胡 怡

上海市機(jī)械施工集團(tuán)有限公司 上海 200072

1 工程概況

上海博物館東館內(nèi)庭區(qū)域，有一2層螺旋上升坡道，串連起博物館2—5層樓面，垂直高差達(dá)15 m。坡道截面為倒三角形，由上弦板、兩側(cè)下弦板與若干內(nèi)隔板拼成。坡道總長(zhǎng)120 m，寬2.4 m，單環(huán)平面投影直徑約35 m。整個(gè)坡道結(jié)構(gòu)由3組樓面固定支座與4組斜拉索共同受力承擔(dān)（圖1）。每組斜拉索上吊點(diǎn)種根在博物館內(nèi)庭兩側(cè)樓層框架節(jié)點(diǎn)上，采用叉耳式索頭（圖2）。下吊點(diǎn)連接在螺旋坡道外側(cè)下弦板上，采用螺桿式索頭（圖3）。每組斜拉索由8根長(zhǎng)短不一的φ55 mm定長(zhǎng)索組成，以上吊點(diǎn)為中心，向下發(fā)散到螺旋坡道外側(cè)下弦板各分布點(diǎn)套筒處，每組斜拉索索面排列造型呈扇形曲面狀，單根索長(zhǎng)則控制在8～15 m范圍內(nèi)。

圖1 螺旋坡道三維示意

圖2 斜拉索上吊點(diǎn)節(jié)點(diǎn)

圖3 斜拉索下吊點(diǎn)節(jié)點(diǎn)

2 現(xiàn)場(chǎng)施工流程

1）采用支撐法施工，從下往上逐段拼接螺旋坡道。

2）待螺旋坡道形成整體后，安裝就位4批次共32根斜拉索，并對(duì)斜拉索進(jìn)行初裝預(yù)緊。拉索采用單端張拉的方式，主動(dòng)張拉端布置在斜拉索下吊點(diǎn)位置。

3）解除臨時(shí)支撐對(duì)螺旋坡道向上的約束狀態(tài)。

4）分批次分階段張拉斜拉索，通過(guò)調(diào)節(jié)拉索螺桿長(zhǎng)度并輔助油壓表數(shù)據(jù)控制拉索的張拉力，直至索力值達(dá)到設(shè)計(jì)初始態(tài)要求，結(jié)束終擰。

5）斜拉索張拉的同時(shí)螺旋坡道逐漸向上抬升，與臨時(shí)支撐形成脫離狀態(tài)。

6）復(fù)測(cè)調(diào)整完畢后，拆除現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)支撐。

3 連接節(jié)點(diǎn)優(yōu)化

3.1 優(yōu)化原因

根據(jù)原設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)圖紙，在Rhino軟件中自動(dòng)生成橋體模型數(shù)據(jù)，再導(dǎo)入Tekla內(nèi)進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)模型自動(dòng)生成與擬合，發(fā)現(xiàn)拉索兩端連接方式無(wú)法達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)效果。

1）原斜拉索上下端吊點(diǎn)連接方式均采用叉耳式索頭，叉耳通過(guò)銷軸與外伸耳板進(jìn)行對(duì)接（圖4～圖6），且每組斜拉索縱向排列形式均被設(shè)計(jì)成扇形曲面，索的8處下吊點(diǎn)規(guī)定必須交會(huì)到上吊點(diǎn)同一塊外伸耳板上。這就導(dǎo)致上耳板此時(shí)作為只存在一個(gè)空間平面的直板，無(wú)法滿足同時(shí)被8個(gè)不同空間方向而來(lái)的叉耳索頭平行插入的要求。

圖4 斜拉索空間排列示意

圖5 上吊點(diǎn)原始節(jié)點(diǎn)模型

圖6 下吊點(diǎn)原始節(jié)點(diǎn)模型

2）斜拉索下吊點(diǎn)耳板原本是沿螺旋坡道外檐分散布置，為保證耳板有一定的錨固長(zhǎng)度，必須將耳板延伸至坡道結(jié)構(gòu)內(nèi)部（圖7）。在延伸的過(guò)程中，耳板與坡道結(jié)構(gòu)內(nèi)部的內(nèi)隔板必定會(huì)發(fā)生多次碰撞，這就導(dǎo)致了構(gòu)件的加工質(zhì)量與加工進(jìn)度會(huì)受到影響。

圖7 下吊點(diǎn)剖面示意

3）作為一種由空間索面成對(duì)斜拉的螺旋坡道結(jié)構(gòu)，在安裝精度控制方面也存在多重的難度。其中涉及的安裝偏差就包括：內(nèi)庭主體框架在安裝過(guò)程中產(chǎn)生的允許偏差；螺旋坡道在安裝過(guò)程中產(chǎn)生的允許偏差；吊索上、下耳板在加工、安裝過(guò)程中產(chǎn)生的允許偏差。假設(shè)最不利工況下這3種允許偏差值產(chǎn)生了疊加效應(yīng)，導(dǎo)致累計(jì)偏差值大幅度提高。這將直接影響后續(xù)斜拉索兩端叉耳同時(shí)平行對(duì)接各自耳板的準(zhǔn)確率。此外，叉耳在對(duì)接施工時(shí)，與連接板的傾斜角度越大，索頭端在日后受力工作狀態(tài)下產(chǎn)生的多余折彎應(yīng)力也會(huì)越大，若不及時(shí)處理，勢(shì)必存在極大安全隱患。

3.2 斜拉索上吊點(diǎn)優(yōu)化措施

斜拉索上吊點(diǎn)錨固耳板通過(guò)實(shí)際三維模擬放樣，決定對(duì)原有的直板進(jìn)行雙曲化設(shè)計(jì)，將整塊板面劃分成8個(gè)平面區(qū)段，分別對(duì)應(yīng)8根吊索的不同方向角度。雙曲板本體采用多點(diǎn)柔性壓彎冷作加工技術(shù)，板件上不同平面角度的銷軸孔則采用五軸數(shù)控機(jī)床進(jìn)行定位開孔，確保了板件與孔位的加工精度。該板件設(shè)計(jì)為后置件，單獨(dú)運(yùn)抵現(xiàn)場(chǎng)后根據(jù)實(shí)測(cè)放樣結(jié)果進(jìn)行二次角度調(diào)整，然后再與內(nèi)庭樓層框架焊接固定。

3.3 斜拉索下吊點(diǎn)優(yōu)化措施

斜拉索下吊點(diǎn)由原來(lái)的叉耳式索頭優(yōu)化為螺桿式索頭，并且搭配連接套筒（圖8）。首先，套筒連接板與分倉(cāng)隔板歸并為一塊整板（圖9），可有效避免與內(nèi)隔板發(fā)生多次碰撞的問題。其次，套筒同樣設(shè)計(jì)成后置件形式，允許現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)上吊點(diǎn)耳板實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)調(diào)整套筒姿態(tài)，保證套筒和上吊點(diǎn)耳板控制在同一個(gè)空間平面內(nèi)后再與套筒連接板進(jìn)行焊接固定。以此來(lái)消化前期結(jié)構(gòu)安裝所帶來(lái)的累計(jì)偏差，避免索頭與配套連接板出現(xiàn)折彎現(xiàn)象。最后，在張拉階段，主動(dòng)張拉端布置在套筒底部，可直接提供穩(wěn)定的工裝反力支點(diǎn)，免去了在斜拉索吊點(diǎn)周圍另外焊接耳板充當(dāng)臨時(shí)反力架的環(huán)節(jié)。

圖8 錨杯式索頭節(jié)點(diǎn)

圖9 分倉(cāng)隔板與錨杯關(guān)系示意

4 臨時(shí)支撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本工程博物館的屋蓋為大跨度桁架結(jié)構(gòu)，離地凈高約30 m。而桁架與螺旋坡道又被設(shè)置成上下2層縱橫交錯(cuò)的布局形式。正因如此，部分坡道位置正好在桁架投影面以下，如果采用傳統(tǒng)的塔架作為支撐，則需要設(shè)計(jì)2套各自獨(dú)立的臨時(shí)支撐系統(tǒng)，分別對(duì)應(yīng)桁架和螺旋坡道。同時(shí)鑒于螺旋坡道的空間異形特征，支撐點(diǎn)位無(wú)法全部對(duì)應(yīng)到下方柱網(wǎng)，需要額外增加一套轉(zhuǎn)換梁系統(tǒng)作為傳力補(bǔ)充。為此，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一套桁架與螺旋坡道共用的臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)體系（圖10），既規(guī)避了柱網(wǎng)不對(duì)應(yīng)支撐點(diǎn)位的問題，也節(jié)省了豎向支撐的使用數(shù)量[1-7]。

圖10 現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)支撐

該臨時(shí)支撐采用框架結(jié)構(gòu)體系，由框架柱和框架梁組成。螺旋坡道每個(gè)分段的擱置點(diǎn)都位于框架梁上?？蚣苤捎娩摴芙孛?，框架梁采用熱軋H型鋼，框架軸網(wǎng)間距8.7 m?？蚣芰荷显O(shè)置3根H型鋼立柱作為坡道胎架（圖11），原則上胎架立柱的定位軸線均需對(duì)應(yīng)到坡道結(jié)構(gòu)縱橫向內(nèi)隔板交會(huì)點(diǎn)位置。此套臨時(shí)支撐系統(tǒng)負(fù)責(zé)坡道的臨時(shí)落架問題，后續(xù)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)切割方式解除胎架立柱對(duì)坡道向上的約束力，同時(shí)結(jié)合坡道斜拉索張拉施工，最終達(dá)到螺旋坡道結(jié)構(gòu)自動(dòng)脫胎的目的。經(jīng)結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，臨時(shí)支撐單點(diǎn)最大反力約220 kN，出現(xiàn)在坡道張拉施工前。張拉完成后坡道脫離胎架，臨時(shí)支撐回歸零應(yīng)力狀態(tài)，其間反力變化均勻，承載力和剛度均滿足要求。

圖11 胎架立面布置示意

5 螺旋坡道安裝

本單體坡道共計(jì)19個(gè)雙曲弧形加工段，總重約360 t，板厚均為20 mm，最重分段構(gòu)件約38 t，單件最大運(yùn)輸長(zhǎng)度約12 m，采用已有塔吊作為主要起重設(shè)備逐段吊裝至胎架上。施工前對(duì)整個(gè)安裝流程進(jìn)行有限元施工模擬，確定并優(yōu)化施工過(guò)程中每一分段的變形預(yù)調(diào)值及應(yīng)力監(jiān)控值。經(jīng)結(jié)構(gòu)分析，螺旋坡道在支撐擱置狀態(tài)，結(jié)構(gòu)的最大撓度為6 mm，承載力和剛度均滿足施工要求。

分段單元安裝全程采用全站儀測(cè)量定位。吊裝前，對(duì)胎架位置及端頭標(biāo)高進(jìn)行復(fù)測(cè)調(diào)整。吊裝時(shí)，結(jié)合三維模型準(zhǔn)確找出重心吊點(diǎn)位置，利用倒鏈輔助調(diào)整分段單元的空間姿態(tài)以便于構(gòu)件能迅速落架。調(diào)校時(shí)，依據(jù)深化模型提供三維坐標(biāo)參數(shù)，在每段坡道端頭設(shè)置控制點(diǎn)位，實(shí)時(shí)對(duì)構(gòu)件在空中的三維姿態(tài)進(jìn)行跟蹤與調(diào)整（圖12、圖13）。

圖12 螺旋坡道現(xiàn)場(chǎng)吊裝

圖13 螺旋坡道在支撐擱置狀態(tài)中撓度分布

6 拉索張拉

6.1 拉索設(shè)計(jì)初始態(tài)要求

拉索采用等級(jí)為1 670 MPa的PE索，鋼構(gòu)件的密度為7.85×103kg/m3。根據(jù)設(shè)計(jì)初始態(tài)模型施工過(guò)程分析，從拉索張拉施工到張拉結(jié)束，在結(jié)構(gòu)自重及張拉時(shí)索體的設(shè)計(jì)目標(biāo)態(tài)索力設(shè)計(jì)值為0～247 kN。施工過(guò)程分析及后續(xù)施工以設(shè)計(jì)院提供的最終計(jì)算模型的初始態(tài)索力為施工終態(tài)索力目標(biāo)。其中，第1批與第3批較圖紙建模位置最大起拱25.0 mm，第2批與第4批較圖紙建模位置最大起拱52.0 mm，整體的豎向變形范圍－21.0～24.5 mm（圖14）。

圖14 設(shè)計(jì)初始態(tài)箱梁豎向變形（0～52.0 mm）

6.2 拉索施工過(guò)程分析

本單體拉索采用分批次、分階段的張拉方法，拉索采用單端張拉的方式。主動(dòng)張拉端布置在套筒底部（圖15），通過(guò)特制工裝支架卡住套筒，可直接獲得穩(wěn)定的反力作用點(diǎn)，免去了常規(guī)叉耳式索頭需要在其周圍另外焊接耳板充當(dāng)臨時(shí)反力架（圖16），張拉完畢后又需要將臨時(shí)耳板割除、打磨、補(bǔ)漆等煩瑣環(huán)節(jié)。

圖15 螺桿式索頭配套張拉工裝

圖16 叉耳式索頭配套張拉工裝

拉索張拉根據(jù)拉索在螺旋坡道的分布，分為4個(gè)批次，每1批次8根拉索又分為3個(gè)階段進(jìn)行張拉，第1階段預(yù)緊到設(shè)計(jì)初始張拉力的10%，第2階段張拉至90%設(shè)計(jì)初始態(tài)索力，第3階段張拉至100%設(shè)計(jì)初始態(tài)索力并超張拉5%。根據(jù)坡道的箱梁布置，將從最低部的批次開始張拉，螺旋而上直到最上部一批張拉結(jié)束。根據(jù)設(shè)計(jì)初始態(tài)的要求，張拉施工將在箱梁吊裝和焊接探傷結(jié)束后進(jìn)行。

拉索張拉控制采用以力控為主、形控為輔的原則，主要控制索力，在預(yù)應(yīng)力達(dá)到的基礎(chǔ)上控制箱梁的豎向變形，通過(guò)拉索調(diào)節(jié)螺桿長(zhǎng)度并輔助油壓表數(shù)據(jù)控制拉索的張拉力。中間4根非主受力拉索根據(jù)設(shè)計(jì)受力要求進(jìn)行預(yù)緊即可。

在張拉過(guò)程中，拉索索力從0逐漸張拉至244 kN。本工程每一張拉步驟的索力偏差均在規(guī)范要求的10%的范圍內(nèi)，整個(gè)過(guò)程索力變化均勻。最終的索力偏差均在1%～5%內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)索力要求。

6.3 施工過(guò)程位移和應(yīng)力變化

根據(jù)施工過(guò)程分析的結(jié)果，分批張拉完畢并拆除中央胎架后，整體豎向最大變形為＋53 mm，鋼箱梁的位形與設(shè)計(jì)初始態(tài)基本一致，滿足要求。張拉過(guò)程鋼箱梁應(yīng)力如圖17所示，在各張拉施工過(guò)程中，屋面整體的應(yīng)力變化均勻，鋼箱梁殼體的應(yīng)力一直處于較低水平，應(yīng)力較大的部位主要在起點(diǎn)支座與第1批拉索間梁段、第1批與第2批拉索間梁段及第3批與第4批拉索間梁段；最大的拉應(yīng)力63 MPa出現(xiàn)在箱梁的底面靠旋轉(zhuǎn)坡道外側(cè)。數(shù)據(jù)顯示，在張拉過(guò)程中應(yīng)力變化均勻，張拉終態(tài)箱梁的應(yīng)力水平與峰值均與設(shè)計(jì)初始態(tài)一致，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖17 箱梁殼體的應(yīng)力范圍（0～60 MPa）

7 結(jié)語(yǔ)

本單體螺旋坡道結(jié)構(gòu)對(duì)施工方法和施工精度都提出了較高的要求，針對(duì)該結(jié)構(gòu)特性提出了以下4點(diǎn)解決方案：

1）針對(duì)螺旋坡道特殊的吊索連接形式，吊索兩端采用叉耳式索頭搭配雙曲耳板，螺桿式索頭搭配后置式套筒的混合連接形式，簡(jiǎn)化了坡道內(nèi)隔板制作流程，并有效消化坡道安裝時(shí)的累計(jì)偏差值。

2）本次臨時(shí)支撐系統(tǒng)有效解決了錯(cuò)層結(jié)構(gòu)同時(shí)借用一套臨時(shí)支撐系統(tǒng)完成安裝和卸載的問題，既規(guī)避了部分臨時(shí)支撐與柱網(wǎng)上下不對(duì)應(yīng)的現(xiàn)象，也節(jié)省了豎向支撐的使用數(shù)量。

3）有效利用數(shù)字化建模、分析手段，精準(zhǔn)把控各階段施工狀態(tài)，準(zhǔn)確定位分段單元在空間中的擱置姿態(tài)，最大程度保證了螺旋坡道的整體精度，加快了分段單元的安裝速度。

4）通過(guò)對(duì)吊索張拉施工全過(guò)程分析，所有的吊索最終均能達(dá)到設(shè)計(jì)初始態(tài)要求，索力誤差在5%以內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求，為后續(xù)坡道的安裝、卸載、吊索張拉提供了理論依據(jù)。