配式木質(zhì)張弦梁結(jié)構(gòu)的跨徑及間距為國內(nèi)罕見。

張弦梁結(jié)構(gòu)由上部張弦梁段，下部拉索一，中間斜向撐桿一、斜向撐桿二及拉索二組成。結(jié)構(gòu)立面如圖2所示。

圖2 張弦梁結(jié)構(gòu)立面

上部張弦梁結(jié)構(gòu)支承于預(yù)留的混凝土柱牛腿上，牛腿結(jié)構(gòu)標(biāo)高14.95 m。牛腿一端設(shè)置固定盆式橡膠支座，另一端為單向活動(dòng)盆式橡膠支座。橡膠支座與頂部銷軸、下部預(yù)埋板通過施加周圍焊縫連接為整體。連接節(jié)點(diǎn)如圖3所示。

圖3 支座處連接節(jié)點(diǎn)立面

每榀木質(zhì)張弦梁結(jié)構(gòu)由6段強(qiáng)度等級為TCT24的同等組合花旗松層板膠合木木梁組成，每2段木梁之間通過厚30 mm的Q235B鋼連接板與強(qiáng)度等級為8.8級的φ30 mm普通螺栓連接而成。木結(jié)構(gòu)選材為花旗松層板膠合木，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全等級為二級，使用年限為50 a。分段標(biāo)高對稱位于17.436、18.748、19.170 m位置處，木梁段連接節(jié)點(diǎn)如圖4所示。

圖4 木梁段連接節(jié)點(diǎn)立面

結(jié)構(gòu)中間部位有2個(gè)材質(zhì)為Q235B的斜向撐桿二與拉索一通過索頭連接，連接節(jié)點(diǎn)如圖5所示。

圖5 斜向撐桿二節(jié)點(diǎn)立面

1.3 施工方案比選

目前，裝配式大跨徑張弦梁結(jié)構(gòu)施工通常有2種方案：第1種是將大跨徑張弦梁段先在地面拼裝為整體，再以榀為單元進(jìn)行吊裝，待吊裝就位、安裝次梁等附屬構(gòu)件后，張拉拉索至設(shè)計(jì)值，完成結(jié)構(gòu)的安裝；第2種是將大跨徑張弦梁段先吊裝就位，再在高空中散件組裝拼接成一榀大跨徑張弦梁結(jié)構(gòu)，分次吊裝完成每榀張弦梁結(jié)構(gòu)，待次梁等附屬構(gòu)件全部安裝完成后，對拉索進(jìn)行張拉。

相較于第2種施工方案，第1種施工方案具有施工簡單、安全風(fēng)險(xiǎn)小、不需要搭設(shè)胎架、工程造價(jià)低等特點(diǎn)，但由于裝配式大跨徑張弦梁結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度小、每榀張弦梁結(jié)構(gòu)之間無連系，故容易出現(xiàn)平面外失穩(wěn)等情況。第2種施工方案在高空安裝，需要搭設(shè)胎架，張拉時(shí)需要克服整個(gè)屋面的自重，因此，第2種方案的張拉力較大，張拉作業(yè)強(qiáng)度及難度也相應(yīng)較大。

本工程采用有限元方法進(jìn)行力學(xué)分析與計(jì)算，輔助結(jié)構(gòu)施工方案的選型。取單榀桁架，用SAP2000模擬計(jì)算，單榀張弦梁在第1至第4模態(tài)均為平面外失穩(wěn)，至第5模態(tài)才呈現(xiàn)平面內(nèi)失穩(wěn)。而在實(shí)際張拉完成和起吊過程中，動(dòng)力作用或吊裝偏心所引起的側(cè)向擾動(dòng)將大于計(jì)算考慮的數(shù)值。第2種方案由于張弦梁和次梁已完成拼裝，張拉時(shí)次梁可以約束每榀桁架，故更有利于結(jié)構(gòu)的側(cè)向穩(wěn)定。綜合分析后，本工程選用第2種施工方案。

2 施工技術(shù)

2.1 支座安裝

盆式橡膠支座又稱彈性支座，具備以下優(yōu)點(diǎn)：具有足夠的豎向剛度以承受垂直荷載，能夠?qū)⑸喜拷Y(jié)構(gòu)的反力可靠地傳遞給墩臺(tái)；有良好的彈性以適應(yīng)梁端的轉(zhuǎn)動(dòng)；能產(chǎn)生較大的剪切變形以適應(yīng)上部結(jié)構(gòu)的水平位移；可以產(chǎn)生很好的防振作用，能有效減小動(dòng)載對結(jié)構(gòu)所造成的沖擊作用，增加結(jié)構(gòu)自身的安全實(shí)用性，有效延長結(jié)構(gòu)物的實(shí)際應(yīng)用壽命。本工程支座一側(cè)設(shè)置有5個(gè)固定盆式橡膠支座和5個(gè)單向活動(dòng)滑動(dòng)支座。

施工流程為：牛腿施工→放線定位→安裝預(yù)埋板→預(yù)埋板位置校正、固定→支設(shè)模板、澆筑基礎(chǔ)混凝土→安裝橡膠支座→進(jìn)行上部大跨徑木質(zhì)張弦梁施工。

在施工過程中，要注意控制預(yù)埋板的平面位置和豎向高度。用塔吊或吊車將盆式橡膠支座本體吊裝在固定位置，按照廠家提供的吊點(diǎn)（連接板上預(yù)留的吊裝螺孔）安裝吊具，嚴(yán)禁使用連接螺孔起吊，防止對連接螺孔造成損傷。

在固定盆式橡膠支座安裝開始之前，牛腿混凝土強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的75%，并將預(yù)埋板清理干凈。將固定盆式橡膠支座的中心位置與預(yù)埋板的中心位置保持一致，經(jīng)過檢查和驗(yàn)收后，將底盆與預(yù)埋板通過角焊縫圍焊成一個(gè)整體。

2.2 胎架搭設(shè)

木梁段吊裝前需搭設(shè)滿堂腳手架及上弦梁跨中支撐胎架。胎架按圖紙中梁底設(shè)計(jì)標(biāo)高現(xiàn)場放樣搭設(shè)。搭設(shè)滿堂腳手架，可提高安裝中桁架上弦的穩(wěn)定性，在上弦梁底設(shè)計(jì)標(biāo)高位置搭設(shè)胎架至梁底。同時(shí)，為給主梁鋼支撐及拉索張拉提供操作平臺(tái)，在主梁下方標(biāo)高處滿鋪木板形成工作平臺(tái)。

2.3 木構(gòu)件加工與制作

木結(jié)構(gòu)的加工與制作直接影響結(jié)構(gòu)的安裝精度。用于制作膠合木構(gòu)件的層板厚度在沿板寬方向上的厚度偏差不超過±0.2 mm，在沿板長方向上的厚度偏差不超過±0.3 mm。層板指接接頭在切割后應(yīng)保持指形切面的清潔，并應(yīng)在24 h內(nèi)進(jìn)行黏合。指接接頭涂膠時(shí)，所有指形表面應(yīng)全部涂抹。固化加壓時(shí)，端壓力應(yīng)根據(jù)采用的樹種和指長，控制在2～10 N的范圍內(nèi)，加壓時(shí)間不得低于2 s。層板膠合前表面應(yīng)光滑，無灰塵、雜質(zhì)、污染物和其他滲出物質(zhì)。各層木板的木紋應(yīng)平行于構(gòu)件長度方向，層板涂膠后應(yīng)在所用膠黏劑規(guī)定的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行加壓膠合，膠合前不得污染膠合面。

膠合木膠縫應(yīng)均勻，膠縫厚度應(yīng)為0.1～0.3 mm。厚度超過0.3 mm膠縫的連續(xù)長度不應(yīng)大于300 mm，且膠縫厚度不得超過1 mm。在承受平行于膠縫平面的剪力時(shí)，構(gòu)件受剪部位漏膠長度不應(yīng)大于75 mm，其他部位不大于150 mm。在室外使用環(huán)境條件下，層板寬度方向的平接頭和層板板底開槽的槽內(nèi)均應(yīng)填滿膠。

層板膠合時(shí)，應(yīng)確保夾具在膠層上均勻加壓，所施加的壓力應(yīng)符合膠黏劑使用說明書的規(guī)定。對于厚度不大于35 mm的層板，膠合時(shí)施加壓力應(yīng)不小于0.6 N；對于彎曲的構(gòu)件和厚度大于35 mm的層板，膠合時(shí)應(yīng)施加更大的壓力。

2.4 張弦梁裝配

吊裝單組張弦梁前，檢查木梁需要在地面安裝的金屬連接件是否安裝好，然后確定構(gòu)件的吊點(diǎn)位置和綁扎方法。為保證木構(gòu)件的外觀質(zhì)量，應(yīng)采用棉吊帶吊裝。本工程中膠合木構(gòu)件截面大且質(zhì)量較重，膠合梁吊裝時(shí)采用兩點(diǎn)對稱綁扎起吊并就位安裝。膠合梁起吊后距安裝支座100 mm時(shí)慢速就位，待膠合梁吊裝就位后進(jìn)行對接調(diào)整，然后和金屬連接件固定連接。

為確保安全，起吊前要預(yù)先綁好纜風(fēng)繩，便于起吊和落吊時(shí)的構(gòu)件牽引控制。根據(jù)現(xiàn)場塔吊位置，張弦梁可按先遠(yuǎn)后近的順序吊裝。每組張弦梁采用分件吊裝的方法，先將單組遠(yuǎn)的一端依次吊裝在定位胎架上，隨吊隨調(diào)整，然后進(jìn)行臨時(shí)固定。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，一個(gè)或多個(gè)單體可同步施工。

2.5 拉索安裝與張拉

采用吊機(jī)將纜索吊上操作平臺(tái)，再采用手拉葫蘆進(jìn)行安裝。先安裝一側(cè)錨具，待銷軸安裝并固定后，再進(jìn)行另一側(cè)的安裝。

每榀張弦梁共4組拉索一、2組拉索二。施加預(yù)應(yīng)力時(shí)，先自支座向跨中對稱張拉拉索一，每次張拉1組，每榀共1次張拉完成；然后同步張拉拉索二。所有預(yù)應(yīng)力索均為一端固定、單側(cè)張拉。

張拉過程將遵循相應(yīng)對稱、同步張拉、逐漸加載到位的原則。配備4臺(tái)100 t千斤頂，滿足350 kN以下張拉力的要求，采用穿心千斤頂同步張拉工藝。根據(jù)現(xiàn)場施工工藝順序及設(shè)計(jì)要求，通過施工模擬分析得出每榀張弦桁架張拉施工時(shí)的控制索力及單榀桁架張拉時(shí)對周邊桁架的索力影響。為保證張拉同步，分4級張拉，分別為設(shè)計(jì)張拉力的25%、50%、75%、100%。

2.6 張拉過程監(jiān)測

拉索預(yù)張力施工過程是個(gè)動(dòng)態(tài)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)變化過程，是結(jié)構(gòu)從零狀態(tài)向成形初始態(tài)轉(zhuǎn)變的過程。由于裝配式木質(zhì)張弦梁結(jié)構(gòu)安裝誤差，拉索制作、安裝和張拉誤差，分析誤差以及環(huán)境影響等原因，實(shí)際結(jié)構(gòu)狀態(tài)與分析模型是有差異的。因此，有必要對拉索預(yù)應(yīng)力施工過程進(jìn)行監(jiān)測，對比理論分析值和實(shí)際結(jié)構(gòu)響應(yīng)的差異，及時(shí)掌握各關(guān)鍵施工階段的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，保證拉索施工全過程處于可控狀態(tài)，為下階段施工和最后的施工驗(yàn)收提供依據(jù)。

監(jiān)測設(shè)備采用常州華巖預(yù)應(yīng)力傳感器有限公司生產(chǎn)的振弦式應(yīng)變計(jì)及配套測試設(shè)備和百分表。應(yīng)變計(jì)頻率與壓力（張拉值）經(jīng)過標(biāo)定，按公式進(jìn)行計(jì)算。

2.7 張拉過程監(jiān)測結(jié)果

取本工程中某一榀典型張弦梁的監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果顯示張拉值與應(yīng)變計(jì)數(shù)值基本一致，且張拉值達(dá)到設(shè)計(jì)要求。但當(dāng)回油后，張拉值將有較大的損失，原因可能是工裝段長度無法與張拉值一致。木梁上的應(yīng)變值多為壓應(yīng)變，并顯示出跨中大、1/4跨較小、端部也較大的特征。

3 結(jié)語

對于裝配式大跨徑木質(zhì)張弦梁結(jié)構(gòu)，需根據(jù)構(gòu)件安裝情況及預(yù)應(yīng)力施加方案，計(jì)算結(jié)構(gòu)在此施工工況下的應(yīng)力和變形，并以仿真計(jì)算結(jié)果指導(dǎo)實(shí)際施工。為更好地監(jiān)控裝配式大跨徑木質(zhì)張弦梁結(jié)構(gòu)的初始應(yīng)力和位移，宜對張拉施工過程作數(shù)值分析和實(shí)時(shí)監(jiān)測。

在施工中，應(yīng)選擇合理的張拉分區(qū)、順序及張拉工藝，配合張拉前、張拉中、張拉后的結(jié)構(gòu)監(jiān)控等措施，使施工過程始終處于可控狀態(tài)。應(yīng)從拉索制作、安裝、張拉等工藝過程出發(fā)，改進(jìn)施工工藝，合理組織施工流水，保證結(jié)構(gòu)成形質(zhì)量。