北京框架产研基地带外跨悬挑钢架的辐射张弦结构预应力施工工法(附照片)

'带外跨悬挑钢架的辐射张弦结构预应力施工工法1前言带外跨悬挑钢架的辐射张弦结构是近年来发展起来的一种新型的大跨度预应力钢结构。带外跨悬挑钢架的辐射张弦结构由外跨悬挑钢架、连梁、辐射张弦梁三部分共同组成。三个部分施工过程中相互独立，但通过预应力拉索张拉后三个部分共同作用受力，形成整体。外跨为悬挑钢架；内环为辐射张弦钢屋架结构，其上弦径向采用箱型钢梁，下弦径向采用辐射型预应力钢索，上下弦之间采用钢撑杆连接，径向辐射型预应力钢索在环中心与中央刚性环连接，稳定索分布于连接相邻的上下弦之间以及下弦的环向部位；内环和外跨由连梁连接。相对普通的张弦梁结构，带外跨悬挑钢架的辐射张弦结构受力合理，造型优美，各种材料均充分发挥作用，自重轻，即节省钢材又具有很好的整体刚度，外跨悬挑钢架扩展了其使用功能，是力学和美学相互融合的典范，是一种新型的空间结构形式，代表了当今世界空间结构的发展水平，具有良好应用价值和使用前景的新型结构形式。尤其适用于大跨度的体育馆及会展中心。带外跨悬挑钢架的辐射张弦结构的特点也就决定了其在施工方法上有别于传统的钢结构，其施工技术比普通张弦钢屋架和普通辐射张弦梁屋架要复杂的多。在对不能各索同时张拉的情况下，计算及研究了分步张拉索相互之间的影响以及悬挑钢架卸载对索力的影响，确定了预应力分级、分步施加的方案，确定了悬挑钢架卸载方案，顺利完成了带外跨悬挑钢架的辐射张弦结构预应力索张拉施工，取得了显著的经济和社会效益。该项技术经专家评定达到国内领先水平。施工单位经过多次专家研究论证，确定了此类结构的施工方案，后加以提炼形成此工法，并在北京**产业研发基地工程中顺利完成了施工任务，该工程获得了“北京市结构长城杯金杯”、“2011年度中国施工企业管理协会科学技术奖技术创新成果一等奖”和“安全文明工地”。2012年6月12日由北京市住房和城乡建设委员会组织召开专家鉴定会，鉴定为该科技成果达到国内领先水平。2特点2.0.1预应力拉索张拉顺序与外跨悬挑钢架卸载两者的关系及影响采用分级分步的对称张拉施工方法，共分三级对拉索进行张拉，第二级张拉完成后外跨12 悬挑钢架进行卸载，这样既能减轻卸载产生的巨大推力对整个屋盖系统的影响，减轻对柱的水平推力，减小不均匀力对中央刚性环的影响，也能确保最终整个屋盖结构均匀安全的达到设计要求的结构受力状态。2.0.2自平衡功能当屋架构件为拱时，以及当外跨悬挑钢架卸载以后，都将在支座处产生很大的水平推力，两种推力效应相互叠加。索的引入可以平衡侧向力，从而减少对下部结构抗侧性能的要求，并使支座受力明确，减小支座位移，易于设计与制作。 通过对拉索的预应力张拉，平衡一部分由于外跨悬挑钢架产生的水平拉力，从而有效的减小外跨悬挑钢架的挠度。2.0.3新型镀锌可调钢绞线索作为结构稳定索的实际应用新型镀锌可调钢绞线索比一般常规钢拉索造价低，张拉操作简便，因受其钢绞线规格及截面的限制，往往达不到受力索的截面要求，但在应用于结构稳定作用时，一般可替代常规钢拉索，具有非常良好的经济性和施工可操作性。2.0.4制作、运输、施工便捷　与网壳、网架等空间结构相比，张弦梁结构的构件和节点的种类、数量大大减少，焊接工作量大大减少，这将极大地方便该类结构的制作、运输和施工。从而提高了工作效率，缩短工程工期，节约了工程的造价。2.0.5施工监测及张拉过程计算提供理论依据带外跨悬挑钢架的辐射张弦结构是一种柔性结构，因此施工监测是该类结构不可缺少的流程。张拉过程中，需要对张拉过程中的索力和钢梁控制点处的应力和变形进行施工监测，并结合理论计算值进行分析比较，以指导施工、控制质量和保证安全。通过结构有限元软件对张拉过程进行计算，选取合理的分级分步的张拉施工方法，计算并分析外跨悬挑钢架卸载对拉索及屋盖结构受力的影响，确保整个屋盖结构均匀安全的达到设计要求的结构受力状态。3适用范围本工法适用于带外跨悬挑钢架的辐射张弦结构的预应力施工，其外跨悬挑钢架可为对称结构或非对称结构，也适用于其它悬臂辐射张弦结构的预应力施工。悬臂辐射张弦结构为外跨悬挑钢架不通过“连梁”直接连接于内环辐射张弦梁。12 4工艺原理施工前对工程进行详尽的深化设计，包括撑杆的节点、连接径向钢索的中央刚性环节点以及张拉端节点，张拉端节点一定要考虑张拉工装的布置空间。制索的过程中要把撑杆节点的安装位置在工厂中事先做好标记；施工时，将做好的标记点与撑杆节点一一对应进行现场安装。正式张拉前对结构的变形、稳定性、悬挑钢架卸载时间及卸载后对原结构的影响和预应力张拉过程进行计算机仿真模拟，经计算分析，确定各个张拉阶段的主要控制点和相应的理论数值，得出每一步张拉各榀之间相互影响的关系和规律，得出悬挑钢架卸载对内环辐射张弦结构的影响，给出预应力损失的数值，并最终得出每榀需要施加的预应力，形成完整的张拉和监控方案，对张拉过程中可能出现的差异情况，编制合理的应急预案。通过施工仿真计算得到施工中的关键性控制点，包括最大位移点和最大应力点。在整个施工安装、张拉和外跨悬挑钢架卸载过程中要对这些结构位移、应力和索力进行详尽的监测，以确保主体结构能安全顺利建成,并在张拉完成后达到设计给定的理想受力状态。5施工工艺流程和操作要点深化设计钢索制作施工仿真计算分级、分步对称张拉径向钢索悬挑钢架卸载张拉设备标定施工监测施工仿真计算根据监测结果对索力进行微调安装径向钢索安装稳定索张拉稳定索安装屋面5.1施工工艺流程12 5.2操作要点5.2.1深化设计根据设计及预应力工艺要求，计算出钢索的下料长度，以及撑杆节点的安装位置标记点。完成撑杆节点、连接下弦径向钢索的中央刚性环张拉端节点和固定端节点，以及稳定索张拉端节点和固定端的加工图设计。5.2.2施工仿真计算针对具体工程建立结构整体模型，进行施工仿真模拟计算，得出如下结果：1根据设计要求的撑杆的垂直状态，给出撑杆节点位置的标记力；2验证张拉施工方案的可行性，确保张拉过程的安全；3给出每张拉步张拉力的大小，为实际张拉时的张拉力值的确定提供理论依据；4给出每张拉步结构的变形及应力分布，为张拉过程中的变形监测及索力监测提供理论依据；5根据计算出来的张拉力大小，选择合适的张拉机具，并设计合理的张拉工装。12 5.2.3钢索制作按照深化设计计算出的下料长度进行钢索制作。制作完成的钢索在工厂内要进行预张拉，预张拉力为设计索力的1.2～1.4倍，并在预张拉力等于设计索力的情况下，在索体上标注出每个撑杆节点的安装位置。为便于施工，要求每根索体都单独成盘出厂。5.2.4安装拉索1.对钢结构施工脚手架搭设的要求在各榀辐射张弦梁下方沿径向搭设马道，用于放径向钢索；在各榀辐射张弦梁钢索固定端下方搭设施工平台用于放置索盘和索放盘操作。施工脚手架搭设时应避免脚手架斜撑杆件阻挡径向钢索与环向钢索的安装。2.放索为了便于放开钢索，现场需要配置放索盘。为防止索体在移动过程中与马道接触，索头用布包住，在与马道接触的地方沿放索方向铺设一些滚轴，以保证索体不与马道接触。3安装径向拉索及稳定索安装钢索时，先安装径向钢索，然后安装其他稳定索。径向钢索安装时先安装中央刚性环处的可调节端，然后安装固定端，安装索体与竖向撑杆节点时要注意按照工厂中在索体标定的标记点进行安装。为了弥补索体变细引起螺栓拉力减小，张拉完成后，应对索夹螺栓检查预紧一次。稳定索安装完成后径向索张拉前，将稳定索的调节量调节到最大，对径向索伸长量变化较大的部位应在径向索张拉完成后再安装。5.2.5钢索张拉及外跨悬挑钢架卸载1.张拉机具标定张拉前张拉设备要在专业的检测机构进行标定，并出具标定报告，施工中将仿真计算出的理论张拉力换算成标定报告中的数据进行张拉。2.张拉控制力原则屋盖钢结构验收合格后，方可开始拉索张拉施工。根据设计和施工仿真分析确定的控制张拉力，先张拉径向钢索，然后张拉稳定索，张拉时应分级、分步实施对称张拉。钢索张拉以张拉力控制为主，每台油泵上都安装有经过严格标定的油压传感器和读数仪，通过读数仪显示数据直接控制张拉力大小。同时，对张拉引起的钢结构变形进行监测，检查张拉效果是否与理论数值相符合。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。12 （1）径向钢索的张拉径向钢索采用十字型对称的张拉方法，分为三级张拉。第一级张拉到设计值的50%，第二级张拉到设计值的80%；悬挑钢架卸载；第三级张到设计值的100%。外跨悬挑钢架卸载在第二级张拉完成后开始，卸载后开始第三级张拉。待径向钢索三级张拉完成后，再开始稳定索张拉，最后根据监测结果对索力进行微调，使最终索力值及结构应力和变形符合设计要求。需要说明的是，在正式张拉前，要完成每一榀径向预应力钢索的张拉预紧，张拉预紧力为设计索力的20％。（2）稳定索的张拉下弦环向稳定索分为两级张拉，其余稳定索一次张拉到设计控制力。首先张拉屋盖上弦稳定索，再张拉连接上弦和下弦的斜稳定索，最后张拉下弦的环向稳定索。单根主索两侧的斜稳定索同时张拉到设计控制力，斜稳定索张拉完场后，为了避免下弦环向稳定索张拉伸长产生的累积位移，环向稳定索采用“跳仓法”每次间隔一根索顺时针方向分两级张拉。3.外跨悬挑钢架卸载径向拉索完成第二级张拉后，开始对外跨悬挑钢架卸载。采用切割支撑点钢板的方法卸载，根据施工仿真分析确定出卸载后悬挑钢架下挠距离，每个卸载点分两次进行卸载，每次切除支撑点钢板下挠距离的一半，且应同时切割对称两侧的支撑点，避免不均匀受力引发中央刚性环的扭转。同时，对卸载引起的中央刚性环与上弦连接的钢撑杆进行监测，检查钢撑杆应力是否与在设计正常值范围之内。最后，检查所有支承点是否全部脱离钢架，如果存在受力点，再次卸载，直至卸载完成。测量观测点数值，并记录。4.张拉操作要点张拉前，索头上要安装工作锚、工装承力架、千斤顶和工具锚，索头上安装的组件较多，必须小心安放，以保证千斤顶形心与钢索重合，避免张拉时产生偏心。张拉时，先开动油泵，待油泵启动供油正常后再开始给油、加压，给油速度要控制，时间不应低于0.5min。当油压力显示张拉力达到钢索张拉控制力时应停止加压并稳住油压，此时将索头上的工作锚拧紧。拧紧工作锚后油泵立刻回油，待千斤顶回缸后关闭油泵，此次张拉结束。5.2.6张拉测量与监控1.张拉力的测量12 张拉力：油泵上安装经过严格标定的油压传感器，张拉时通过连接到油压传感器的读数仪直接测量。2.监控监控内容：张拉过程中及完毕后的钢索索力、钢梁和撑杆应力、屋盖结构的竖向位移。监控点选取：结构的重要部位及其它设计要求的监控部位。监控方法：索力监测采用油压传感器；屋架结构竖向位移监测采用全站仪；钢梁应力监测采用振弦式应变计。通过监测数据与计算机施工仿真计算数值的比较，控制张拉施工质量，保证施工安全。6材料与设备6.1材料6.1.1钢索的材料、生产制作等应符合现行的国家产品标准和设计要求，强度等级为1670Mpa。当产品钢索长度不大于100m时，其制作偏差不应大于20mm；当产品钢索长度大于100m时，其制作偏差不应大于索长的1/5000。6.1.2预应力钢索规格有：Ф5mm×73、Ф5mm×109、Ф5mm×127、Ф5mm×187、Ф7mm×187等。6.1.3新型可调镀锌钢绞线索：索体采用Ф15.2热镀锌钢绞线，两端采用插耳索头，一端钢绞线与索头间设调节套筒。6.2设备6.2.1预应力施工常用设备包括：放索盘、吊装带、卷扬机、倒链、千斤顶和配套油泵、油压传感器和配套读数仪、应变计和全站仪等。施工时，根据预应力钢索数量、索重和索长、钢索张拉力和工期要求以及现场条件具体确定使用设备的种类、型号和数量。7质量控制7.1质量标准7.1.1预应力钢索1钢索的材料、制作等应符合现行国家产品标准和设计要求，强度等级为1670Mpa。12 检查数量：全数检查。检验方法：检查产品的质量合格证明文件、中文标志及检验报告等。2在给定拉力状态下的钢索长度(mm)误差为±1/5000索长。检查数量：全数检查。检验方法：用标定过的钢卷尺测量。3对以下项目进行检查；项次检查项目规定值或允许偏差检查方法频率1拉索长度(mm)±20用标定过的钢卷尺测量每根2PE防护厚度(mm)＋1.0，－0.5卡尺测量每根3索体直径(mm)＋1.0，－0.5卡尺测量每根4锚具附近密封处理符合设计要求目测全部5索端调节套筒的调节量＋2，－2用标定过的钢卷尺测量全部在钢索出厂时要提供如下质量证明文件：1）钢索质保书；2）钢丝质保书；3）锚具质保书；4）PE质保书7.1.2钢索张拉施工钢索张拉力数值的允许偏差为±10%。检查数量：全部检查。检验方法：在油泵上安装经严格标定的油压传感器，张拉时用读数仪实测。7.1.3外跨悬挑钢架卸载悬挑钢架每卸载完一个支撑点，用全站仪测量该支撑点部位钢结构下挠值。检查数量：全部检查。检验方法：检查记录资料或实测。7.1.4钢结构应力及变形监测预应力索每次张拉完毕后，应用振弦式应变计测量钢结构应力，用全站仪测量钢结构起拱值。检查数量：应力不少于16个测点，起拱值各榀全部检查。12 检验方法：检查记录资料或实测。7.1.5施工记录预应力施工完毕后，需正式递交预应力施工记录。在施工记录中，每根预应力钢索索力为记录内容。7.2质量保证措施7.2.1由于预应力钢索的可调节量只有±100mm，因此施工中要严格控制钢梁的安装精度在相关规范要求范围以内。钢梁拼装就位完毕后必须进行钢结构尺寸的检查与复核，根据复核后的结果对钢梁进行调整，达到设计要求的状态后再进行张拉。7.2.2钢撑杆的上节点安装要严格按全站仪打点确定耳板的准确位置，下节点安装要严格按钢索在工厂预张拉时做好标记的位置进行，以保证钢撑杆的安装位置符合设计要求。若钢撑杆上节点耳板的安装位置由于钢梁拼装的精度有所调整，则钢撑杆下节点在钢索上的位置要重新调整确定。7.2.3钢索宜在防潮防雨的遮蓬中存放。成圈产品应水平堆放，重叠堆放时逐层间应加垫木，避免压伤钢索PE保护层。钢索安装过程中应注意保护PE保护层，避免保护层损坏。如出现损坏，应及时修补。7.2.4为消除钢索的非弹性变形，保证使用时弹性工作，钢索在工厂内需要进行预张拉。预张力为设计索力的1.2～1.4倍，持荷时间为0.5～2.0h。在进行张拉施工仿真计算时，应采用索厂提供的弹性模量。7.2.5为保证张拉质量，张拉时采取以张拉力控制为主，用竖向变形进行校核的双控方法。同时布置测点，对张拉施工进行监控。7.2.6张拉施工中要采用对称、分级、分步张拉，尽可能减少张拉中钢索间索力的相互影响，尽量保持每步钢索张拉的同步。张拉时各张拉点要配备通讯工具，保持相互间的联络通畅。张拉操作要严格按技术要求进行，若张拉出现问题或出现监控数据与理论值出入过大的情况，要立即停止张拉，待查明原因并处理后，方可恢复张拉。7.2.7在后续的结构施工过程中，如屋面荷载、悬挂荷载的施加步骤和方法，要尽量保证比较均匀、对称、匀速地施工，避免出现过大的集中荷载。7.2.8加强专业施工的项目管理，制定质量目标，设置专门质检人员。对施工人员要进行事先培训，合格后方可上岗。施工中严格执行“三按”、“三检”和“一控”，即严格按图纸、按施工方案和施工工艺、按国家现行规范和标准；做到自检、互检和交接检；控制一次验收合格率。12 8安全措施8.0.1预应力专业施工的安全控制措施要与整个工程的安全生产管理挂钩，同时建立自身的安全保障体系，由项目负责人全面管理。每个班组要设置安全员一名，具体负责预应力施工作业的安全。8.0.2预应力施工人员进入现场应遵守工地各项安全措施及要求。要按国家规定正确使用劳动防护用品。8.0.3施工人员作业时要系好安全带，并且拉好安全绳，严防高空坠落。8.0.4施工贝雷架、钢索安装平台和张拉操作平台以及通道的周边要设置护栏，露空处和工人操作位置的下方要架设安全网。8.0.5张拉时，油管接头处和千斤顶后端严禁手触、站人，工作人员应站在油泵和千斤顶的两侧。张拉期间操作人员不得擅自离开岗位。8.0.6油泵与千斤顶的操作者必须紧密配合，在千斤顶就位妥当后方可开动油泵。油泵操作人员必须精神集中，平稳给油、回油。应密切注视油压表读数，张拉后回缸到底时需及时将控制手柄置于中位，以免回油压力瞬间迅速加大，损坏设备、发生危险。8.0.7高空中准备安装的各种构件和安装、张拉使用的各种机具设备都要妥善放置，避免坠落伤人。8.0.8施工现场各类孔洞的临边必须有警示和防护设施。施工用电要符合JGJ46－2005标准。8.0.9施工机械的操作者和特种作业人员持证上岗，起重机械安装须取得劳动局验收，严格遵守十不吊规定。8.0.10起重和绑扎用的钢丝绳应有足够的安全系数，要加强日常的检查，凡表面磨损、腐蚀、断丝超过标准的、打死弯、断股、油蕊、外露的均不得使用。吊钩应有防止脱钩的装置。9环保措施9.0.1油泵操作人员必须精神集中注意油泵和千斤顶的状态，密切注视油压表读数，若出现渗漏油，应停止作业，并防止液压油遗洒。12 9.0.2若出现液压油遗洒，及时清理干净，防止污染其他物品。10效益分析10.0.1带外跨悬挑钢架的辐射张弦钢屋架与普通钢屋架比较，跨度大，结构受力合理，各种材料均充分发挥作用，自重轻，用钢量少，即节省钢材又具有很好的整体刚度，可用于较大跨度的钢屋盖，具有很好的经济性和适用性。10.0.2通过结构有限元软件分析计算，根据张拉端特点设计了张拉工装，将拉索的张拉分为三级，每次同时张拉四根拉索，张拉顺序符合受力要求，最终使24根拉索全部达到设计受力要求。原计划投入24套张拉设备，现采用分级、分步对称张拉，实际投入4套张拉设备，减少了张拉设备及工装用量，减少了人力的投入，成本大幅降低，节约资金30万元。10.0.3新型镀锌可调钢绞线索作为结构稳定索代替普通钢拉索，其张拉操作简便，且比一般常规钢拉索造价低约50%。新型镀锌可调钢绞线索作为稳定索共288根，节约资金20万元。10.0.4辐射张弦梁拉索的安装采用辐射状脚手架与采用满堂红脚手架相比，可以大大减少脚手架的用量以及大型吊装设备的用量和用时。经过绘制等比例的屋盖结构三维模型图后，将安装所需搭设的满堂红式（即安得固定型架）操作脚手架与辐射状操作脚手架进行了经济分析，最终选用搭设辐射状操作脚手架。具体对比经济分析见下表：项目名称搭设高度搭设体积架体单价施工工期架体费用满堂红式安得固定型架体12m44616m30.33元/m3×天30天44.17万元扣件式钢管操作架12m44616m30.21元/m3×天50天46.84万元辐射状（扣件式钢管操作架）12m14872m30.21元//m3×天40天12.49万元经上述对比，辐射状操作脚手架与满堂红式（安得固定型架体）比，共节约资金44.17-12.492=31.678万元；与满堂红式（扣件式钢管操作架）比，共节约资金46.846-12.492=34.354万元；10.0.5辐射张弦钢梁结构相比其他空间结构的构件和节点种类、数量大大减少，焊接工作量大大减少。拉索为高强度钢材，其极限强度一般为普通钢材的4倍，利用拉索作为大跨度屋架主要受拉构件极为适宜，既能满足结构的受力要求，又能兼顾结构的美观。这些都将极大的方便了该类结构的制作、运输和施工。从而提高了工作效率，缩短工程工期，节约了工程的造价。12 10.0.6北京**产业研发基地是我国自主设计施工、具有完全知识产权的大型工程，它的建成标志着我国空间预应力结构技术达到了世界先进水平。它所包含的多项设计、施工新技术，充分体现了科技北京的理念，具有很好的社会效益。11应用实例北京**产业研发基地工程临近北京国际机场T3航站楼，总建筑面积近17.5万平方米，其屋盖结构形式为带外跨悬挑钢架的辐射张弦梁结构，由北京国际建设集团有限公司实行总承包，北京市建筑工程研究院有限责任公司分包并负责深化设计及施工。整个屋盖由悬挑外跨悬挑钢架、连梁、辐射张弦梁共同组成。外跨悬挑钢架每侧重约1250吨，悬挑长度14米。外跨悬挑与内环通钢架过连梁连接，内环为24榀辐射张弦梁。形状为圆形，跨度（直径）为68.835m。其内环屋盖体系由中央刚性环、辐射张弦梁、拉索、稳定索和支撑体系组成。张弦梁呈辐射状，上弦为800×500×24×30箱形钢梁，下弦为Ф7×187拉索，长度均为29.570m，共24根，上下弦之间采用Ф180×8钢撑杆连接，每根拉索与中央刚性环连接。稳定索为Ф15.2可调节钢绞线，共288根。通过有限元结构软件精确对施工过程进行施工仿真计算分析，采取分预应力张拉分三级，4根索同时张拉，共十八次对称循环的张拉方案。预应力张拉过程中最大的张拉力为1705.2KN，屋盖中心起拱变形85mm。最终索力总体偏差控制在5%以内；张拉起拱变形与理论最大偏差值为3mm；撑杆垂直度最大偏移在1%以内。通过以上数据证明整个张拉施工是成功的。不仅达到设计给定的理想受力状态，而且保证了结构形态和就位精度。验证了计算分析的正确性，积累了张拉施工经验，为以后类似工程提供了可借鉴的经验。12'