徐 坤，高勇刚，孟祥冲，贺 印，赵 楠，彭 磊，高成子
（中建钢构有限公司，四川成都 610041）
[摘要]空间梭形钢管-拉杆混合桁架以梭形管桁架为主要受力体系，辅以预应力钢拉杆斜腹杆作为梭形桁架的稳定体系。结合中国西部国际博览城（一期）项目，基于桁架特点，经过方案对比分析，采用地面整榀立拼、2台履带式起重机抬吊就位的施工工艺。重点介绍了梭形桁架拼装、钢拉杆施工、梭形桁架吊装等施工关键技术，通过应力监测以及有限元分析，证明结果满足要求。
[关键词]钢结构；桁架；梭形桁架；钢拉杆；吊装；施工技术
[中图分类号]TU758[文章编号]1002-8498(2016)08-0081-05
0 引言
梭形结构外形呈流线型，富于建筑表现力，且与梁弯矩图接近，承载效率高，用料经济，近年来备受建筑及结构设计师的青睐；高强度钢拉杆性能稳定，自重轻，外形精致，且可通过施加预应力增大结构跨越能力，减轻结构自重，达到结构优、建筑美的双重效果。空间梭形钢管·拉杆混合桁架（以下简称梭形桁架）以梭形管桁架为主要受力体系，辅以预应力钢拉杆斜腹杆作为梭形桁架的稳定体系，在结构稳固、经济的同时，也保障了偶然性非均布荷载作用下的稳定性，还大幅度减小桁架结构的下挠。
1 工程概况
中国西部国际博览城（一期）项目位于天府新区秦皇寺中央商务区，建筑面积约57万m2，分为5个展厅和1个多功能厅。建成后将成为中国西部最大的展览中心，并作为中国西部国际博览会永久会址及大型国际、国内会展举办场地。
本工程B，C展馆梭形桁架为空间双曲桁架，平面、正立面投影均为梭形，横截面为近似倒三角形；长81m，最大宽度4.3m，最大高度约16. 16m（桁架最高点与最低点高差），截面最大高度约9. 5m，单榀最重约75t，如图1所示。通过焊接支座球连接于柱顶滑动支座上，跨度63m，两侧各悬挑9m，B展馆最大安装高度31m，C展馆最大安装高度约42m。3根弦杆采用ɸ299×16~ɸ450×25钢管，直腹杆、水平系杆及跨外斜腹杆采用ɸ180 x8~ɸ273 x18钢管，跨内斜腹杆则采用24根预应力高强度钢拉杆，直径为60，80mm。
2重难点分析
梭形桁架施工集合了梭形空间桁架施工和预应力钢拉杆施工的重难点，主要为以下几点。
1)梭形空间双曲桁架的拼装 梭形桁架拼装主要重难点在于其双曲上弦杆，上弦杆的空间走势根据建筑造型确定，无函数规律，控制难度较大。
2)交互影响预应力钢拉杆斜腹杆群施工 预应力钢拉杆斜腹杆在施工过程中内力值不断变化，预应力输入值与完成值差别很大。作为梭形桁架的稳定系统，其完成状态的预应力值不仅影响结构功能的发挥，也可能在施工状态中造成结构本身的不稳定，完成状态预应力值的控制至关重要。
3)超长倾斜空间桁架吊装 超长倾斜空间桁架吊装、调整过程中，吊装姿态转换、吊索绑扎不合理易造成滑动、松动，导致吊装过程中发生危险。
3 施工思路及施工流程
基于桁架特点，经过方案对比，采用地面整榀立拼，2台履带式起重机抬吊就位。施工流程为：胎架布置→桁架钢管结构拼装→钢拉杆斜腹杆拼装→桁架钢管结构焊接→钢拉杆斜腹杆张拉-+桁架吊装就位。
4施工关键技术
4.1桁架拼装
4.1.1 拼装胎架设计
根据梭形桁架特点（主要是几何外形）及现场施工环境，设计一种快速拆装的组合式仿形胎架用于梭形桁架的拼装施工。胎架由3个高度为10m、2个高度为7m、2个高度为5m的单元及两侧水平通道组合而成。各单元高度、宽度均自中间向两端呈阶梯状缩小，2条水平通道均为双向弧形，与梭形桁架上弦走势相近。组合而成的胎架与梭形桁架外形相仿，各段弦杆对接位置位于胎架单元自身立柱之间，既便于拼装作业，又节约胎架制作材料，且胎架拆除、重新组合的过程可通过各单元间水平通道的拆、装快速完成，如图2所示。
4.1.2拼装定位
双曲弦杆的拼装质量为桁架拼装精度的主要影响因素，弦杆拼装时采用三级精度控制。
1)样冲眼初步定位梭形桁架弦杆制作时，在弦杆端头的上、左、右3侧各标记1组样冲眼，拼装时调整在装弦杆，直至3组样冲眼与已装弦杆均在一条直线上，弦杆初步定位完成。
2)胎架支撑节点校正调节 弦杆校正主要通过胎架上的定位托板（控制标高）、侧向定位板（控制平面位置）控制，校正完成后加侧向固定板固定。
3)设计控制点坐标复核 在校正完成后的弦杆上反算出设计控制点（节点）对应位置，通过该点实测坐标与理论值进行对比，对桁架拼装精度进行局部复核，如图3所示。
4.1.3 拼装顺序
桁架拼装过程遵循“从中间往两端，先主杆后次杆再拉杆；拼完再焊，焊完才拉”的顺序，钢拉杆张拉顺序详见下节。
4.2钢拉杆施工
4.2.1钢拉杆施工概况
每榀桁架包括24根预应力钢拉杆斜腹杆：型号为ɸ80 UI型钢拉杆8根，理论屈服荷载≥2 763kN，理论破断荷载≥3 767kN，实际预应力控制值50kN，完成值与设计值不超过20%误差；型号为ɸ60 UI型钢拉杆16根，理论屈服荷载≥1554kN，理论破断荷载≥2 119kN，实际预应力控制值30kN，完成值与设计值不超过20%误差，其布置立面如图4所示。
施工过程中，各钢拉杆内力施加交互影响，张拉完成状态与就位状态桁架支撑条件变化较大，亦会引起钢拉杆内力变化，钢拉杆内力值从施加到就位完成状态一直处于变化中。为防止施工过程中钢拉杆受压破坏，使用了一种单边约束的“自卸力”下弦杆钢拉杆节点，钢拉杆即将进入受压状态时会保护性退出工作，如图5所示。
4.2.2钢拉杆施工过程中内力分析
为研究钢拉杆受力变化的特点，采用有限元软件建立有限元模型，其中圆钢管采用三维弹塑性梁单元Beam188模拟，预应力钢拉杆采用杆单元Link180模拟。假定按照设计值进行钢拉杆依次张拉，对以下3种工况进行模拟，初步分析钢拉杆内力变化情况。
24，如图6所示。
图7给出了施工时各拉杆实际施加拉力与最终目标拉力之间的关系，可以看出，除了最后施加拉力的杆件外，其他拉杆施工时施加的内力均不等于其目标拉力。因此，实际施工时应按照不同的施工拉力进行预应力施加。
由工况1、工况2和工况3直接张拉施工所得就位状态内力值达不到设计要求，拉杆之间张力相互影响现象明显。因此，应根据就位状态设计内力值作为目标值，逆向迭代仿真分析得出初始内力施加值，施工中按照得出值进行加载，并通过现场实际监测验证理论值的可靠性，以指导钢拉杆施工。同时由图7可知，由中间向两边对称张拉时各拉杆张力波动较小。
4.2.3张拉顺序确定
钢拉杆张拉顺序综合考虑现场可实施性、张拉施工对桁架结构的影响以及张拉过程中各拉杆内力稳定性来确定，最终选择按照工况3的张拉顺序进行施工。4.2.4 扭矩值计算及钢拉杆张拉
根据工况3对应的理论内力施加值，计算出扳手施拧扭矩值，计算公式如下：
T= K F d
式中：F为预紧力；K为扭矩系数（K取0.2）；d为拉杆螺栓大径（ɸ60 UI拉杆大径72mm，ɸ80 UI拉杆大径95mm）。
拉杆按照工况3进行张拉，使用定制的扭矩扳手，将刻度盘的扭矩值调整到计算所得的扭矩值，拧至滑丝即为完成，过程中有施拧记录。
4.2.5应力监测
张拉之前，每根钢拉杆上装置电阻应变式传感器，对钢拉杆的整个施工过程中内力变化进行量测，将监测值与理论值进行对比分析，对该施工方法的可靠性进行验证。图8是工况3的拉杆内力对比。
通过监测数据分析，钢拉杆实际完成预应力值：ɸ60 UI拉杆为30.1~32. 1kN，与设计值相比偏差3. 4%~7.0%；ɸ80 UI拉杆为51.7~54. 4kN，与设计值相比偏差在3. 4%~8.8%，满足设计要求的20%以内。同一节点上460 UI拉杆差值最大1. 7kN，差值率5.7010；同一节点上ɸ80 UI拉杆差值最大2. 7kN，差值率5.4%，不影响结构稳定性。监测结果证明，按仿真分析所得内力值进行现场实际加载，钢拉杆就位状态内力值满足设计要求。
4.3桁架吊装
4.3.1 吊装思路
梭形桁架为长81m、重75t的倾斜构件，正立面最大高差约16m，倾斜角度约110，同一横截面两上弦杆存在高差，最大高差约0. 5m，重心不在下弦杆正上方，自身稳定性较差。选用2台履带式起重机双机抬吊，较单机吊装，有效地降低了吊索绑扎高度，同时大幅度减小吊索水平压力对梭形桁架产生的内力，如图9所示。
4.3.2吊装分析
经过施工模拟分析，将2台起重机对应吊点分别设置在梭形桁架两个端头1/4附近的上弦节点处，通过Tekla Structures找出梭形桁架重心位置及桁架总质量，结合吊点位置，通过力矩平衡计算出各吊点的受力情况。双机抬吊吊装分析遵循“构件质量不得超过2台起重设备额定起重量总和的75%，单台起重设备的负荷量不得超过额定起重量的80%”的原则。以吊装高度较高的C馆16榀梭形桁架为例，2台起重机均选用QUY180履带式起重机，59m主臂、14m吊装半径、额定吊重52. 6t，50t吊钩与吊素质量按1. 5t计。吊装分析结果满足要求。
4.3.3 吊点绑扎
梭形桁架拼装时，为减小拼装胎架高度，将倾斜桁架放置近似水平进行拼装，吊装时先水平起吊，升至高度超过低侧就位标高后开始倾斜吊装，初步就位后通过手拉葫芦进行桁架的校正。整个过程其吊装姿态发生较大变化，钢丝绳绑扎在节点就位状态的低侧以防止倾斜过程中滑动，“单绳双支”绑扎形式钢丝绳通长绕过2根上弦杆下表面，在葫芦调整梭形桁架侧立面形态过程中不会发生单侧松动，吊点绑扎如图10所示。
4.3.4 吊装施工
起重过程中统一指挥，保持2台起重设备升降和移动同步，2台起重设备的吊钩、滑车组均基本保持垂直状态，主要步骤如下。
1)起吊时，梭形桁架水平起吊，脱离胎架后先静置，观察无异常后双机同步起升。
2)起升高度超过梭形桁架低侧就位高度后，双机停止起升；梭形桁架稳定后，低侧起重机不再起升，高侧起重机继续起升至超过梭形桁架高侧就位高度后停止；由于吊索绑扎在梭形桁架就位状态下上弦节点的较低侧，梭形桁架倾斜吊装过程中不会发生滑动。
3)双机协同工作，大臂前伸或大臂后收，将梭形桁架吊至就位状态的正上方；起重机落钩，直至梭形桁架2个支座球落至钢柱柱顶支座上，初步就位完成，此时起重机仍承担梭形桁架80%质量。
4)梭形桁架的校正通过手拉葫芦完成，拉动手拉葫芦时，遵循“先松后拉”的原则，即若要拉紧某一手拉葫芦提升梭形桁架，则先将其对侧的手拉葫芦稍微松动，再拉动该手拉葫芦，梭形桁架会在手拉葫芦的提升力和自身重力作用下在吊索内转动，使吊索始终保持张紧状态，不发生松动。
5)校正完成后，将支座球焊接于柱顶支座上，做好梭形桁架临时支撑，履带式起重机松钩，吊装作业完成。
5 结语
中国西部国际博览城B，C展馆全部32榀梭形桁架已经施工完成，在该过程中总结了一种空间梭形桁架的拼装方法，设计了一种快拆、装组合式仿形胎架；通过施工仿真分析对交互影响预应力钢拉杆斜腹杆群施工进行指导，并通过应力监测验证了该方法的可靠性；研究了一种倾斜梭形空间桁架的吊装方法及其吊点绑扎形式。
上述技术对类似不规则空间桁架的拼装、吊装，预应力钢拉杆施工同样具有很好的参考价值。
