施工空间受限的双斜拱承双曲抛物面索网结构施工方法与流程

本发明涉及预应力结构空间施工技术领域，特别是涉及一种施工空间受限的双斜拱承双曲抛物面索网结构施工方法。

背景技术：

索网结构是20世纪中叶开始发展起来的一种新型结构，是一种空间受力全柔性预应力结构，是以索和钢构件为主要承重结构传递外界荷载的。索网结构的出现对结构形式发展有很多的推动作用，它可以充分发挥材料的强度，具有很高的结构效率，尤其适合大跨度空间结构。

索网结构一般外形为马鞍形正交索网，承重索在下，抗风索在上，上下以索夹连接，这样既能承担竖向重力荷载又能抵抗风吸力。索网结构的边缘构件形式多样，可以是刚性构件，也可以是柔性构件。刚性构件可以是空间曲梁、空间框架或者空间拱，这些构件与索网结构形成自平衡系统。如果这些自平衡系统设计得非常合理，那么绝大多数水平力可以互相抵消。

柔性索网结构跨度大，拉索数量比较多，而且成形后拉索索力比较大。在施工过程中，结构从组装到成形，刚度是从无到有，而且结构几何非线性极强，实际施工中对结构形状控制非常有难度，这就造成了施工难度特别大。

目前的索网结构采用的施工方法，一种是高空拼装法，将承重索和抗风索分别提升张拉，在空中完成连接安装，一般会采用满堂支架法，需要搭设大量的高支架，占用空间较大，不利于交叉施工的进行，会严重影响施工周期。一种是整体牵引提升法，施工思路为地面组装、同步提升、整体张拉成形，该方法的优点是减少了高空作业，节约了施工工期和施工成本，缺点则是地面组装时要求场地空间空旷、平坦，在整个索网组装范围内不能有突出地面或高起的障碍，对施工场地要求较高，会占用较大的施工空间。

对于一些舞台、露天音乐广场类的施工项目，场地内通长有看台区和舞台区两部分，地面标高不同，在屋顶索网结构施工时，将索网向地面进行投影，大部分索体在场地内，有少部分索体会投影到看台上的局部区域。在这种空间受限的情况下，索体在铺放过程中，势必会与看台接触，尤其是在看台较高的情况下，索网就无法在地面进行整体组装和同步提升，传统的整体牵引提升法就不再适用了。

技术实现要素：

本发明提供适用于一类施工空间受限的双斜拱承双曲抛物面索网结构施工方法。根据结构空间受限的特点，采用了一种地面组装与高空组装相结合的施工方法，突破了空间限制，施工简便高效。

解决的技术问题是：一般的整体牵引提升法不适用于地面空间受限的情况，而高空拼装方式现场工作量大，施工效率低，占地空间大，不利于交叉施工的进行，严重影响施工周期。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

本发明施工空间受限的双斜拱承双曲抛物面索网结构施工方法，所述索网结构包括下层的承重索、上层的抗风索和索网四周的边缘构件，承重索与抗风索通过索夹连接固定；所述索网结构下方的施工场地一侧有障碍物，为空间受限的a侧，相对一侧为空间不受限的b侧，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一、前期设计准备：根据施工设计需求，建立整体结构模型，考虑双方向拉索在预应力作用下，分别确定承重索和抗风索的下料长度，并标记索夹位置；

步骤二、设置支撑胎架，在支撑胎架上拼装拱梁；

步骤三、在施工场地内铺设放索通道；

步骤四、将承重索和抗风索运送至施工现场，在施工场地地面上铺放索网，通过索夹连接空间不受限的b侧的承重索和抗风索，在空间受限的a侧承重索向两侧甩开铺放，暂时先不做连接；

步骤五、调节承重索端部的丝扣，在承重索两端对应位置安装提升工装和提升钢绞线；

步骤六、在b侧单面提升承重索，a侧辅助提升，待提升过程中索网整体偏心至能够突破受限空间时，a侧也开始进行提升，承重索由一侧提升为主转为两侧同时提升；

步骤七、在a侧的承重索提升的过程中，在空中组装剩余索网结构，通过索夹将抗风索与承重索连接；

步骤八、整片承重索提升到位后，将承重索两端的索头分别与拱梁上的连接耳板销接固定，下层承重索就位，然后拆除拱梁两侧下方、连接承重索后压力增大的支撑胎架，同时将其余支撑胎架顶部与拱梁之间的焊缝打开；

步骤九、拆除承重索两端的提升工装和提升钢绞线，将其安装在抗风索两端对应位置，然后整体同步提升抗风索；

步骤十、抗风索就位，然后整体同步张拉抗风索，将抗风索两端的索头与拱梁上的连接耳板固定。

本发明施工空间受限的双斜拱承双曲抛物面索网结构施工方法，进一步的，所述索网结构呈马鞍形，所述边缘构件为拱梁，承重索与抗风索两端的索头丝扣分别与拱梁上的连接耳板销接。

本发明施工空间受限的双斜拱承双曲抛物面索网结构施工方法，进一步的，步骤四中展索的顺序为先承重索后抗风索，具体操作步骤如下：

步骤4.1、拉索采用卷盘运输至现场，通过汽车吊将拉索按照编号摆放在外围塔吊工作范围内；

步骤4.2、根据拉索的三维空间坐标放样对称轴一半的承重索和抗风索索头投影位置；

步骤4.3、用吊车或塔吊按照拉索的位置编号将拉索吊至放索平台上；

步骤4.4、利用吊车及放索盘在承重索轴线方向将承重索铺放在地面上，并在承重索上安装索夹；

步骤4.5、利用吊车及放索盘在抗风索轴线方向将抗风索铺放在地面上，并将其与索夹固定。

本发明施工空间受限的双斜拱承双曲抛物面索网结构施工方法，进一步的，步骤五中空间不受限一侧的提升钢绞线长度为连接耳板与施工地面的垂直距离，空间受限一侧的提升钢绞线的长度为连接耳板与障碍物边沿的最大距离和该障碍物边沿与地面拉索索头之间的距离之和。

本发明施工空间受限的双斜拱承双曲抛物面索网结构施工方法，进一步的，步骤六中，在a侧承重索进行辅助提升的过程中，自索头开始索段逐段向上提升越过障碍物，待a侧承重索的索段完全越过障碍物后，承重索由a侧辅助提升变为两侧同步提升。

本发明施工空间受限的双斜拱承双曲抛物面索网结构施工方法，进一步的，步骤六中提升过程中同步分级缓慢进行，并且对提升索力及位形进行监测，通过控制a、b两侧的提升速度和提升高度来调整索网的空间位形及索网与障碍物之间的距离，a侧索头高度提升至障碍物边缘以上至少0.5m后，承重索转为两侧同时提升（a侧索头高度提升至障碍物边缘以上至少0.5m，是保证a侧索体能越过障碍物，两侧提升开始是完全越过障碍物且索夹安装完成后进行），前后相关内容与此相同。

本发明施工空间受限的双斜拱承双曲抛物面索网结构施工方法，进一步的，步骤七中在a侧承重索提升过程中，当a侧索头向上越过障碍物时，随着a侧承重索的辅助提升，在a侧承重索索段逐段越过障碍物的同时进行索夹安装，待a侧承重索的索段完全越过障碍物时，索夹的安装同步完成，然后承重索由a侧辅助提升变为两侧同步提升。

本发明施工空间受限的双斜拱承双曲抛物面索网结构施工方法，进一步的，步骤八中需要拆除的支撑胎架为在张拉抗风索后，支撑力或压力没有完全卸载和脱离的支撑胎架，均在张拉抗风索之前进行人工卸载拆除。

本发明施工空间受限的双斜拱承双曲抛物面索网结构施工方法，进一步的，步骤八中在提升张拉阶段，具体包括以下步骤：

步骤8.1、分批对称牵引承重索的工装索，使各牵引索逐渐向拱梁靠近；

步骤8.2、牵引过程中应以控制索网整体位形为主，以控制工装索的牵引长度和牵引力为辅；

步骤8.3、承重索提升到位后，将承重索两端的索头分别与拱梁上的连接耳板销接固定。

本发明施工空间受限的双斜拱承双曲抛物面索网结构施工方法，进一步的，步骤十中，具体的根据施工仿真计算的结果，确定每个轴线抗风索的张拉力，整体同步张拉抗风索，调节两端索头的长度，以销轴将索头与连接耳板连接，当抗风索张拉到设计值时，拱梁与中部支撑胎架顶端自动脱离，然后拆除全部支撑胎架，根据索网结构的受力监测结果，对屋面拉索的索力进行微调。

本发明施工空间受限的双斜拱承双曲抛物面索网结构施工方法与现有技术相比，具有如下有益效果：

本发明在场地空间受限的情况下，对常规的索网结构拉索采用“地面组装与高空组装相结合、单侧辅助提升与两侧同步提升向结合、承重索与抗风索分别张拉成形（承重索先牵引就位，抗风索再张拉成形）”的施工方法，解决了场地受限情况下索网无法在地面全部组装完成的难题。

本发明将大部分索网构件在地面完成组装，少部分受场地空间限制的索网构件留待索网提升过程中在空中组装完成，大大减少了空中作业量，减少了高空组装拉索所需的操作平台的搭设工作量，避免了安全隐患，提高了施工效率。

本发明采用单面偏心提升承重索，空间受限一侧辅助提升，待索网整体越过受限空间后，再恢复双面同步提升，解决了局部突出障碍物阻挡索网提升的难题，避免了索网构件的表面磨损。本发明采用承重索直接提升安装就位，然后张拉抗风索的索网成形方法，减少了拉索张拉数量，便于控制索网张拉成形效果。

下面结合附图对本发明的施工空间受限的双斜拱承双曲抛物面索网结构施工方法作进一步说明。

附图说明

图1为本发明施工空间受限的双斜拱承双曲抛物面索网结构施工方法的结构示意图；

图2为索网结构的俯视图；

图3为索夹连接节点处的结构示意图；

图4为支撑胎架的排布情况示意图；

图5为步骤五所示安装结构；

图6为步骤六中b侧单面提升承重索，a侧辅助提升的施工过程示意图；

图7为步骤六中突破受限空间后双侧同步提升的施工过程示意图；

图8为步骤八中，承重索就位的施工过程示意图。

附图标记：

1-承重索；2-抗风索；3-拱梁；4-索夹；5-障碍物；6-支撑胎架；7-提升钢绞线。

具体实施方式

如图1至图3所示，本发明施工空间受限的双斜拱承双曲抛物面的索网结构呈马鞍形，包括下层的承重索1、上层的抗风索2和索网四周的边缘构件，承重索1与抗风索2通过索夹4连接固定；边缘构件为拱梁3，拱梁3为落地式双斜拱梁3，承重索1与抗风索2两端的索头丝扣分别与拱梁3上的连接耳板销接，索网结构下方的施工场地一侧有障碍物5，为空间受限a侧，相对一侧为空间不受限b侧。

本实施例以某露天音乐广场上的舞台屋盖为例进行说明，两道拱梁3南北向最大跨度180m，东西向最大跨度90m，东西两侧钢拱梁3顶点标高均为45m，其中东西向设置的拉索为承重索1，采用直径48mm的高钒索，承重索1数量为33根；南北向拉索为抗风索2，采用直径48mm的高钒索，抗风索2数量为21根。承重索1最大跨度约90m，抗风索2最大跨度134m。

本发明施工空间受限的双斜拱承双曲抛物面的索网结构的施工方法，具体包括以下步骤：

步骤一、前期设计准备：根据施工设计需求，建立整体结构模型，考虑双方向拉索在预应力作用下，分别确定承重索1和抗风索2的下料长度。

根据设计给定的预应力值进行施工全过程仿真计算分析，最终确定拉索的下料标记力，在工厂下料时，承重索1和抗风索2应在应力作用下进行下料，并在索体上标记出索夹4的位置；在施工过程中进行严格控制，保证索夹4安装过程中按照标记位置安装索夹4，同时根据实际情况进行局部调整。

通过施工过程仿真分析计算确定出每根拉索的张拉力，提升过程控制进行施工仿真计算分析，以确保施工过程各阶段结构安全可靠。具体的可通过有限元分析软件对结构进行每个施工步骤的仿真计算分析，从而验证施工过程的合理性和可行性，为整个拉索提升过程提供理论依据，并得出如下计算结果：

①验证提升施工方案的可行性，确保结构牵引提升成形过程的安全；

②给出每个提升步骤拉索索力的大小，为实际提升时张拉工装的设计以及千斤顶的配置提供理论依据；

③给出每张拉步结构的变形及拱梁3结构应力，为张拉过程中的变形监测及应力监测提供理论依据。

步骤二、设置支撑胎架6，在支撑胎架6上拼装拱梁3，支撑胎架6的排布情况如图4所示；

步骤三、在施工场地内铺设放索通道；

在舞台区和看台区分别铺设放索通道，由于看台呈连续阶梯状，高度呈梯度变化，舞台屋盖投影在看台上方的部分拉索需要铺放在看台上，因此在施工前，为防止拉索提升过程中对看台造成破坏，在拉索通过混凝土高低看台交界处及体育场看台内侧边缘处采用木板搭设通道，以减轻提升过程中对索体的摩擦，防止拉索磨损或者表面沾上泥土，也避免索体对看台的损坏。

步骤四、将承重索1和抗风索2运送至施工现场，在施工场地地面上铺放索网，通过索夹4连接空间不受限的b侧的承重索1和抗风索2，在空间受限的a侧承重索1向两侧甩开铺放，暂时先不做连接。

根据屋盖索网的特点，整个屋盖在地面投影成枣核形，短轴方向为承重索1，长轴方向为抗风索2，承重索1在抗风索2的下方。因此，展索的顺序为先承重索1后抗风索2，具体操作步骤如下：

步骤4.1、拉索采用卷盘运输至现场，通过汽车吊将拉索按照编号摆放在外围塔吊工作范围内；

步骤4.2、根据拉索的三维空间坐标放样对称轴一半的承重索1和抗风索2索头投影位置；

步骤4.3、用吊车或塔吊按照拉索的位置编号将拉索吊至放索平台上；

步骤4.4、利用吊车及放索盘在承重索1轴线方向将承重索1铺放在地面上，并在承重索1上安装索夹4，与承重索1的铺放形成流水施工，提高施工效率，节省工期；

步骤4.5、利用吊车及放索盘在抗风索2轴线方向将抗风索2铺放在地面上，并将其与索夹4固定，合理安排施工队伍，有序施工，争取在索网铺放完成后，索夹4安装基本完成。

在放索过程中，拉索开盘时会产生加速，导致弹开散盘，易危及工人安全，因此在放索过程中，将索盘局部采用吊装带捆住，边放索边松开，边捆边放，缓慢匀速牵引，防止索盘弹开伤人。拉索展开后，应按照索体表面的顺直标线采用导链将拉索理顺，防止索体扭转跳丝。柔性索的柔度相对较好，在组装、提升牵引和张拉的各道工序中，均注意避免碰伤、刮伤索体。

步骤五、调节承重索1端部的丝扣，在承重索1两端对应位置安装提升工装和提升钢绞线7，如图5所示。

在拱梁3安装后实测安装误差，在拉索制作后实测索长误差，然后根据两者误差值来调整拉索张拉端丝杆的外露长度，这个操作在地面完成即可。

提升钢绞线7一端通过可转动插耳与拱梁3上的连接耳板连接，另一端穿过提升工装，提升工装可使用申请号2014100659413，名为一种自爬升式施工装置进行自爬升式施工的方法的发明专利中的自爬升式施工装置。

提升钢绞线7的长度需经过放样确定，空间不受限一侧的提升钢绞线7长度为连接耳板与施工地面的垂直距离，空间受限一侧的提升钢绞线7的长度为连接耳板与障碍物5边沿的最大距离和该障碍物5边沿与地面拉索索头之间的距离之和。

步骤六、如图6所示，在b侧单面提升承重索1，a侧辅助提升，待提升过程中索网整体偏心至能够突破受限空间时，如图7所示，a侧也开始进行提升，承重索1由一侧提升为主转为两侧同时提升。

在a侧承重索1提升过程中，自索头开始索段逐段向上提升越过障碍物5，待a侧承重索1的索段完全越过障碍物5后，承重索1由a侧辅助提升变为两侧同步提升。

提升过程中应同步分级缓慢进行，并且对提升索力及位形进行监测，提升过程中，通过控制a、b两侧提升快慢和提升高度来调整索网的空间位形及索网与障碍物5之间的距离；用全站仪对索网位形进行监测，监测点位在施工监测方案中预先给出；根据全站仪的实时监测结果和技术人员对索网和障碍物5位置关系的预判来下达调整指令，调整a、b两侧提升装置提升速度的快慢和提升高度；经过三维放样，a侧索头高度至少提升至障碍物5边缘以上0.5米时，才能保证a侧索网能顺利突破受限空间，并且避免与障碍物5边缘发生碰撞。

步骤七、在a侧的承重索1提升的过程中，在空中组装剩余索网结构，通过索夹4将抗风索2与承重索1连接；

在a侧承重索1提升过程中，当a侧索头向上越过障碍物5时，随着a侧承重索1的辅助提升，在a侧承重索1索段逐段越过障碍物5的同时进行索夹4安装，待a侧承重索1的索段完全越过障碍物5时，索夹4的安装也同步完成，然后承重索1由a侧辅助提升变为两侧同步提升；其中索夹4的安装，使用高空举臂车在半空中，将承重索1上的剩余索夹4与抗风索2连接固定。

步骤八、整片承重索1提升到位后，将承重索1两端的索头分别与拱梁3上的连接耳板销接固定，如图8所示，下层承重索1就位，然后拆除拱梁3两侧下方、连接承重索1后压力增大的支撑胎架6，同时将其余支撑胎架6顶部与拱梁3之间的焊缝打开。

落地式双斜拱承双曲抛物面索网结构在索网张拉成形之前是靠支撑胎架6来支撑的，在索网张拉完成之后整个索网结构荷载依靠两侧拱脚的重力式抗推基础承担。

按照流程，先提升安装承重索1，再张拉抗风索2使索网结构张拉成形，通过施工仿真可知，张拉抗风索2的过程中，靠近拱中心较高的支撑胎架6是逐渐卸载和脱离的，而靠近两侧拱脚较矮的支撑胎架6的支撑力是增大的。所以，在承重索1安装就位后，张拉抗风索2之前，需要拆除压力增大的支撑胎架6，具体拆除的位置和数量由施工仿真分析确定。

拆除支撑胎架6的位置的确定标准为，在张拉抗风索2后，支撑胎架6的支撑力或压力没有完全卸载和脱离的，均属于需要在张拉抗风索2之前进行人工卸载拆除。

在这个提升张拉阶段，具体的操作过程如下：

8.1、分批对称牵引承重索1的工装索，使各牵引索逐渐向拱梁3靠近；

8.2、牵引过程中应以控制索网整体位形为主，以控制工装索的牵引长度和牵引力为辅；

牵引过程中索网整体位形的控制标准为：整体位形与理论分析相符，几何稳定，拉索不出现扭转；牵引过程中工装索牵引长度的控制标准为：与理论计值的偏差小于±50mm；牵引过程中牵引力的控制标准为：与理论计算索力值偏差小于±30%；主受力的牵引工装索的承载力应具有两倍的安全系数；

8.3、承重索1提升到位后，将承重索1两端的索头分别与拱梁3上的连接耳板销接固定。

步骤九、拆除承重索1两端的提升工装和提升钢绞线7，将其安装在抗风索2两端对应位置，然后整体同步提升抗风索2。

由于抗风索2在地面即已经通过索夹4与承重索1连接，在承重索1提升就位时，抗风索2的索头已经全部提到空中，由于有索夹4连接，抗风索2的距离连接耳板的位置很近，采用导链和节点部位操作平台将提升工装与提升的抗风索2索头进行组装，组装完成后，即可进行提升，提升过程中应同步分级缓慢进行，同时对提升索力及位形进行监测，一次性提升至拱梁3的连接耳板处，即可张拉固定。

步骤十、抗风索2就位，然后整体同步张拉抗风索2，将抗风索2两端的索头与拱梁3上的连接耳板固定。

根据施工仿真计算的结果，确定每个轴线抗风索2的张拉力，整体同步张拉抗风索2，调节两端索头的长度，以销轴将索头与连接耳板连接，当抗风索2张拉到设计值时，拱梁3与中部支撑胎架6顶端自动脱离，然后拆除全部支撑胎架6，根据索网结构的受力监测结果，对屋面拉索的索力进行微调。

以上所述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作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。