一种超长上凸式张弦杂交拱壳开合屋盖结构的施工方法

技术领域

本发明属于大跨空间结构中的张弦拱壳结构领域，具体为一种超长上凸式张弦杂交拱壳开合屋盖结构的施工方法。

背景技术

近年来，随着我国经济文化的持续快速发展，大跨度预应力钢结构得到了空前的发展，涌现出了许多新的结构形式和造型，形成了各具特色的多种空间结构体系。通常的张弦梁结构是一种上弦为刚性构件，下弦为柔性拉索，中间由受压的撑杆连接的结构体系，其结构组成是一种自平衡体系，是一种大跨度预应力空间结构体系。张弦梁结构最早由日本大学M.Saitoh教授明确提出，在国内近二十年越来越多的项目采用张弦梁结构。本项目超长上凸式张弦杂交拱壳结构形式为张弦梁的一种结构衍变形式，该结构形式新颖，具体的结构形式为：上弦刚性构件由矩形钢管型钢斜交和正交杂交的拱形网壳组成，下弦为上凸的钢拉索布置，上下弦之间为受拉的钢拉杆，同时上弦拱壳为可开启的屋面结构。

目前张弦梁形式的屋盖结构的下弦拉索一般都是布置成下凹形式，这种形式的张弦梁结构的特点有：1、上下弦间的连接竖杆为受压的撑杆，张弦梁用于大跨度结构时中间撑杆由于受压杆长细比控制而使其截面尺寸过大；2、理论上，下弦索和撑杆可以围绕上弦以任意角度旋转而同时又能达到力的平衡，尤其是在风吸作用下，下弦索有可能由受拉变成受压而退出工作，对结构整体稳定造成影响；3、下凹式的张弦结构在大跨度公共建筑的屋盖结构应用时会占用较大的建筑室内空间，内部视线会受到一定的阻碍。

随着对近些年建造的大跨度张弦梁结构工程的理论分析和实验研究，在位形控制和稳定性分析等方面取得了一定成果，但对张弦梁结构的施工方法缺乏总结，特别是在下弦钢索张拉力的优化、预应力张拉控制以及施工全过程跟踪模拟等方面的研究还不够全面，使得张弦梁结构的施工控制理论落后于工程实践。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超长上凸式张弦杂交拱壳开合屋盖结构及其施工方法，以解决上述技术问题。

为此，本发明提供一种超长上凸式张弦杂交拱壳开合屋盖结构的施工方法，超长上凸式张弦杂交拱壳开合屋盖结构包括：

拱壳，为可开启的屋面网壳，所述拱壳的拱壳梁两端与支座连接，支座连接在环梁的顶部，支座包括固定支座和滑动支座；

拉索，呈上凸式设置在拱壳下方，所述拉索拉结在拱壳梁的两端之间；

第一钢拉杆，其两端分别与拱壳梁的中部和拉索的中部连接；

该施工方法包括以下步骤：

S1、将整个超长上凸式张弦杂交拱壳开合屋盖结构沿南北方向分为多块滑移区，同时进行滑移施工，相邻滑移区之间、以及山墙与滑移区之间为补缺区；

S2、建立超长上凸式张弦杂交拱壳开合屋盖结构的整体结构计算模型，以结构位形控制为主的原则，反复调整并最终确定每榀拉索的初拉力，并根据该初拉力，进行各施工阶段的仿真分析，给出超长上凸式张弦杂交拱壳开合屋盖结构在各施工阶段的位形和张拉力并确定拉索的索长；

S3、在超长上凸式张弦杂交拱壳开合屋盖结构的每块分区下方设置一个拼装平台，在拼装平台上拼装好拱壳并将拱壳安装在环梁的临时滑轨上，安装拉索并根据S2中的初拉力进行初张拉，调整拉索的索长，保证拉索的跨向水平位移为零，采用累积滑移法将拱壳从拼装平台向南北方向对称滑移，完成两个滑移区域的施工；

S4、安装中间的拱壳，安装中间的拉索并进行初张拉，保证拉索的跨向水平位移为零，完成补缺区域的施工；

S5、两个滑移区域和一个补缺区域都安装完成后进行合拢，并将固定支座固定；

S6、根据S2的张拉力按从拼装平台向南北两侧的顺序对拉索进行第二级张拉，张拉至设计拉力值100%后固定单向的滑动支座。

优选地，两个滑移区域施工时按照从拼装平台向南北两侧对称的原则，北侧安装一榀拱壳，南侧安装拉索并张拉，并按照南北两侧对称原理将拱壳滑移。

优选地，每个滑移区域包括4榀拱壳，S3中滑移区域的施工具体包括以下步骤：

S31、在拼装平台上拼装好北一、北二和南一共3榀拱壳，并将3榀拱壳安装在环梁的临时滑轨上；

S32、将北一和北二的拱壳向北滑出，然后安装北一的拉索并进行初张拉，然后将北一和北二的拱壳继续向北滑移；

S33、安装北二的拉索并进行初张拉，然后将北一和北二的拱壳向北滑移，安装南二的拱壳；

S34、安装南一的拉索并进行初张拉，然后将南一和南二的拱壳向南滑移，安装北三的拱壳；

S35、安装北三的拉索并进行初张拉，然后将北一、北二和北三的拱壳向北滑移，安装南三的拱壳，安装南二的拉索并进行初张拉；

S36、安装北四的拱壳，将北一、北二、北三和北四的拱壳向北滑移，将南一、南二和南三的拱壳向南滑移；

S37、安装北四的拉索并进行初张拉，将北一、北二、北三和北四的拱壳向北滑移，将南一、南二和南三的拱壳向南滑移；

S38、安装南三的拉索并进行初张拉，将南一、南二和南三的拱壳向南滑移，安装南四的拱壳；

S39、安装南四的拉索并进行初张拉，将南一、南二、南三和南四的拱壳向南滑移，完成两个滑移区域的施工。

优选地，S3中索长的调整为根据S2中计算得到的拉索的初拉力，结合拉索的索体参数和材料参数计算出拉索在无应力状态下的索长，从而确定拉索的索长的初步调整量。

优选地，拉索安装后，在初步调整量的基础上，综合拉索的加工误差以及屋盖外围结构的加工、安装误差，从而确定每根拉索的精确调整量。

优选地，S3-S6中，张拉成型后的超长上凸式张弦杂交拱壳开合屋盖结构中的拉索内力实际值与S2中拉索的拉力的计算值偏差在±10%以内。

优选地，所述拱壳为矩形钢管型钢斜交和正交杂交的拱形网壳。

优选地，所述拱壳梁的端部连接有张拉工装，所述张拉工装包括：

锚固支座，其顶部一侧连接有锚固耳板；

拉索调节螺杆，其一端与锚固耳板连接，另一端与拉索连接；

承力架，套设在拉索外，所述拉索穿过承力架并与拉索调节螺杆连接；

千斤顶，其数量为两个，所述千斤顶对称连接在承力架的两端；

第二钢拉杆，其数量为两个，所述第二钢拉杆的一端与锚固耳板连接，另一端穿过承力架并与千斤顶连接，所述第二钢拉杆上套设有横担。

优选地，超长上凸式张弦杂交拱壳开合屋盖结构的长度为252m、跨度为72m。

与现有技术相比，本发明的特点和有益效果为：

（1）本发明的超长上凸式张弦杂交拱壳开合屋盖结构的主要特点为：第一是由上凸的拉索平衡拱壳的水平推力，仍然保留了张弦结构自平衡的优势；第二是上下弦间的连接竖杆由撑杆变为拉杆后，避免了张弦拱壳用于大跨度结构时中间撑杆由于受压杆长细比控制而使其截面尺寸过大问题；第三是结构只有上弦拱壳为压弯构件，其余都为拉杆，结构也更为简洁、轻巧，同时结构效率更高；第四是与张弦拱结构相比有更大的建筑室内空间可以利用，内部视觉也更为明快，特别适用于大跨度公共建筑的屋盖结构。第五，上弦拱壳杆件可根据建筑的需求灵活布置成正交或斜交方式。拱壳由矩形钢管构件、型钢构件正交或者斜交组合而成。正交与斜交混合使用则兼具两种布置的优点，显得既大方又不呆板，而且可以实现划分不同的功能分区的作用。

（2）本发明的超长上凸式张弦杂交拱壳开合屋盖结构施工时，在252m长度内，每隔63m设置一个拼装平台，共3个拼装平台，每拼装完3榀，先滑出500mm进行拉索的安装和初张拉，拉索初张拉控制张弦拱壳跨向水平位移接近于零，然后再滑移出6m进行下一榀的安装，滑移顺序从拼装平台向两侧进行，如此反复进行，最后高空补缺对接完成整个屋盖结构的安装。与传统的不分块向同一个方向滑移相比，节约了约3/4的施工工期，提高了工作效率。

（3）本发明的超长上凸式张弦杂交拱壳开合屋盖结构在安装时，将整个超长上凸式张弦杂交拱壳开合屋盖结构沿南北方向分为多块滑移区，同时进行滑移施工，采用累积滑移法将拱壳从拼装平台向南北方向对称滑移。与向同一个方向滑移相比，拱壳由拼装平台向南北两侧滑移所需的滑移距离短，滑移效率高，工期短。采用分区施工的优点是可以增加工作面，有利于形成流水施工，提高工作效率，避免了人力、机械等的浪费。

附图说明

图1为超长上凸式张弦杂交拱壳开合屋盖结构的示意图。

图2为单榀拱壳与拉索、第一钢拉杆的示意图。

图3为拉索和第一钢拉杆的示意图。

图4为超长上凸式张弦杂交拱壳开合屋盖结构的断面示意图。

图5为张拉工装与滑移支座、环梁的连接示意图。

图6为张拉工装的示意图。

图7为索夹的示意图。

图8为超长上凸式张弦杂交拱壳开合屋盖结构施工的分区示意图。

图9为步骤S31的施工示意图。

图10为步骤S32的施工示意图。

图11为步骤S33的施工示意图。

图12为步骤S34的施工示意图。

图13为步骤S35的施工示意图。

图14为步骤S36的施工示意图。

图15为步骤S37的施工示意图。

图16为步骤S38的施工示意图。

图17为步骤S39的施工示意图。

图18为步骤S4的施工示意图。

附图标注：1-拱壳、11-拱壳梁、2-拉索、3-第一钢拉杆、4-滑动支座、5-环梁、61-锚固支座、62-锚固耳板、63-拉索调节螺杆、64-承力架、65-千斤顶、66-第二钢拉杆、67-横担、7-索夹、71-抱箍、72-索夹耳板。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创新特征、达成目的与功效易于明白了解，下面对本发明进一步说明。

在此记载的实施例为本发明的特定的具体实施方式，用于说明本发明的构思，均是解释性和示例性的，不应解释为对本发明实施方式及本发明范围的限制。除在此记载的实施例外，本领域技术人员还能够基于本申请权利要求书和说明书所公开的内容采用显而易见的其它技术方案，这些技术方案包括采用对在此记载的实施例的做出任何显而易见的替换和修改的技术方案。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1-7所示为一种超长上凸式张弦杂交拱壳开合屋盖结构，该超长上凸式张弦杂交拱壳开合屋盖结构的长度为252m、跨度为72m，共计41榀。该超长上凸式张弦杂交拱壳开合屋盖结构为张弦结构形式，可以减少跨向水平位移和拱壳1的挠度。该超长上凸式张弦杂交拱壳开合屋盖结构包括拱壳1、拉索2和第一钢拉杆3。拱壳1为可开启的屋面网壳，具体为矩形钢管型钢斜交和正交杂交的拱形网壳。与拱壳1的轴线平行或垂直的构件为正交，其它的为斜交。斜交部分是室外花园，要外露，按建筑幕墙进行分格。正交部分是峰会厅室内屋面顶上不透室内有吊顶，考虑简化节点，故设计成正交。正交布置的形式比较大方、通透,斜交布置灵活、自由，正交与斜交混合使用则兼具两种布置的优点，显得既大方又不呆板，而且可以实现划分不同的功能分区的作用。

拱壳1的拱壳梁11两端与支座连接，支座连接在环梁5的顶部。支座包括固定支座和滑动支座4，固定支座用于限制拱壳1沿X、Y、Z方向滑动和转动。滑动支座4用于释放跨向约束。拉索2呈上凸式设置在拱壳1下方，拉索2拉结在拱壳梁11的两端之间。跨中设两根第一钢拉杆3，第一钢拉杆3的两端分别与拱壳梁11的中部和拉索2的中部连接。第一钢拉杆3的底端与拉索2之间通过索夹7连接，索夹7包括抱箍71和索夹耳板72，抱箍71套设在拉索2外，索夹耳板72竖向连接在抱箍71的顶部，第一钢拉杆3的底端与索夹耳板72连接。

拱壳1承受的各种荷载，通过第一钢拉杆3传递到拉索2中，再通过拉索2传递到周边的环梁5上，传力路径清晰、直接。拉索2为主要的受力构件。上凸式张弦杂交拱壳有更大的建筑室内空间可以利用，内部视觉也更为明快，特别适用于大跨度公共建筑的屋盖结构。

拱壳梁11的端部连接有张拉工装，张拉工装包括锚固支座61、拉索调节螺杆63、承力架64、千斤顶65和第二钢拉杆66。锚固支座61的顶部一侧连接有锚固耳板62。拉索调节螺杆63的一端与锚固耳板62连接，另一端与拉索2连接。通过改变拉索调节螺杆63的进出量对拉索2的索长进行控制。承力架64套设在拉索2外，拉索2穿过承力架64并与拉索调节螺杆63连接。千斤顶65的数量为两个，千斤顶65对称连接在承力架64的两端。第二钢拉杆66的数量为两个，第二钢拉杆66的一端与锚固耳板62连接，另一端穿过承力架64并与千斤顶65连接，第二钢拉杆66上套设有横担67。

超长上凸式张弦杂交拱壳开合屋盖结构的长度为252m，跨度为72m，且屋盖为可开启的，因此对上凸式张弦杂交拱壳的加工和安装精度提出了较高的要求。而且是一种刚性构件和柔性构件的杂交结构，结构特点决定了施工难度较大。

上述超长上凸式张弦杂交拱壳开合屋盖结构的施工方法具体包括以下步骤：

S1、如图8所示，将整个超长上凸式张弦杂交拱壳开合屋盖结构沿南北方向分为多块滑移区，同时进行滑移施工，相邻滑移区之间、以及山墙与滑移区之间为补缺区；

S2、建立超长上凸式张弦杂交拱壳开合屋盖结构的整体结构计算模型，以结构位形控制为原则，反复调整并最终确定每榀拉索2的初拉力，并根据该初拉力，进行各施工阶段的仿真分析，给出超长上凸式张弦杂交拱壳开合屋盖结构在各施工阶段的位形和张拉力并确定拉索2的索长。

S3、在超长上凸式张弦杂交拱壳开合屋盖结构的每块分区下方设置一个拼装平台，具体地，每隔63m设置一个拼装平台，共3个拼装平台。在拼装平台上拼装好拱壳1并将拱壳1安装在环梁5的临时滑轨上，安装拉索2并根据S2中的初拉力进行初张拉，调整拉索2的索长，保证拉索2的跨向水平位移为零，采用累积滑移法将拱壳1沿南北方向对称滑移，完成两个滑移区域的施工。两个滑移区域施工时按照从拼装平台向南北两侧对称的原则，北侧安装一榀拱壳1，南侧安装拉索2并张拉，并按照南北两侧对称原理将拱壳1滑移。索长的调整为根据S2中计算得到的拉索2的初拉力，结合拉索2的索体参数和材料参数计算出拉索2在无应力状态下的索长，从而确定拉索2的索长的初步调整量。拉索2安装后，在初步调整量的基础上，综合拉索2的加工误差以及屋盖外围结构的加工、安装误差，从而确定每根拉索2的精确调整量。通过调节拉索调节螺杆63的进出量控制拉索2的索长，为了保证索夹7的质量，必须对索夹7进行防锈处理。在精确调整拉索2的索长时，利用刻度尺未标出对拉索2的索长进行精确控制，并用拉索调节螺杆63的进出量进行校核，从而保证拉索2的索长的调整效果和精度。

S4、如图18所示，安装中间的拱壳1，安装中间的拉索2并进行初张拉，保证拉索2的跨向水平位移为零，完成补缺区域的施工。

S5、两个滑移区域和一个补缺区域都安装完成后进行合拢，安装支座并将固定支座固定；

S6、根据S2的张拉力按从拼装平台向南北两侧的顺序对拉索2进行第二级张拉，张拉至设计拉力值100%后固定滑动支座4。

S3-S6中，张拉过程采用分级、第二级对称张拉的方式完成，第一级张拉过程中，以拱壳1的跨向水平位移为零控制，第二级张拉以超长上凸式张弦杂交拱壳开合屋盖的位移和拉索2的内力控制为主，并用拉索2的伸长量进行校核；张拉完成后将所有索夹盖板的高强螺栓再次拧紧。

S3-S6中，张拉成型后的超长上凸式张弦杂交拱壳开合屋盖结构中的拉索2内力实际值与S2中拉索2的拉力的计算值偏差在±10%以内。

每个滑移区域包括4榀拱壳1，S3中滑移区域的施工具体包括以下步骤：

S31、如图9所示，在拼装平台上拼装好北一、北二和南一共3榀拱壳1，并将3榀拱壳1安装在环梁5的临时滑轨上。

S32、如图10所示，将北一和北二的拱壳1向北滑出500mm，然后安装北一的拉索2并进行初张拉，然后将北一和北二的拱壳1继续向北滑移6m。拉索2的安装和初张拉方法具体为：利用放索盘展开拉索2，然后用卷扬机将拉索2从一侧牵引至另一侧铺放在放索平台，将拉索2与张拉工装的锚固耳板62连接，最后将拉索2的标记点与第一钢拉杆3的位置对齐，将第一钢拉杆3的底部与拉索2之间通过索夹7连接。拉索2安装完成后根据S2中给出的拉索张拉力进行初张拉，利用张拉工装精确调整拉索的索长，保证跨向水平位移为零。

S33、如图11所示，安装北二的拉索2并进行初张拉，然后将北一和北二的拱壳1向北滑移6m，安装南二的拱壳1。

S34、如图12所示，安装南一的拉索2并进行初张拉，然后将南一和南二的拱壳1向南滑移6m，安装北三的拱壳1。

S35、如图13所示，安装北三的拉索2并进行初张拉，然后将北一、北二和北三的拱壳1向北滑移6m，安装南三的拱壳1，安装南二的拉索2并进行初张拉。

S36、如图14所示，安装北四的拱壳1，将北一、北二、北三和北四的拱壳1向北滑移1.5m，将南一、南二和南三的拱壳1向南滑移6m。

S37、如图15所示，安装北四的拉索2并进行初张拉，将北一、北二、北三和北四的拱壳1向北滑移4.5m，将南一、南二和南三的拱壳1向南滑移1m。

S38、如图16所示，安装南三的拉索2并进行初张拉，将南一、南二和南三的拱壳1向南滑移4.5m，安装南四的拱壳1。

S39、如图17所示，安装南四的拉索2并进行初张拉，将南一、南二、南三和南四的拱壳1分两次向南滑移，第一次滑移5m，第二次继续滑移5m，完成两个滑移区域的施工。

以上的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。