鋼結構技術論文
中國建筑金屬結構協會
建筑鋼結構分會主辦
摘 要：某金融大廈幕墻采用自平衡魚腹式索鋼架混合結構支撐體系，本文研究了拉索的施工模擬計算、施工工藝及索力、結構變形監測方法等。
關鍵詞：自平衡；魚腹式拉索；仿真分析與施工
1 工程概況
某金融大廈幕墻結構采用自平衡式索鋼架混合結構支撐體系，結構體系總高度12.6m。其特點主要有：（1）自重主要由豎向拉桿承擔；（2）水平荷載主要為單元幕墻集中荷載作用，由魚腹式拉索、支承桿承擔；（3）由鋼結構及豎向穩定索形成整體幕墻拉索結構。
圖1 自平衡魚腹式索鋼架混合結構支撐體系平面
該結構魚腹式拉索采用Ф30mm預應力索，預拉力127.75KN、穩定索采用Φ16預應力索、拉桿采用Φ16拉桿、鋼梁采用Q235B 120×120×8mm方鋼管、支撐桿采用Φ60×8mm不銹鋼桿。
2 施工階段仿真計算
2.1 施工階段一
張拉穩定索和拉索到25.6KN（即20％的預拉力，20％×127.75＝25.6KN），豎索張拉到15KN，支撐桿和豎向拉桿均已到位并參與作用，考慮各構件的自重作用，該階段的混合結構支撐體系系統的變形、內力圖如下：
圖2 混合結構支撐體系拉索系統變形圖（自重作用）
由變形圖可見，在該施工階段，Y方向索的最大變形為9.5mm，Z方向索的最大變形為82mm，均不會發生索松弛現象。
圖3 混合結構支撐體系拉索系統內力圖（自重作用）
由圖可見，在該施工階段，拉索的最大拉力為29kN，穩定索的最大拉力為26kN，撐桿的壓力為2kN左右，均滿足強度要求。
圖4 混合結構支撐體系鋼梁應力圖 MPa（自重作用）
由鋼梁應力圖可見：鋼梁應力為14MPa左右，滿足要求。
2.2 施工階段二
將橫向拉索分別張拉到125KN（內側）和135KN（外側），豎索的張拉力亦不發生變化，未作用單元幕墻集中荷載，拉索系統的變形如下：
圖5 混合結構支撐體系拉索系統變形圖（第二次張拉后自重作用）
由變形圖可見，在該施工階段，鋼梁最大變形為1.39mm。
作用單元幕墻集中荷載后，拉索系統的內力圖如下：
圖6 混合結構支撐體系拉索系統內力圖
（自重和單元幕墻集中荷載共同作用）
由內力圖可見，在該施工階段，拉索的最大拉力為247KN，穩定索的最大拉力為29KN，撐桿的壓力為2KN左右，均滿足強度要求。
圖7 混合結構支撐體系鋼梁應力圖(自平衡魚腹式索鋼架)
（自重和單元幕墻集中荷載共同）
由鋼梁應力圖可見：鋼梁應力為90MPa左右，滿足要求。
3 施工技術及監測方法
3.1 主要技術措施
3.1.1 施工順序
預埋件校準→耳板定位→組裝和連接拉索→施加預應力→校準檢驗→連接豎向承重拉索→施加預應力→整體調整→校準檢驗。
3.1.2 主要施工技術路線
3.1.2.1測量放線
測量放線是確保施工質量的最關鍵工序。必須嚴格按圖紙設計、施工規范進行，在工程中使用了經緯儀、全站儀等儀器進行測量。為了測量準確、方便、直觀，根據平面布置設立主控點，以保證再次測量時基準點不變。
3.1.2.2施工精度單元控制
為了減少安裝尺寸誤差積累，有利于安裝精度的控制與檢測，可人為的將幕墻分成多個控制單元。控制單元確定后，就可從測量放線到結構安裝、鋼絲安裝、玻璃安裝，每次測量、核對、調整都以同個單元尺寸來控制安裝精度。
3.1.2.3 結構安裝
首先對混合結構支撐體系的基準點進行測量。記錄每榻的變位情況，根據變位量按照施工圖，確定駁接頭的點位和拉索、鋼結構耳板的焊接位置，然后進行受力索、鋼結構的安裝，并對拉索施加預應力。只有在安裝和調整過程中，提前設置合理的內應力值，才能保證玻璃安裝后在荷載作用下混合結構支撐體系變形才能在允許的范圍內。
3.1.2.4 施工與質量控制
自平衡魚腹式索鋼架混合結構支撐體系玻璃幕墻的施工與設計關系十分緊密，設計時必須預先考慮施工的步驟，尤其必須預先規定好張拉預應力的步驟，實際施工時必須嚴格按照規定的步驟進行，如果稍有改變，就有可能引起內力很大變化，會使支承結構嚴重超載，因此，施工人員必須清楚設計人員的意圖，設計人員必須做好透徹技術交底并在關鍵的施工階段親臨現場指導。
索鋼架混合結構支撐體系的假設必須首先建立支承結構，把已經預拉并按準確長度準備好的索鋼架就位，調整到規定的初始位置并初步固定，然后按規定的次序進行預應力張拉，張拉預應力一般利用各種專門的千斤頂進行操作比較方便，而且易于控制張拉力的大小，張拉過程要隨時監測索系的位置變化，必要時在征得設計人員同意后做適當調整，使整個拉索式點連接全玻璃幕墻完成時達到預定位置。
3.1.2.5 索網張拉施工
用超張拉法達到內力平衡，豎向受力索桁架是采用整條索通過固定支點形成的多榀桁架，預拉力施加時只能在一端進行，經試驗證明，每通過一個固定支點時，因摩擦阻力等因素造成的內力損失為10%左右，會出現內力不平衡，為消除此現象，我們采用了超張拉的方法。在施加預應力時根據單根索所通過的固定支點的數量按損失的內力值來確定超張拉力。經12h持荷后將超張拉值松弛到設定的預拉力值后達到內力平衡。
預應力張拉步驟首先安裝承重索并將預應力值一次施加到位，然后安裝受力索，前后受力索必須同時在一端張拉，分3步進行:
①在索布設結束后先進行第1級張拉，按總預拉力值的20%控制拉力;
②經調整達到內力基本平衡，空間定位基本到位后進行第2級張拉，按總預拉力值的80%控制拉力，當拉力到位后粗調懸空桿的位置并保持拉力進行定位尺寸調整;
③當內力穩定后測量每榀桁架的內力損失情況，確定超張拉值進行超張拉，并持荷12h;
④當超張拉內力穩定后將內力放松至100%的預拉力控制值，經測量調整使每一榀索桁架的內力均達到預張拉值后，將節點固定鎖緊，并與垂直承重索連接鎖緊。
（4）索力測量
在施工過程中采用三點式索張力測量儀，該測量儀可用于任何位置索段的索張力測量。這種測量方法，原理簡單、量測可靠。
三點式索張力測量儀測量精度在2%以內。采用10T和20T三點式索張力測量儀各一臺，分別用于橫索和豎索張力檢測。
圖8 三點式索張力測量儀工作原理(自平衡魚腹式索鋼架)
3.1.3 施工控制監測
張拉過程中，因受力影響，將產生一定的平面及高程位移，是監控工作中的重點控制環節。監測工作將使用TCR402全站儀進行，該儀器具有在170米內免棱鏡功能，即無需架設反射棱鏡或測量反射貼片，使觀測過程十分簡單、迅速，根據工程半徑，該儀器完全符合需要，能滿足動態、多點位測量的快速測量需求。在觀測前，預先在索控制部位做好標志，由TCR402直接讀取標志三維坐標，通過各狀態的讀數同初始值的比較，可反應施工過程中索的空間變形情況。并指導施工進行調整
4 結 語
1）本大廈幕墻采用了魚腹式拉索結構體系，結構新穎美觀且受力合理，充分發揮了預應力空間結構的優越性。
2）施工前進行仿真計算，施工過程中對預應力拉索及鋼結構變形進行了監控，有效地保證了鋼結構的施工質量。
3）制定合理的施工順序，有效地減小施工安裝誤差，保證施工質量。
4）根據現場施工條件，設計了輕巧的張拉設備，節省了施工工期。
參考文獻
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（上海建科建設發展有限公司，上海，200032）
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