湖北省科技馆新馆长悬臂结构大直径钢拉索张拉施工技术
0 引言
为摆脱建筑设计、结构设计限制，一种新型长悬臂类斜拉桥结构体系应运而生，既保证建筑功能高端化，又满足结构受力合理性。但在结构施工时，需解决长悬臂类斜拉桥钢拉索强度、稳定性不足，施工工况复杂的施工难题，且逐层向上的传统施工方法和传统斜拉桥的施工方法无法实现设计意图。因此，需根据工程特点选择合理的钢拉索张拉方案，保证施工安全性和经济性。另一方面，此类结构施工过程会发生内力重分布，位形也随之改变，需对结构变形和钢拉索应力进行监测，以确保结构施工可靠性，保证结构与原设计相符。
本研究针对湖北省科技馆新馆项目长悬臂类斜拉桥结构体系钢拉索结构施工过程，采用SAP2000进行施工全过程分析，牛顿-拉夫森方程迭代计算，确定合理的张拉施工方案，为工程施工提供可靠依据。
1 工程概况
1.1 项目概况
湖北省科技馆新馆总建筑高度为51.1m，建筑最大平面尺寸为158.4m×150m，地上4层，层高分别为9.5, 17.28, 12.1, 4.5m，最大悬挑长度为45m，悬挑面积为15 000m2。主体采用核心筒-钢桁架-预应力拉索结构，称为长悬臂类斜拉桥结构体系。其中，核心筒是整个结构受力主体，承载力高、抗震性能好，类似于斜拉桥结构中的索塔;预应力拉索设置在悬挑钢桁架中，与悬挑桁架共同承担悬挑部位荷载，并将荷载传至核心筒，类似于斜拉桥结构中的拉索;而钢桁架则类似于斜拉桥结构中的主梁。该结构体系通过拉索布置和索力调整提高结构刚度和控制结构变形，从而改善结构受力性能，而不影响建筑造型和使用功能。
1.2 钢拉索概况
1.2.1 平面布置
本工程分别于 (6) , (14) ，?，○Q轴两悬挑端设置钢拉索，共16根。平面布置如图1所示。
图1 钢拉索平面布置
Fig.1 Plan layout of steel cables
1.2.2 立面布置
拉索上端固定于核心筒屋顶44.300m标高处，下端固定于3层桁架下弦22.650m标高处，并在26.500m及38.500m标高处增设导索管，如图2所示。
图2 钢拉索立面布置
Fig.2 Elevation layout of steel cables
1.2.3 规格
悬挑结构钢拉索规格为LPES7-499，抗拉强度为1 770MPa，破断荷载为33 991kN，全束钢丝总截面面积为19 204mm2。采用一端张拉方式，共16根拉索，索长约为42m，单根索重约10t，钢拉索结构如图3所示。
图3 钢拉索结构
Fig.3 Steel cable structure
2 拉索张拉施工
2.1 张拉顺序
由于拉索张拉力大，每根拉索张拉过程中会对附近拉索造成不同程度的影响，即群索效应。本工程采取一套张拉设备循环张拉，为避免群索效应，进行两级循环张拉。其中，每级张拉力约为最终拉索张拉力的50%，拉索循环张拉顺序如图1所示。
2.2 张拉施工模拟
本工程采用有限元分析软件SAP2000对拉索循环张拉进行模拟，拉索张拉施工工况如下。
1) 除与斜拉索相同位置的跨层桁架斜腹杆，其他主体结构均已安装焊接完成，斜腹杆已安装但预留焊缝暂时不焊 (拉索张拉时不能受力) 。
2) 3层结构支撑胎架未拆除。
3) 幕墙、砌体等其他专业未施工。
拉索张拉施工只需在卸载前进行，其他专业施工完成后无需对拉索进行补张拉，拉索张拉力会随着结构加载逐步达到设计要求，本工程计算以下2种施工工况: (1) 拉索张拉完成，斜腹杆焊接完成，支撑3层结构胎架全部拆除; (2) 幕墙、砌体等其他专业全部施工完成。
根据每组拉索张拉时对其他拉索张拉力影响，可以发现，LS-4第一级张拉时，LS-1的张拉力变化最大，为56kN，说明拉索两级张拉时，群索效应弱。8组拉索最终张拉力的平均值为14 811kN，由于每组拉索包含2根拉索，其破断力为67 980kN，安全系数约4.5，满足设计要求。张拉力差值最大的2组拉索为LS-3和LS-8，为287kN，占拉索张拉力的1.9%，表明两级循环张拉施工能满足设计要求。
2.3 张拉施工工艺
2.3.1 拉索吊装
拉索吊装步骤为:第1步将拉索吊至22.555m标高并在索头安装吊耳及牵引装置;第2步通过卷扬机牵引并利用手拉葫芦调整方向使拉索穿过上端索节点;第3步利用塔式起重机牵引索体超出上端节点使索体完全展开;第4步通过塔式起重机牵引并利用手拉葫芦调整方向使拉索穿过下端索节点;第5步待拉索下端穿过下端节点后，临时锚固拉索上、下端，待后期张拉。
2.3.2 张拉工装设计
本工程拉索下端位于悬挑桁架下部，因此，拉索张拉采用下端固定、上端张拉的方式。根据计算结果确定张拉千斤顶，结合拉索索头锚具形式和相关锚固节点形式，设计张拉工装如图4所示。
图4 张拉工装
Fig.4 The tension tooling
3 健康监测
3.1 监测思路
为保证结构在施工期间的安全，并使拉索张拉的预应力状态与设计要求相符，必须在张拉过程中，结合施工模拟的计算结果，对拉索索力及伸长量进行监测。张拉控制以张拉力为主，位移控制为辅。若张拉力偏差超过6%，应分析原因并及时通知设计单位处理。
3.2 监测实施
对拉索张拉力的监测采用振弦式穿心压力传感器。对伸长量的监测采用钢板尺。拉索LS-1位移监测点布置如图5所示，位移监测采用全站仪。
图5 钢拉索LS-1位移监测点布置
Fig.5 Arrangement of steel cable LS-1displacement monitoring points
3.3 监测结果分析
根据监测结果，以竖向位移最大值为例，监测值与理论值对比如图6所示。
竖向最大位移理论值与检测值偏差较小，表明张拉过程较安全。
拉索分步张拉过程中，拉索拉力监测值与理论值对比如图7所示，偏差均<6%，满足设计要求。
图6 竖向最大位移理论值与检测值对比
Fig.6 Comparison of theoretical and measured values of vertical maximum displacement
图7 拉索张拉力理论值与监测值对比
Fig.7 Comparison of theoretical and monitoring values of cable tension
4 结语
1) 本工程通过拉索两级循环张拉，避免群索效应，并通过有限元软件SAP2000模拟分析，证明两级循环张拉施工能满足设计要求。
2) 拉索在高空需穿过4个导索孔，为保证拉索安装质量，解决高空多孔道拉索安装的施工难题，采用手拉葫芦+塔式起重机辅助的施工技术。
3) 采用有限元软件进行施工全过程模拟分析，避免工程竣工后拉索补张拉，提高拉索张拉效率。
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