上海证券交易所高区 (60.100～175.115m) 拉索幕墙净空高115m, 是迄今为止净空高度最大的索幕墙结构, 净宽24m。分东、南、西、北4个立面, 单幅索幕墙面积2 760m²。

最具特点的是每个立面的索幕墙分别设置电动开窗装置, 以南立面 (见图1) 为例, 在结构标高168.250～175.515m和结构标高85.025～90.465m位置分别设置6排, 共计12排168个开窗, 单面幕墙开窗数量之多创世界之最, 由于本结构需在柔性的索网上布置开窗, 设计考虑将开窗竖向外框设计成钢板形式, 将钢板作为竖索的一部分, 参与索网结构的变形和受力, 这样既能保证整片索网幕墙可开启和固定玻璃的整体性, 同时兼顾了满足开窗外框刚度的安装与使用条件, 确保开窗顺利开启。

考虑索幕墙结构竖向跨度115m, 竖索柔性较大, 受玻璃自重等荷载作用后会产生弹性变形, 由于竖索较长, 竖索受力后按照胡克定律计算显示弹性变形值较大, 本项目采用28mm竖索, 在152kN预张力的受力状态下理论伸长量能达221mm。开窗支撑结构的钢板作为竖索的组成部分, 会跟随索协调变形变动高度位置, 所以在张拉方案设计中, 竖索达到设计要求预应力的状态时, 对钢板位置的标高有着与玻璃夹同样的标高精度要求, 才能保证玻璃荷载施加后, 钢板位置可满足开窗安装的精度要求以及所有荷载施加后的使用要求。

如果采用挂砂袋的传统预加荷载的方法进行索夹和钢板标高位置确定, 需使用大量砂袋, 每个砂袋要模拟单块玻璃约重0.45kg, 共需布设675个砂袋, 工作量巨大, 对砂袋悬挂的方式也需特殊处理以确保安全。

所以采取不同工况理论计算的数据对比分析, 较精确地指导施工, 在满足各项精度指标要求的前提下, 简化操作流程, 确保施工安全、提高工效。

首先, 明确工作目标是在保证索的预张拉力满足要求的前提下, 钢板所在位置满足索张拉设计方案的标高要求, 这是控制重点和难点。

根据这个思路, 确定了3个测量位置, 顶部结构钢梁与竖索悬挂耳板焊接位置的标高, 中部钢板耳板标高, 索结构底部锁芯标高, 作为张拉竖索过程中的控制对象。

靠近主体结构钢梁与竖索悬挂耳板焊接位置标高确定该位置, 需综合考虑主体钢梁在预张拉力受力状态下的变形值a, 关于主体结构上部横梁的受力变形, 因为边界条件复杂, 无法通过理论计算准确算出结构变形值, 通过参考结构计算结果, 首先按方案张拉顺序对竖索进行预张力的张拉, 张拉结束后, 通过全站仪监测, 可得到准确的结构在预张力作用下的变形值。除此以外, 还需考虑张拉方案中玻璃荷载施加后竖索的变形预调节值b;这样可得到上部钢板顶的调节标高c=a+b+理论标高。竖索设计状态如图2所示, 实际状态下结构钢梁连接区域竖向变形如图3所示。

图4所示为根据理论计算值加实际预张力变形实测值叠加指导施工的数据, 最大变形值在结构中部为47.5mm, 与图3所示模拟计算得出的数据中部最大变形值42.7mm有较好的变形趋势重合度。但在数值上, 由于边界条件的复杂性带来不可预见性的因素众多, 所以, 选择理论计算值和预张力实测值相叠加的比较大的数值作为偏保守的施工控制值。

预张力作用下的顶部结构横梁变形与设计方案计算受到荷载后, 上部钢板预先上调的相对变形位置之和, 再加上索幕墙完成状态的理论标高, 即上部钢板在张拉前的精确位置标高。通过这样的过程, 比较精确地找出上部钢板顶部位置的标高位置, 这是竖索张拉过程的第1步。

上部钢板标高位置确定后, 将竖索释放到松弛状态, 将上部钢板按照确定的标高位置预先调节到位。这样, 上部钢板位置的标定工作即结束。

中部钢板需确定的标高位置是在玻璃等荷载施加以前的预张力状态下, 理论标高位置加上张拉方案中给出的预起拱值, 即索张拉完成后, 既要满足预张力, 又要满足钢板标高的位置要求。这2个要求需在张拉过程中使竖索和钢板一直处于动态可调节状态。由图2可看到受力状态下竖索每个高程的变形并不一致。

张拉前, 竖索处于松弛状态, 实际需达到的位置是通过竖索的线弹性假设以及胡克定律理论计算得到。但起始的零点无法准确掌握。为此, 对比竖索在50kN左右状态下的变形和在预张力状态下变形的对比, 由图5可对比看出, 二者形状、走向及变化趋势相同, 所以正式张拉前, 可预先使竖索在50kN预张力作用下, 在竖直方向上保持绷紧状态, 这时测量出竖索中部钢板准确位置, 与通过计算预张力作用下的钢板位置变形值取差值, 即可得出中部钢板仍需调节的数值。索的变形值计算公式:。50kN预张力与目标预张力引起的竖索变形及差值如表1所示。

通过图5所示数据和形状对比, 索张拉前需施加初始状态预张力的作用有2个方面。

1) 这个较小的预张力可准确计算出与设计方案预张力的差值和理论变形, 该变形差值对于接下来的竖索张拉过程和结果至关重要。上面3条曲线为按照竖索在线弹性理论和胡克定律的理论计算时, 虽然每组图形涵盖的数值不同, 但形状完全相同。最下面1条曲线是按照设计方案要求, 施加玻璃等荷载前, 方案要求竖索上的钢板需起拱高度。

2) 采用这种方法对索的张拉和变形监测共进行2次工作组合, 首先对竖索预先施加一个较小的50kN预紧力, 实测出该状态下待调钢板的位置, 通过理论计算为第2次工作提供比较准确的参考。上述2个步骤的调节工作, 可较快找到索的预张力状态下钢板的准确位置, 使得剩余调节量相对较小, 操作方便。

顶部钢板标高确定后通过上部调节端预先调节到位, 接下来将中部钢板调节端向上预调至只留10mm余量, 为底部张拉向下预调节做好准备。底部调节端螺杆在保证安全栓接的前提下尽可能外露丝牙。在152kN预张力作用下, 索长的理论变形值在221mm, 本项目操作过程中, 调节前将底部调节端丝牙外露235mm。

前述工作准备好后, 按照理论计算的50kN预张力和方案中要求预张力的理论计算变形差值进行每根竖索中部钢拉条的标高调节, 这是一个包含中部钢拉条位置的竖索变形和钢拉条起拱相叠加的预调节, 调节到位后, 开始底部调节端的张拉设备架设, 架设测力仪, 然后开始张拉, 张拉过程中全站仪保持对竖索中部钢板标高的监测, 根据测量结果, 得出精度可满足施工要求。竖索实际调节值和理论计算值对比分析如表2所示。预张力张拉完成后, 复核中部钢板位置的标高, 尽可能使中部钢板位置准确, 预张拉值比设计值稍大一些 (控制在5%以内) 。上述工作结束后, 便可竖索交接, 进行索夹标高的确定和索夹安装工作。

从表2中可看到, 索力在标高偏差允许范围内的5%以内, 满足设计要求, 可进行下道工序施工。图6将2组不同人员的测量数据和理论变形量在一张图中进行对比表现, 数据大小相近、趋势相同, 与理论假设能够保持一致。

通过对带有开启窗竖索张拉过程中使用到的新方法进行分析和实施, 方法可行, 结果可靠, 有效解决传统竖索张拉过程中挂重物模拟受力状态的繁重工作和安全隐患, 但使用该方法进行操作时, 需注意以下几方面: (1) 竖索线弹性理论假定及验证, 因为该位置的受荷 (预张力) 伸长量需通过理论精确计算得出, 那么理论计算的前提即索体在弹性受力状态下满足胡克定律; (2) 调节方案中的计算内容应始终根据设计的竖索结构, 调节端类型以及调节长度为依据; (3) 调节必须严格按照竖索张拉方案顺序进行张拉; (4) 内容和参数可应用到竖索结构的设计方案优化。

得出以下结论: (1) 竖索满足线弹性理论是精确计算和准确张拉的重要前提与基础。由于索体材料和结构无法完全满足理论要求, 本文提到的方法存在微小偏差; (2) 通过掌握和运用该方法, 与传统的张拉工艺相比具有思路清晰、步骤简单、结果准确、施工过程安全可靠等特征。