张弦梁结构施工技术.doc

晋煤集团寺河矿多功能报告厅张弦结构施工技术
李建全1 ，陈至诚1 ，管赛东1 ， 王泽强2 ，秦杰2
（1 上海五冶冶金建设有限公司，上海 201900；2 北京市建筑工程研究院，北京 100039）

【摘 要】：晋城寺河矿多功能报告厅为张弦结构，桁架跨度95.1m×65.7m。经过大量仿真计算和方案比较分析，施工中采用了单榀桁架地面拼装，并预张拉到设计张拉力的30％，吊装到位后，通过滑移将整体结构安装完成，然后进行第二次预应力张拉工作。
【关键词】：张弦结构；滑移；仿真计算；预应力；施工技术
1、工程概况
寺河矿多功能报告厅轴线南北长95.1m，东西长65.7m，屋脊处标高约25m，占地面积约6000m2，主要包括篮球场、会议室、进厅及各种功能用房。其中，F～Q轴线为张弦梁结构，共计10榀。张弦梁上弦为焊接箱梁□400×350×16×20，下弦张拉索为Φ5×85高强度低松弛热浸镀锌钢丝（外设PE防护层），上弦和下弦之间采用钢管Φ219×16撑杆连接，形成稳定的受力体系，单榀重约16吨。张弦梁支座采用两端铰接，置于混凝土柱顶。张弦梁钢索张拉完成后总长为40.818m。结构鸟瞰图和剖面图见图1和2所示。

图1 多功能报告厅鸟瞰图

图2 多功能报告厅剖面图
2、施工总体部署
2.1 施工工艺流程
张弦梁组装平台安装
钢构件检查与验收
钢结构油漆

张弦梁现场组装、第一次张拉
轴线控制闭合、测量放线
钢结构加工
张弦梁吊装

张弦梁滑移

张弦梁第二次张拉并锁定

2.2 施工难点及措施
2.2.1 张弦梁现场组装
单榀张弦梁上弦长达50.572m，需在工厂分段加工后送现场组装。张弦梁的组装采用在多功能报告厅北侧地面搭设组装胎架进行组装，组装顺序从F轴向Q轴推进；组装完成后在地面组装胎架上完成张弦梁的第一次张拉。
2.2.2 张弦梁吊装
张弦梁组装完成后重达16吨，跨度达40.8m，由于场地及土建等施工原因，所有张弦梁吊装采用双机抬吊安装成滑移单元。本工程采用2台120吨汽车吊分别站位于Q轴线外双机抬吊到滑移位置，然后安装张弦梁之间的撑杆及檩条，使之形成刚性框架。
2.2.3 张弦梁滑移
在吊装完一个张弦梁滑移单元后，必须及时开始整体滑移，以便组织下一组滑移单元的吊装。本工程采用分段滑移的施工方法，滑道利用②轴线和⑦轴线混凝土框架梁布置。
2.2.4 张弦梁张拉
预应力张拉分为两次完成，第一次在地面张拉到设计张拉力的30％，保证吊装过程中单榀桁架稳定，第二次对称分批张拉到设计张拉力。
3 张弦梁现场拼装方案
拼装胎架的设计和布置需根据张弦梁上弦拱架的分段情况和分段点的位置来确定，同时要避开张拉弦杆。为了保证张弦梁的拼装精度和使张拉不受影响，同时考虑到胎架在张拉过程中因主桁架水平移动的影响，以及便于张拉索的地面安装、张弦梁在张拉完毕后便于起吊等因素，钢架横梁的上端搁置可调节高度和平面度的管托。在拼装胎架时，在断开面设置空档，以留出焊接空间。在对接口下面焊接时，焊工可以在临时平台上进行。为了确保张弦梁原始状态的弧度和设计相符，胎架支点的标高测量控制要满足设计标高的要求。就位前，首先根据张弦梁分段点的标高及轴线对胎架进行垫置，使标高基本达到设计位置，就位后进行微调。就位时注意对接口的间隙及标高的控制，并且使分段点的位置基本处于胎架的中心。在调整校正完毕后进行焊接，焊接接口需要打磨光滑过渡。胎架位置尺寸及单榀品装完成后如下图3和图4所示。

图3 张弦梁组装胎架示意图

图4 张弦梁桁架拼装图 图5 单榀张弦梁双机抬吊图
4 张弦梁吊装
张弦梁拼装完成并且第一次张拉完毕后利用两台120t汽车吊进行抬吊，抬吊后直接放置在混凝土梁顶的滑移轨道上。由于张弦梁过长，在没有形成空间结构单元之前，需保证单榀张弦梁的稳定：即事先在张弦梁的不同部位设置揽风绳，在张弦梁就位后立即对张弦梁进行固定。第一榀张弦梁固定好后，进行第二榀张弦梁的吊装、就位和加固，并及时对张弦梁之间的支撑体系进行连接。当两榀张弦梁及中间的支撑体系和檩条等全部连接安装完毕，在检查各个细部环节没有安全隐患后，便可以将此张弦梁单元组向前滑移到设计位置，再进行下一榀张弦梁的吊装就位。吊装见图5所示。
5、张弦梁滑移
5.1 滑道设置
滑道在整个水平牵引中起承重、导向和横向限制滑板水平位移的作用，滑道沿②轴线和⑦轴线布置。由于基础预埋锚栓高出混凝土柱梁，须先架设钢梁进行找平。本工程采用H型钢梁H200×220×8×16作为找平钢梁，采用槽钢[16b作为滑道，滑块焊接在张弦梁柱脚板底部，每一滑移单元共设置4块滑块。考虑滑块与滑槽之间应留有一定距离，避免滑块在滑槽内受阻，在制作滑块时滑块与滑槽之间每边留有25mm间隙。另外滑块与滑槽接触面的部位在加工时磨成圆弧形，借此减小滑块与滑槽间的接触面积来减少滑移摩擦阻力。滑道设计见下图6所示。

图6 张弦梁滑移滑道设置示意图
5.2 牵引设备的取用
一个滑移单元总重约32吨。总起动牵引力为：P≥Q×f×1.6
式中： P——总起动牵引力；
Q——滑移单元总自重；
f——滑动摩擦系数，钢与钢之间不涂润滑剂时取0.15，涂润滑剂时取0.11～0.12；
1.6——为了保证牵引的顺利进行，克服滑道变形、焊点位置加大阻力等因素，实际总牵引启动力取计算值的1.6倍。
加润滑油时牵引力Pt＝32×0.11×1.6=5.64吨。
根据以上计算，本工程选择在滑道内加入润滑油，滑移牵引力须大于5.64吨。由于所需牵引力较小，本工程采用手拉葫芦进行牵引；为了加大牵引速度和降低工人的劳动强度，分别在②轴线和⑦轴线各采用一台5吨手拉葫芦作为牵引机具。
5.3 张弦梁的滑移
在第一、第二榀张弦梁连成整体后，通过预先设置的两根滑道和两组同步牵引设备，向F轴方向滑移至设计位置就位；再进行第三榀和第四榀张弦梁的吊装，并连接两榀张弦梁之间的支撑体系和檩条，再滑移到设计位置就位，如此循环直至多榀张弦梁拼装成整体， P、Q轴张弦梁可以直接吊装到位。为保证两端滑移同步，可在滑道上作标尺，确保滑移的同步性。具体操作步骤如下：
步骤一：对第一榀、第二榀张弦梁中间的支撑体系进行连接；
步骤二：将一个滑移单元滑移至设计位置，并拼装第二个滑移单元（第三榀、第四榀张弦梁）；
步骤三～五：依次将第二个～第四个滑移单元滑移至设计位置，并对相邻单元之间的支撑体系进行连接固定；
步骤六：最后两榀张弦梁可以直接吊装就位，就位后对相邻单元之间的支撑体系进行连接固定。
5.4 顶升就位
每一滑移单元滑移至设计位置后，检查各部位的尺寸符合设计要求后，即可在每一根张弦梁外侧利用钢支撑作为支点，采用Q16T千斤顶将整个滑移单元顶起，然后拆除下面的滑块装置、滑槽及滑移H钢梁，然后将上部结构降至设计标高就位。
6、预应力施工
6.1施工仿真计算
本工程采用大型有限元计算软件ANSYS为计算工具，对该结构张拉过程进行仿真计算，根据施工顺序，仿真模拟计算分为两部分：单榀张拉的模拟计算和屋面钢结构安装完成后第2次张拉模拟计算。计算模型如图7所示。全部张拉完成后结构竖向变形、钢结构应力、钢索轴力和应力见下图8～图11所示。

图7 计算模型

图8 结构竖向变形 图9 钢结构应力

图10 钢索索力 图11 钢索应力
6.2 预应力张拉方案
每榀张弦梁在地面组装完成后，进行第一次张拉，并进行吊装和单榀滑移；整体结构滑移到位，并且檩条安装完成后，进行第二次张拉，张拉过程中采取对称分批张拉完成。
6.2.1 预应力设备选用
经过仿真计算，拉索最大张拉力约15t左右，因此需要2台23t千斤顶，并且在第二次张拉过程中，需要两根索同时张拉，并且两端同时张拉，故选用8台23t千斤顶，即同时使用4套张拉设备。张拉设备如图12所示。

图12 张弦梁张拉设备
张拉设备采用预应力钢结构专用千斤顶和配套油泵、油压传感器、读数仪。根据设计和预应力工艺要求的实际张拉力对油压传感器及读书仪进行标定。
6.2.2 预应力控制参数
张拉时采取双控原则：索力控制为主，伸长值控制为辅，同时考虑结构变形。预应力钢索张拉完成后，应立即测量校对。如发现异常，应暂停张拉，待查明原因，并采取措施后，再继续张拉。
6.2.3 张拉力及张拉顺序
根据设计要求的预应力钢索张拉控制应力取值，并进行钢索伸长值计算，钢索各步张拉力及伸长值如下表1～表3所示。
表1 H～N钢索张拉力（钢索编号见图8）
钢索编号
H
J
K
L
M
N
钢索张拉力（KN）
第1级
124
124
124
124
124
124
第2级
149
149
161
161
149
148

表2 F、G、P、Q钢索张拉力（钢索编号见图8）
钢索编号
F
G
P
Q
钢索张拉力（KN）
第1级
124
124
124
124
张拉到控制应力的50％
146
179
179
144
张拉到控制应力的70％
184
152
149
184
张拉到控制应力的90％
157
190
190
155
张拉到控制应力的100％
175
159
157
176

表3 钢索最终张拉力及伸长值（钢索编号见图8）
钢索编号
F
G
H
J
K
L
M
N
P
Q
钢索最终索力（KN）
160
159
150
150
160
160
150
150
157
158
钢索伸长值（mm）
50
50
50
50
50
50
50
50
50
50

图13 张弦梁钢索编号示意图
单榀张弦梁安装完成后，进行第一次张拉，张拉力值见表1所示；进行第二次张拉过程中，满足结构变形和钢结构应力不能过大，以保证整体张拉过程的安全；第二次张拉过程分为11步张拉完成，具体张拉顺序如下所示。
K和L张拉到100％
J和M张拉到100％
H和N张拉到100％
P和G张拉到50％
Q和F张拉到50％
Q和F张拉到70％
P和G张拉到70％
P和G张拉到90％
Q和F张拉到90％
Q和F张拉到100％
P和G张拉到100％

6.3张拉监控
为保证张拉过程中的安全性，对整个张拉过程进行监测控制。本工程主要控制措施有如下三个方面：钢索张拉力和伸长值控制、钢结构应力控制、结构变形控制。
6.3.1 钢索张拉力控制为主，以钢索伸长值控制为辅助。通过油压传感器的数据反映钢索张拉力。实际张拉完成后，钢索张拉力和钢索伸长值都在理论计算张拉力和伸长值5％以内，满足相关规范的要求。
6.3.2 监测钢结构应力和结构变形作为该工程张拉过程的辅助监测手段。选择钢结构应力较大的杆件，使用振弦应变计监测应力变化，每榀张弦桁架中间选择一点，进行变形监测控制，使用水准仪监测钢结构竖向变形。实际监测结果跟理论计算数据吻合较好。
7、小结
7.1 本工程采用大跨度张弦梁结构体系的实践证明，设计与施工是成功的。
7.2 由于索体在结构性能的充分发挥，大大降低了用钢量，降低了成本。
7.3 本工程选择了采用单榀张弦梁在地面组装，并进行预张拉，不但技术上比较合理，而且节约了成本。
7.4 在施工前进行了充分的准备工作，对结构张拉过程进行了施工仿真计算，同时采用了有效的监测手段，保证了工程的顺利进行。
7.5 从监测的结果来看，实测结果很好的验证了理论计算结果，同时说明了通过有限元计算软件进行施工仿真计算是比较可信的。本工程的施工方法可以为同类工程施工提供借鉴。

【参考文献】
【1】 陆赐麟，尹思明，刘锡良 现代预应力钢结构. 北京：人民交通出版社，2003；
【2】 黄明鑫. 大型张弦梁结构的设计与施工 山东：山东科学技术出版社，2005；
【3】 徐瑞龙，秦杰，李国立，覃阳 国家奥林匹克体育中心综合训练馆张弦结构施工技术 工业建筑，2007，37（1）：26～29。