江張宿

（中鐵建設(shè)集團有限公司，北京 100131）

0 工程概況

寧波鐵路南站改建工程位于浙江省寧波市海曙區(qū)，在主站房的東西兩側(cè)各有一個順軌向長147m、垂直軌道向?qū)?84.95m的無站臺柱鋼結(jié)構(gòu)張弦梁雨棚，總建筑面積54375.3m2。張弦梁雨棚結(jié)構(gòu)呈平板狀，三跨連續(xù)拱狀，屋面標高15.00m，由橫向張弦梁、索承系統(tǒng)與鋼管混凝土柱組成，單個張拉單元尺寸為3×8.00m×40.85m（40.80m、37.85m）。其中橫向張弦梁為實腹式矩形鋼管；索承系統(tǒng)為一組1670級ф5鍍鋅鋼絲雙護層扭絞型船型拉索，由主索和分叉索組成、在撐桿下節(jié)點處分開，主索型號為φ5×199，分叉索型號為φ5×109，張弦梁雨棚如圖1和圖2所示。

圖1 單個張拉單元示意圖

圖2 西側(cè)張弦梁雨棚軸測圖

由于本工程屬于既有線改造項目，雨棚施工時需確保既有鐵路線的安全通行，致使部分跨線雨棚結(jié)構(gòu)不能一次成跨，既有線的現(xiàn)狀也無法實施張弦梁的兩端張拉。因此，經(jīng)討論，本工程決定采用單側(cè)張拉法，并通過攻關(guān)解決其中的關(guān)鍵技術(shù)，確保本雨棚工程順利施工。

1 單側(cè)張拉施工方案

張拉前，建立張弦梁結(jié)構(gòu)的有限元模型，模擬張弦梁單側(cè)張拉時的應(yīng)力和變形狀態(tài)，編制單側(cè)張拉方案。根據(jù)有限元分析結(jié)果，深化設(shè)計和加工制作節(jié)點。張拉時，采取相鄰跨單側(cè)分級跳拉法，張拉過程逐漸增大張拉力、實時監(jiān)測，監(jiān)測以變形控制為主、索力控制為輔。張拉后，拆除張弦梁中部的臨時支撐體系，并根據(jù)屋面變形情況，適當調(diào)整索力和變形，確保相鄰張弦梁之間變形的協(xié)調(diào)性和屋面的平順性。

圖3 單側(cè)張拉流程圖

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 單側(cè)分級跳拉方案優(yōu)化

考慮寧波鐵路南站既有線的施工特點和雨棚張拉后變形協(xié)調(diào)性問題，結(jié)合有限元模擬分析結(jié)果，經(jīng)過方案比選，選擇單側(cè)分級跳拉法進行張拉。具體為：采用4套600kN的張拉設(shè)備（含千斤頂、油泵、壓力表）對相鄰的兩榀梁進行單側(cè)跳躍式張拉，每次張拉1根分叉索，張拉力分兩級張拉，第1級張拉至預(yù)張力的70%，第2級張拉至預(yù)張力的100%。張拉單元和張拉走向如圖4和圖5所示。

圖4 單側(cè)張拉單元示意圖

圖5 單側(cè)張拉走向圖

2.2 張弦梁撐桿下節(jié)點深化設(shè)計

2.2.1 撐桿下節(jié)點構(gòu)造設(shè)計

張弦梁撐桿下拉索節(jié)點是張弦梁的重要組成部分，起到連接主索和分叉索、并將張拉分力傳遞至上弦鋼梁的作用，是順利實現(xiàn)單側(cè)張拉目標的關(guān)鍵所在。根據(jù)設(shè)計院要求，本工程張弦梁節(jié)點由安裝單位自行深化設(shè)計。

鑒于張弦梁節(jié)點位于雨棚的最下方，是未來乘客的主視點，必須考慮美觀性因素；此外，考慮到受力最優(yōu)和造價最低的因素，節(jié)點采用鑄鋼節(jié)點、類似人字形浮漂，具體尺寸如圖6和圖7所示。

圖6 撐桿下節(jié)點構(gòu)造圖

圖7 撐桿下節(jié)點軸測圖

2.2.2 撐桿下節(jié)點有限元分析

為了確保設(shè)計的撐桿下節(jié)點滿足受力要求，對設(shè)計的節(jié)點采用ANSYS12.0進行有限元分析。由于各荷載組合包絡(luò)值小于拉索破斷荷載的0.4倍，且考慮節(jié)點安全系數(shù)值為1.25，計算得到主索力為3265kN，分叉索力為1790kN，兩個耳板同時考慮撐桿受力因素，分析結(jié)果如圖8和圖9所示。

圖8 節(jié)點受力計算示意圖

圖9 節(jié)點Von-mises應(yīng)力云圖（單位Pa）

從圖9中可以看出，節(jié)點的最大Von-Mises應(yīng)力為189MPa，遠小于鑄鋼材料的屈服強度。

2.3 單側(cè)張拉法的屋面找形技術(shù)

單側(cè)張拉法更易造成張弦梁結(jié)構(gòu)的豎向不均勻起拱，同時構(gòu)件（含索和節(jié)點）安裝時容易產(chǎn)生索力松弛、張弦梁滑移等現(xiàn)象，導(dǎo)致屋面找形困難。經(jīng)過研究決定：先利用有限元計算設(shè)計起拱高度值，再在張弦梁關(guān)鍵截面上布設(shè)監(jiān)測點進行變形實時監(jiān)測，然后將實測的變形值與設(shè)計的起拱高度值進行對比分析，最后根據(jù)需調(diào)整的張弦梁起拱高度值、利用有限元軟件反算索力，從而確保屋面找形平順。

2.3.1 有限元法計算張弦梁設(shè)計起拱高度

利用Madis軟件建立張弦梁的三維有限元模型，輸入預(yù)設(shè)的張拉力參數(shù)，計算（F-2/G）～（2/1-2/3）的起拱高度最大值如表1所示。

表1 張弦梁起拱高度最大值 單位：mm

圖10 1～6號索張拉至100%的豎向位移圖

2.3.2 屋面變形的實時監(jiān)測

建立張弦梁屋面變形的高程控制網(wǎng)，在每榀張弦梁的跨中截面貼萊卡60×60mm全站儀反射片，每次張拉結(jié)束后及時測量張弦梁起拱高度變化值。

圖11 全站儀反射片布設(shè)現(xiàn)場照片

表2 實測起拱高度最大值 單位：mm

由表1和表2可知，張拉后的起拱高度值普遍偏大，起拱幅度無明顯漸變規(guī)律，可見實際的張拉力偏大，需適當調(diào)整索力值。

2.3.3 索力調(diào)整控制屋面找形

鑒于前期監(jiān)測的起拱值無漸變規(guī)律、難以實現(xiàn)屋面平順效果，因此需根據(jù)既有起拱情況、再利用有限元軟件反算索力、并實施監(jiān)測實際索力值大小。由于本工程拉索為平行鋼絲束，外包黑色HDPEHE和白色PE，無法直接在拉索上布置傳感器來測試索力。因此，采用油壓傳感器直接得到施工階段的索力，現(xiàn)將（F-2/G）～（2/1-2/3）區(qū)域索力調(diào)整后的實測值與設(shè)計值列表對比如下。

表3 索力實測值與設(shè)計值對比表

圖12 索力調(diào)整現(xiàn)場照片

索力調(diào)整后，再次觀測屋面變形得知，屋面起拱變形范圍為±5mm，實現(xiàn)了既定的找形目標。

2.4 單側(cè)張拉法的撐桿偏位控制

單側(cè)張拉法易引起撐桿向一側(cè)傾斜、從而造成索力出現(xiàn)明顯的不對稱性，如果偏差較大，將直接導(dǎo)致張拉失敗。因此，對撐桿對稱性的控制就顯得至關(guān)重要。為了實時監(jiān)測索力的對稱特性，在固定端同榀張弦梁的兩根分叉索上安裝加速度傳感器，通過JM5930動態(tài)信號采集系統(tǒng)直接采集張拉力達到 60%時的受迫振動頻率，（F-2/G）～（2/1-2/2）拉索振動頻率如表4所示。

表4 拉索振動頻率表

從表1中可以看出，同榀張弦梁左右兩索的自振頻率基本接近，說明分叉拉索的索力相同、撐桿的偏位值很小。

3 結(jié)束語

本工程采用單側(cè)分級跳拉法張拉寧波鐵路南站張弦梁雨棚結(jié)構(gòu)，解決了撐桿下節(jié)點設(shè)計、撐桿偏位、屋面找形等關(guān)鍵技術(shù)，經(jīng)過調(diào)整索力最終達到了預(yù)應(yīng)力狀態(tài)、實現(xiàn)了屋面結(jié)構(gòu)精確找形。實踐證明，單側(cè)分級跳拉法能很好地適用既有線無站臺柱大型張弦梁結(jié)構(gòu)的張拉施工。

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