上海世博会意大利馆采光顶索桁架加固设计与施工

李志强 刘小蔚 罗晓群

1. 上海通正铝结构建设科技有限公司 上海 201106；2. 上海建科铝合金结构建筑研究院 上海 201199；3. 上海同磊土木工程技术有限公司 上海 200433

1 项目概况

上海世博会意大利馆位于浦东新区世博园C片区（图1），是世博会后保留下来的4个欧洲国家场馆之一[1]。该场馆占地面积3 600 m2，总建筑面积7 800 m2，呈四方形，建筑高度为18 m。世博会意大利馆主体采用框架结构，运营10年后改造为永久场馆，其屋顶索桁架采光顶（图2）由于设计年限的变更及使用环境的变化需要进行加固。

图1 意大利馆实景

图2 屋顶索桁架采光顶

上海世博会意大利馆共有入口、中庭2个索桁架采光顶，2个采光顶结构布置类似、杆件截面相同、平面尺寸接近。本文以中庭索桁架采光顶为例，阐述其检测、加固过程。世博会意大利馆中庭索桁架采光顶轴测图及结构布置见图3，最大跨度为22 m。该采光顶采用玻璃屋面，支撑玻璃的龙骨焊接在索桁架受压撑杆上。其中：屋顶龙骨、索桁架受压撑杆截面分别为φ194 mm× 12 mm、φ60 mm×8 mm，材质均为Q235B；拉索截面均为φ30 mm，材质均为不锈钢。

图3 中庭采光顶轴测图及结构布置示意

上海世博会意大利馆中庭采光顶索桁架共有9榀，编号为CA1～CA9。索桁架共有承重索、稳定索、连系索这3种拉索，立面图中下凹的拉索为承重索，上凸的即为稳定索，将各榀索桁架在受压撑杆下节点处连系起来的为连系索。CA1～CA9的9根承重索依次编号为1～9，稳定索则依次编号为10～18，连系索LXS1、LSX2分别编号为第19、20号拉索。其中CA8索桁架稳定索在一端分叉成两支，以便于锚固在土建结构上。

2 现场检测与处理措施

考虑到意大利馆是按临时建筑设计的，设计使用年限及指标均较低，且该索桁架结构已经使用了十年，构件、节点已经出现一些破损和锈蚀，故需对索桁架结构进行检测与评估，给出处理措施，并进行结构安全性复核。

2.1 节点与焊缝

根据相关规范的规定[2-3]，对采光顶结构关键节点进行了检测，发现主要存在两类问题：一是端部拉索锚固节点的焊接节点锈蚀与焊接缺陷，二是索夹节点出现松动。

对于拉索锚固节点出现的锈蚀与焊接缺陷，首先需要释放内力、刨除焊缝，再打磨清根，重新焊接并涂漆。对于松动的索夹，需要释放拉索、更换索夹并重新锁紧。

2.2 拉索内力检测

根据相关规范的规定需对拉索内力进行现场检测[4]，为避免拆卸，采用绳索张力测试仪（弓矢计）进行测试。测试原理及现场实景分别见图4、图5。通过式（1）可得到拉索拉力F，其中T、α分别为弓矢计推力、弓矢计两侧的拉索夹角。中庭索桁架采光顶分别有承重索9根、稳定索9根、连系索2根，每一根拉索两端均进行测试，索力测试时屋面玻璃尚未拆卸，测试结果见图6。

图4 拉索拉力测试原理

图5 拉索拉力测试现场实景

图6 拉索内力测试结果

将承重索、稳定索与轴线A较远而与轴线B较近的一端定义为右端，另一端则为左端。将连系索与轴线1较近的一端定义为左端，另一端则为右端。上海世博会意大利馆中庭索桁架并非严格对称，拉索左、右两端在考虑玻璃质量的荷载态时内力设计值Ni、Nj并不相等。承重索、稳定索、连系索左端的荷载态内力设计值最大分别为155.1、11.4、68.3 kN，右端的荷载态内力设计值最大分别为169.4、7.8、47.6 kN。其中，承重索左、右两端内力设计值最大相差－18.6 kN，稳定索左、右两端内力设计值最大相差3.6 kN，连系索左、右两端内力设计值最大相差20.7 kN。

由图6可知：除9号拉索左、右两端实测内力与设计值的偏差分别为34.8、32.8 kN外，其他承重索左、右两端内力实测值均低于设计值，最大偏差分别为－56、－61 kN；稳定索左、右两端内力实测值均高于设计值，最大偏差分别为57.9、58.0 kN；2根连系索内力实测值均低于设计值，最大偏差分别为－25.0、－25.2 kN。综上所述，拉索左、右两端实测内力Fi、Fj与荷载态设计值Ni、Nj有较大偏差，尤其是大多数承重索实测内力低于设计值，需要进行补充张拉，以使得拉索内力达到设计值。

2.3 结构复核

需要根据实测出的拉索内力进行结构复核，以评估既有结构的安全性。计算时不锈钢拉索弹性模量取130 GPa，考虑恒、活荷载分别为1 kN/m2和0.5 kN/m2，基本风压为0.55 kN/m2，地面粗糙度为B类，风振系数取1.8，体型系数取－1.0，风压高度变化系数取1.21，温度变化为±30 ℃。恒＋活工况下屋盖最大竖向变形为70.92 mm，约为跨度的1/316，满足规范要求[5]。不锈钢拉索的设计应力比最大为0.549。由于受压撑杆与屋面钢梁采用焊接连接，撑杆顶端承受较大的弯矩，导致与屋面钢梁相连的一段受压撑杆应力比超限，最大为2.3，需要进行加固处理。可在应力比超限的一段撑杆外部套一根φ89 mm×6 mm的钢管，以增大抗弯能力，构造见图7。

图7 受压撑杆加固处理措施

3 拉索补充张拉

3.1 工序与要求

一般索结构预应力工程包括索的安装和索的张拉2个工序，本工程是加固改造工程，没有索体安装工序，但张拉前需要对索构件进行检查，对破坏的构件需要更换，对松弛的节点需要重新安装到位。检查和加固完成后，分13步完成施工。第1步拆除屋面玻璃并将各榀索桁架拉索右端内力调整至10 kN左右（连系索右端内力调整至5 kN），第2～10步按照CA1～CA9的顺序依次张拉承重索和稳定索右端至100%张拉控制力（考虑5%超张拉），第11、12步依次将LXS1、LSX2右端分别张拉至100%张拉控制力，第13步重新安装屋面玻璃。其中，第12步完成后就意味着索桁架拉索张拉完毕，拉索内力达到初始态设计值。

考虑到预张力较小，本工程采用专用扭矩扳手进行拧紧实现拉索张拉，扭矩扳手和作为操作平台的蜘蛛车挂篮见图8。张拉前需要对扭矩扳手进行标定，由标定参数换算对应的拉力值，并制作拉力-扭矩数据表，以方便现场操作和查验。

图8 扭矩扳手和张拉操作平台

3.2 施工张拉模拟

施工张拉模拟计算是预应力结构施工前需要进行的极其重要的工作，可通过寻找每一时刻的预应力分布得到结构的构形，进而模拟出结构的施工成形[6]，用以指导施工、确保安全。对拉索的施工张拉进行有限元模拟时需要考虑几何大变形的影响，考察索桁架在每一个施工步的变形和内力，以验证张拉方案的可行性，并得到每一个施工步的拉索张拉控制力，确保张拉完毕后拉索内力达到初始态设计值。

基于施工模拟计算的结果，可得到承重索、稳定索、连系索在每一个施工步的索力变化。

由施工模拟计算数据可知：各榀索桁架的张拉是相互影响的，对于已经张拉完毕的拉索，随着后续拉索的张拉其索力仍会改变，但这个影响随着各榀索桁架之间距离的增大而减小，比如第CA2、CA3榀索桁架的张拉对第CA1榀索桁架的索力有影响，但后续各榀索桁架的张拉对第CA1榀索桁架的索力基本无影响了。对于承重索而言，每一施工步的张拉控制力均高于初始态设计值，随着张拉的进行，后张拉拉索的张拉控制力逐渐与初始态设计值接近。稳定索每一施工步的张拉控制力则均低于初始态设计值，随着张拉的进行，后张拉拉索的张拉控制力逐渐与初始态设计值接近；连系索的张拉控制力则与初始态设计值大致相当。

各榀索桁架屋面位置跨中节点在每一个施工步的竖向变形见表1，其中带下划线的斜体数字代表该榀索桁架被张拉时的竖向变形。由表1中的数据可知，各榀索桁架的张拉是相互影响的：某榀索桁架的张拉会减小仍未张拉的各榀索桁架的变形；对于已经张拉完毕的某榀索桁架，随着其他各榀索桁架的张拉，其变形仍会改变，但这个影响随着各榀索桁架之间距离的增大而减小，比如第CA2、CA3榀索桁架的张拉对第CA1榀索桁架的变形有影响，但后续各榀索桁架的张拉对第CA1榀索桁架的变形就基本无影响了。

表1 各榀索桁架跨中节点施工过程中的竖向变形单位：mm

3.3 张拉监测

施工张拉完毕后对拉索内力与采光顶变形进行了监测，结果表明张拉是可靠、有效的，张拉完毕后采光顶屋面的标高与设计值的最大偏差在2 mm以内。以每根拉索右端为例，张拉完毕后（第12步）拉索内力实测值Fj与初始态设计值Nj最大偏差为3.6 kN（3.91%），满足要求，见图9。

图9 张拉完毕后拉索内力实测值与初始态设计值的对比

4 结语

对上海世博会意大利馆采光顶索桁架进行了加固设计与施工，为类似工程积累了经验，并得到以下结论：

1）索桁架加固前需对所有拉索的内力进行检测，并采用测得的真实内力进行结构安全性复核。

2）本项目实测拉索内力与设计值有一定偏差，需对拉索进行重新张拉，张拉前尚需对关键焊缝、节点进行检测与加固。

3）经施工张拉模拟计算，所采用的索桁架补充张拉方案可使拉索内力达到设计值，张拉后的监测结果表明拉索内力、变形满足要求。