上海世博會(huì)意大利館采光頂索桁架加固設(shè)計(jì)與施工

李志強(qiáng) 劉小蔚 羅曉群

1. 上海通正鋁結(jié)構(gòu)建設(shè)科技有限公司 上海 201106；2. 上海建科鋁合金結(jié)構(gòu)建筑研究院 上海 201199；3. 上海同磊土木工程技術(shù)有限公司 上海 200433

1 項(xiàng)目概況

上海世博會(huì)意大利館位于浦東新區(qū)世博園C片區(qū)（圖1），是世博會(huì)后保留下來(lái)的4個(gè)歐洲國(guó)家場(chǎng)館之一[1]。該場(chǎng)館占地面積3 600 m2，總建筑面積7 800 m2，呈四方形，建筑高度為18 m。世博會(huì)意大利館主體采用框架結(jié)構(gòu)，運(yùn)營(yíng)10年后改造為永久場(chǎng)館，其屋頂索桁架采光頂（圖2）由于設(shè)計(jì)年限的變更及使用環(huán)境的變化需要進(jìn)行加固。

圖1 意大利館實(shí)景

圖2 屋頂索桁架采光頂

上海世博會(huì)意大利館共有入口、中庭2個(gè)索桁架采光頂，2個(gè)采光頂結(jié)構(gòu)布置類似、桿件截面相同、平面尺寸接近。本文以中庭索桁架采光頂為例，闡述其檢測(cè)、加固過(guò)程。世博會(huì)意大利館中庭索桁架采光頂軸測(cè)圖及結(jié)構(gòu)布置見(jiàn)圖3，最大跨度為22 m。該采光頂采用玻璃屋面，支撐玻璃的龍骨焊接在索桁架受壓撐桿上。其中：屋頂龍骨、索桁架受壓撐桿截面分別為φ194 mm× 12 mm、φ60 mm×8 mm，材質(zhì)均為Q235B；拉索截面均為φ30 mm，材質(zhì)均為不銹鋼。

圖3 中庭采光頂軸測(cè)圖及結(jié)構(gòu)布置示意

上海世博會(huì)意大利館中庭采光頂索桁架共有9榀，編號(hào)為CA1～CA9。索桁架共有承重索、穩(wěn)定索、連系索這3種拉索，立面圖中下凹的拉索為承重索，上凸的即為穩(wěn)定索，將各榀索桁架在受壓撐桿下節(jié)點(diǎn)處連系起來(lái)的為連系索。CA1～CA9的9根承重索依次編號(hào)為1～9，穩(wěn)定索則依次編號(hào)為10～18，連系索LXS1、LSX2分別編號(hào)為第19、20號(hào)拉索。其中CA8索桁架穩(wěn)定索在一端分叉成兩支，以便于錨固在土建結(jié)構(gòu)上。

2 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)與處理措施

考慮到意大利館是按臨時(shí)建筑設(shè)計(jì)的，設(shè)計(jì)使用年限及指標(biāo)均較低，且該索桁架結(jié)構(gòu)已經(jīng)使用了十年，構(gòu)件、節(jié)點(diǎn)已經(jīng)出現(xiàn)一些破損和銹蝕，故需對(duì)索桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)與評(píng)估，給出處理措施，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全性復(fù)核。

2.1 節(jié)點(diǎn)與焊縫

根據(jù)相關(guān)規(guī)范的規(guī)定[2-3]，對(duì)采光頂結(jié)構(gòu)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)主要存在兩類問(wèn)題：一是端部拉索錨固節(jié)點(diǎn)的焊接節(jié)點(diǎn)銹蝕與焊接缺陷，二是索夾節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)松動(dòng)。

對(duì)于拉索錨固節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)的銹蝕與焊接缺陷，首先需要釋放內(nèi)力、刨除焊縫，再打磨清根，重新焊接并涂漆。對(duì)于松動(dòng)的索夾，需要釋放拉索、更換索夾并重新鎖緊。

2.2 拉索內(nèi)力檢測(cè)

根據(jù)相關(guān)規(guī)范的規(guī)定需對(duì)拉索內(nèi)力進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)[4]，為避免拆卸，采用繩索張力測(cè)試儀（弓矢計(jì)）進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試原理及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景分別見(jiàn)圖4、圖5。通過(guò)式（1）可得到拉索拉力F，其中T、α分別為弓矢計(jì)推力、弓矢計(jì)兩側(cè)的拉索夾角。中庭索桁架采光頂分別有承重索9根、穩(wěn)定索9根、連系索2根，每一根拉索兩端均進(jìn)行測(cè)試，索力測(cè)試時(shí)屋面玻璃尚未拆卸，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖4 拉索拉力測(cè)試原理

圖5 拉索拉力測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景

圖6 拉索內(nèi)力測(cè)試結(jié)果

將承重索、穩(wěn)定索與軸線A較遠(yuǎn)而與軸線B較近的一端定義為右端，另一端則為左端。將連系索與軸線1較近的一端定義為左端，另一端則為右端。上海世博會(huì)意大利館中庭索桁架并非嚴(yán)格對(duì)稱，拉索左、右兩端在考慮玻璃質(zhì)量的荷載態(tài)時(shí)內(nèi)力設(shè)計(jì)值Ni、Nj并不相等。承重索、穩(wěn)定索、連系索左端的荷載態(tài)內(nèi)力設(shè)計(jì)值最大分別為155.1、11.4、68.3 kN，右端的荷載態(tài)內(nèi)力設(shè)計(jì)值最大分別為169.4、7.8、47.6 kN。其中，承重索左、右兩端內(nèi)力設(shè)計(jì)值最大相差－18.6 kN，穩(wěn)定索左、右兩端內(nèi)力設(shè)計(jì)值最大相差3.6 kN，連系索左、右兩端內(nèi)力設(shè)計(jì)值最大相差20.7 kN。

由圖6可知：除9號(hào)拉索左、右兩端實(shí)測(cè)內(nèi)力與設(shè)計(jì)值的偏差分別為34.8、32.8 kN外，其他承重索左、右兩端內(nèi)力實(shí)測(cè)值均低于設(shè)計(jì)值，最大偏差分別為－56、－61 kN；穩(wěn)定索左、右兩端內(nèi)力實(shí)測(cè)值均高于設(shè)計(jì)值，最大偏差分別為57.9、58.0 kN；2根連系索內(nèi)力實(shí)測(cè)值均低于設(shè)計(jì)值，最大偏差分別為－25.0、－25.2 kN。綜上所述，拉索左、右兩端實(shí)測(cè)內(nèi)力Fi、Fj與荷載態(tài)設(shè)計(jì)值Ni、Nj有較大偏差，尤其是大多數(shù)承重索實(shí)測(cè)內(nèi)力低于設(shè)計(jì)值，需要進(jìn)行補(bǔ)充張拉，以使得拉索內(nèi)力達(dá)到設(shè)計(jì)值。

2.3 結(jié)構(gòu)復(fù)核

需要根據(jù)實(shí)測(cè)出的拉索內(nèi)力進(jìn)行結(jié)構(gòu)復(fù)核，以評(píng)估既有結(jié)構(gòu)的安全性。計(jì)算時(shí)不銹鋼拉索彈性模量取130 GPa，考慮恒、活荷載分別為1 kN/m2和0.5 kN/m2，基本風(fēng)壓為0.55 kN/m2，地面粗糙度為B類，風(fēng)振系數(shù)取1.8，體型系數(shù)取－1.0，風(fēng)壓高度變化系數(shù)取1.21，溫度變化為±30 ℃。恒＋活工況下屋蓋最大豎向變形為70.92 mm，約為跨度的1/316，滿足規(guī)范要求[5]。不銹鋼拉索的設(shè)計(jì)應(yīng)力比最大為0.549。由于受壓撐桿與屋面鋼梁采用焊接連接，撐桿頂端承受較大的彎矩，導(dǎo)致與屋面鋼梁相連的一段受壓撐桿應(yīng)力比超限，最大為2.3，需要進(jìn)行加固處理。可在應(yīng)力比超限的一段撐桿外部套一根φ89 mm×6 mm的鋼管，以增大抗彎能力，構(gòu)造見(jiàn)圖7。

圖7 受壓撐桿加固處理措施

3 拉索補(bǔ)充張拉

3.1 工序與要求

一般索結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力工程包括索的安裝和索的張拉2個(gè)工序，本工程是加固改造工程，沒(méi)有索體安裝工序，但張拉前需要對(duì)索構(gòu)件進(jìn)行檢查，對(duì)破壞的構(gòu)件需要更換，對(duì)松弛的節(jié)點(diǎn)需要重新安裝到位。檢查和加固完成后，分13步完成施工。第1步拆除屋面玻璃并將各榀索桁架拉索右端內(nèi)力調(diào)整至10 kN左右（連系索右端內(nèi)力調(diào)整至5 kN），第2～10步按照CA1～CA9的順序依次張拉承重索和穩(wěn)定索右端至100%張拉控制力（考慮5%超張拉），第11、12步依次將LXS1、LSX2右端分別張拉至100%張拉控制力，第13步重新安裝屋面玻璃。其中，第12步完成后就意味著索桁架拉索張拉完畢，拉索內(nèi)力達(dá)到初始態(tài)設(shè)計(jì)值。

考慮到預(yù)張力較小，本工程采用專用扭矩扳手進(jìn)行擰緊實(shí)現(xiàn)拉索張拉，扭矩扳手和作為操作平臺(tái)的蜘蛛車掛籃見(jiàn)圖8。張拉前需要對(duì)扭矩扳手進(jìn)行標(biāo)定，由標(biāo)定參數(shù)換算對(duì)應(yīng)的拉力值，并制作拉力-扭矩?cái)?shù)據(jù)表，以方便現(xiàn)場(chǎng)操作和查驗(yàn)。

圖8 扭矩扳手和張拉操作平臺(tái)

3.2 施工張拉模擬

施工張拉模擬計(jì)算是預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)施工前需要進(jìn)行的極其重要的工作，可通過(guò)尋找每一時(shí)刻的預(yù)應(yīng)力分布得到結(jié)構(gòu)的構(gòu)形，進(jìn)而模擬出結(jié)構(gòu)的施工成形[6]，用以指導(dǎo)施工、確保安全。對(duì)拉索的施工張拉進(jìn)行有限元模擬時(shí)需要考慮幾何大變形的影響，考察索桁架在每一個(gè)施工步的變形和內(nèi)力，以驗(yàn)證張拉方案的可行性，并得到每一個(gè)施工步的拉索張拉控制力，確保張拉完畢后拉索內(nèi)力達(dá)到初始態(tài)設(shè)計(jì)值。

基于施工模擬計(jì)算的結(jié)果，可得到承重索、穩(wěn)定索、連系索在每一個(gè)施工步的索力變化。

由施工模擬計(jì)算數(shù)據(jù)可知：各榀索桁架的張拉是相互影響的，對(duì)于已經(jīng)張拉完畢的拉索，隨著后續(xù)拉索的張拉其索力仍會(huì)改變，但這個(gè)影響隨著各榀索桁架之間距離的增大而減小，比如第CA2、CA3榀索桁架的張拉對(duì)第CA1榀索桁架的索力有影響，但后續(xù)各榀索桁架的張拉對(duì)第CA1榀索桁架的索力基本無(wú)影響了。對(duì)于承重索而言，每一施工步的張拉控制力均高于初始態(tài)設(shè)計(jì)值，隨著張拉的進(jìn)行，后張拉拉索的張拉控制力逐漸與初始態(tài)設(shè)計(jì)值接近。穩(wěn)定索每一施工步的張拉控制力則均低于初始態(tài)設(shè)計(jì)值，隨著張拉的進(jìn)行，后張拉拉索的張拉控制力逐漸與初始態(tài)設(shè)計(jì)值接近；連系索的張拉控制力則與初始態(tài)設(shè)計(jì)值大致相當(dāng)。

各榀索桁架屋面位置跨中節(jié)點(diǎn)在每一個(gè)施工步的豎向變形見(jiàn)表1，其中帶下劃線的斜體數(shù)字代表該榀索桁架被張拉時(shí)的豎向變形。由表1中的數(shù)據(jù)可知，各榀索桁架的張拉是相互影響的：某榀索桁架的張拉會(huì)減小仍未張拉的各榀索桁架的變形；對(duì)于已經(jīng)張拉完畢的某榀索桁架，隨著其他各榀索桁架的張拉，其變形仍會(huì)改變，但這個(gè)影響隨著各榀索桁架之間距離的增大而減小，比如第CA2、CA3榀索桁架的張拉對(duì)第CA1榀索桁架的變形有影響，但后續(xù)各榀索桁架的張拉對(duì)第CA1榀索桁架的變形就基本無(wú)影響了。

表1 各榀索桁架跨中節(jié)點(diǎn)施工過(guò)程中的豎向變形單位：mm

3.3 張拉監(jiān)測(cè)

施工張拉完畢后對(duì)拉索內(nèi)力與采光頂變形進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明張拉是可靠、有效的，張拉完畢后采光頂屋面的標(biāo)高與設(shè)計(jì)值的最大偏差在2 mm以內(nèi)。以每根拉索右端為例，張拉完畢后（第12步）拉索內(nèi)力實(shí)測(cè)值Fj與初始態(tài)設(shè)計(jì)值Nj最大偏差為3.6 kN（3.91%），滿足要求，見(jiàn)圖9。

圖9 張拉完畢后拉索內(nèi)力實(shí)測(cè)值與初始態(tài)設(shè)計(jì)值的對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)上海世博會(huì)意大利館采光頂索桁架進(jìn)行了加固設(shè)計(jì)與施工，為類似工程積累了經(jīng)驗(yàn)，并得到以下結(jié)論：

1）索桁架加固前需對(duì)所有拉索的內(nèi)力進(jìn)行檢測(cè)，并采用測(cè)得的真實(shí)內(nèi)力進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全性復(fù)核。

2）本項(xiàng)目實(shí)測(cè)拉索內(nèi)力與設(shè)計(jì)值有一定偏差，需對(duì)拉索進(jìn)行重新張拉，張拉前尚需對(duì)關(guān)鍵焊縫、節(jié)點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)與加固。

3）經(jīng)施工張拉模擬計(jì)算，所采用的索桁架補(bǔ)充張拉方案可使拉索內(nèi)力達(dá)到設(shè)計(jì)值，張拉后的監(jiān)測(cè)結(jié)果表明拉索內(nèi)力、變形滿足要求。