哈尔滨会展体育中心张弦桁架预应力拉索施工

1、哈尔滨会展体育中心张弦桁架预应力拉索施工哈尔滨会展体育中心张弦桁架预应力拉索施工高飞 李维滨 郭正兴 施俊 （东南大学土木工程学院，南京 210096）摘 要 本文介绍了哈尔滨会展体育中心张弦桁架预应力拉索施工的全过程以及在该施工过程中需注意的若干问题和难点，分析了张拉过程中张拉力与变形的关系，并提出了在类似张弦桁架预应力拉索施工几点建议。关键词 张弦桁架 预应力索 胎架 张拉1、工程概况哈尔滨国际会展体育中心工程总用地面积63万平方米，由1#国际会展体育中心（国际展览中心、万人体育馆、综合训练馆）、2#5万人体育场、3#国际会议中心（宾馆）、停车场（平台下及地面）等组成，整体建筑呈“U”型。

2、1#工程总建筑面积约为22万平方米，由国际展览中心、综合训练馆及体育馆组成，在场地靠北位置布置，1#工程为长方型，南北长130m，东西前长510m，后长618m（见图1.1）。 图1.1 国际会展体育中心平面示意图 1 该工程为黑龙江省、哈尔滨市重点工程建设项目，建设单位为哈尔滨市国际会展体育中心有限公司，设计单位为黑龙江省建筑设计研究院，监理单位为广州珠江监理公司。该工程的钢结构制安工程内容有：展览大厅、综合训练馆及体育馆屋盖索拱及其支撑钢结构，平面尺寸510米138米，有35榀主桁架（张弦桁架），还包括支撑、支撑张弦桁架的人字型摇摆柱、过街道支撑人字型柱桁架、支撑桁架，钢结构制安约1200

3、0吨。张弦桁架跨度为128米，两端支座分别设在A21、H列轴线上。其中，A21列支座位于14.6米标高的砼柱头上，H列支座位于-0.05米标高的砼平台上，人字形柱顶部标高为28.972米。桁架顶部最高点标高为36米。桁架间通过檩架和檩条进行连接，形成整体稳定结构。张弦桁架单重达到约175吨；人字形柱单重约28吨；次桁架单重最大约9.5吨。钢结构张弦桁架屋盖剖面图如图1.2所示。 图1.2 张弦桁架屋盖剖面图2、张弦桁架预应力拉索施工哈尔滨国际会议展览中心有35榀跨度为128米的张弦桁架，单榀自重约175吨，下弦为3977预应力钢索，强度为1570MPA镀锌高强钢丝，外包PE，索的两端锚具采用冷

4、铸锚，由锚杯和锚环组成。单根拉索总重量约为17.5吨，拉索外径约为18厘米，成品拉索在生产制作过程中采取诸多防护手段，在出厂前对索体进行了三道包装防护。索体截面见图2.1图2.1 索体截面拉索施工的总体程序为：放索穿索张拉索。放索指索的展开，即将索放直置于胎架下方；穿索包括两个索头穿过鼓形节点及铸钢节点，并安装好张拉千斤顶。2.1 放索张弦桁架两端轴线为G轴（南）和A21轴（北），索的放线架放置在G轴外，卷扬机放置在A21轴外进行牵引（见图2.2）。 图2.2 放索示意图1 定位放线和设备固定胎架中心线沿放线架及卷扬机处，放出放线架中心点位置及卷扬机位置，放线架有支座无须固定，卷扬机利用胎架的

5、混凝土立柱进行固定。2 放线架就位和索盘吊装用吊机将放线架吊至已放出点位。吊机将索从运输设备卸下，即堆放在放线架附近，外侧锚具朝上，索盘安装时只需用吊机将索垂直吊起安放至放线架即可。3 开盘 索展开前，索体缠绕盘成环形，锚具处用钢丝绳捆住，在去除钢丝绳的瞬间，弯曲的索有个能量释放的过程，锚具可能法向打出，易危及工人安全，因此在释放前须用枕木垫住锚具。4 放索用电动卷扬机上的钢丝绳拉住钢索出头端的锚杯并收紧，开动牵引卷扬机。锚杯较重，约800公斤，因此在牵引钢索过程中应及时将锚杯安放在专用小车上，由于施工场地为碎石地面，牵引小车行走不便，须在小车轮子下铺槽钢轨道，然后进行牵引；索每米重约123k

6、g，为防止索体在移动过程中与地面接触，损坏拉索防护层，采用移动平车法，索头放在端部小车上，将索逐渐放开，移运至胎架下，在胎架内设置滚轮，以保证索体不与地面接触，同时减少与地面的摩擦力，滚轮的间距为6m左右，每个滚轮承受约750kg，并使索基本保持直线状移运，如图2.3。 图2.3 索的移运2.2 穿索1 索牵引程序先将离卷扬机近处的索头安装就位，再安装另一端，第一个索头就位相对较容易，在索体未进鼓形节点时用一只3t葫芦将索头位置吊起，微调至节点孔内，同时千斤顶进行牵引即可（如图2.4）。图2.4 索体穿入铸钢节点示意 由于鼓形节点洞口离索头就位位置有5米距离，另一端索头要向内移动才能穿入。采用

7、两只5T电动葫芦悬挂在钢拱架跨中将索尽量吊起，跨中胎架立柱有13米高，吊起后索成抛物线状，可以克服5米长度。也可用吊机直接将索吊起。在牵引时缓慢将索放下（如图2.5）。图2.5 索体中间提起示意2 索牵引设备选择牵引第一个头时，牵引力主要克服索体与滚轮间摩擦，所以牵引力不大，牵引第二个头时，除索的中间端还有竖向支撑，其余均悬空，一根j15钢铰线破断力为255.5KN，所以采用一根j15钢铰线牵引，施工中根据千斤顶油压得知，实际牵应力在120KN左右，牵引设备采用YCQ23型前卡千斤顶。YCQ23型前卡千斤顶原本为适应单根无粘接预应力筋张拉和事故处理的需要，设计成前卡轻便型，具有性能优良，重量轻

8、，操作方便，工具锚夹片重复使用次数多等特点，而且前卡式千斤顶张拉速度快，所以比较适合牵引。由于单根钢铰线牵引，保险系数不大，所以另外加了一根安全钢铰线，只锚固不张拉。牵引过程中及时收紧安全钢铰线，如果牵引钢铰线出意外，第二根钢铰线起到安全索的作用。3 安装索球在锚杯牵引到位，旋上锚环临时固定后，将索球运至各相应的撑杆节点下，组织施工人员按索体上标识的索球安装位置进行索球的安装。在安装索球前剥去索夹段的缠裹包装，这时索球螺母第一次拧紧（用测力扳手监控拧紧力矩），因为索体在安装和张拉时有变形，索球螺栓会变松，还需拧紧两次，第二次拧紧是张拉结束，第三次拧紧是屋盖结构形成后。索球装完后，逐个将索球与撑

9、杆连接，用手拉葫芦悬挂在撑杆下部提升索球，索球靠近撑杆后，转动撑杆，使索球卡入撑杆下端。2.3 张拉索拉索采用两端张拉，在胎架上分级张拉。张拉时对位移和索力进行双控，达到结构说明中结点位移和杆件内力要求，并在其允许误差范围内。1 张拉设备的选用在胎架上张拉一次到位，此时张弦桁架只受自重作用，张拉力不大，不考虑摩擦力，张拉力约170t左右，故选用2台YCW250B型轻量化千斤顶，其最大张拉力达250t，但自重仅164kg，可满足快速施工及安全施工的需要，张拉装置见图2.7。图2.7 张拉装置示意图2 张拉时的技术参数及控制原则张拉的控制原则为：变形控制为主，索力控制为辅。此阶段的张拉监测有4个主

10、要技术参数：索力P、杆件内力、跨度L、控制节点位移。将4个参数分为两类：变形控制技术参数：跨度L、控制节点位移力控制技术参数：索力P、杆件内力在变形控制中，将位于胎架的倒三角形立体桁架跨中节点位移为首要变形控制参数。在对第一榀试验索拱试验张拉时，逐渐加大张拉力，逐级监控跨中节点的矢高变化（离地面高度），当拱架跨中节点刚脱离胎架时，迅速测定此时的索张拉力，并将索临时锚固，复测关键节点的位移量。3 第一榀试验架的张拉选择第一榀张弦桁架作为试验架，施工前用计算机仿真模拟张拉工况，以此作为指导试张拉的依据。计算表明索拱张拉脱架后竖向变形急剧增加，此时索力为150t。张拉力与控制点竖向位移关系见图4.4

11、.8，控制点1为张弦桁架跨中，控制点2为1/4跨处。试张拉逐级加载分成20级，在张拉接近胎架脱离支撑时（张拉力150t）与张拉力达到胎架张拉最终力（169t），荷载分级适当加密。先测定拱架中点的矢高（离地高度），依次测定跨度L，以及其它测点的位移和内力，并及时在现场进行计算机辅助分析，调整下步张拉。试张拉完成后，整理出各张拉技术参数的控制指标值，形成技术文件，用于指导正式张拉。4 正式张拉 正式张拉前，张拉设备和钢撑脚及工具拉杆等辅助设备全部准备及加工到位运至现场。张拉设备在有资质试验单位的试验机上进行标定。油泵的油压表全部选用精度为0.4级的精密压力表，千斤顶与油压表配套校验，并作主被动标定

12、。标定数据的有效期在6个月以内。张拉标准程序为：安装张拉设备两边预拉300mm45T60T90T120T每级加10T至起拱每级加3T直到控制要求。图2.8 张拉力与变形的关系3、张弦桁架预应力拉索施工注意事项3.1 张弦桁架与胎架连接支座做法（见图3.1、图3.2）1. 图3.1中月牙形钢板与钢格构柱胎架固定，张弦桁架的水平位移全靠上弦钢管与月牙形钢板间的线面间滑动，施工时发现滑动后月牙弧尖角在弦管上划出滑痕，说明月牙形钢板与钢管间存在较大咬合力，所以弦管的切向外力非常大，很难顺利张拉起拱达到控制值。度积累了足够能量，钢棒滚过后，摩擦力又瞬间减小，有个能量释放的过程，月牙板支座快速向前滑动，顶

13、到挡板上，失去滑行能力，滚轴失效。哈尔滨会展体育工程预应力张拉施工在施工过程中将部分胎架（胎架1、胎架9）改造成滚动连接，如图3.2，滚轴用钢棒或钢管填芯，胎架周围焊钢挡板围护，防止月牙形钢板支座滑落。月牙形支座下垫滚轴后能大大减小摩擦力，但还是没法解决摩擦力不稳定的问题，因为钢板上可能存在一些缺陷，如隆起物，钢棒在钢板上滚动时遇到隆起物相当于爬坡，摩擦力急剧增大，拉力增大到一定程滚动支座起了相当大的作用，但很多情况下张拉到一定程度时滚动支座与胎架挡板顶死，在胎架上无法正常张拉，只能吊起张拉。图3.1 图3.22 改善摩擦状况的措施根据摩擦学原理，面与面之间的摩擦系数比较稳定，摩擦系数由接触面

14、的表面性能、接触面间的填充物以及润滑剂决定。表面性能包括表面接触的几何尺寸、表面粗糙度、表面成分和表面制作加工方法等。建筑工程中为了减小面与面间的摩擦系数可以采取以下措施： 表面制作精加工，提高接触面间的光滑度。 接触面间加填充物，例如加聚四氟乙烯滑块，聚四氟乙烯滑块与钢板间滑动摩擦系数一般为0.030.05，能大大减小摩擦力，加聚四氟乙烯滑块在胎架张拉中是个有效的减小摩擦手段。 接触面间加工程润滑剂，黄油是工程上常用的润滑剂，效果比较好，价格又比较经济，可以大范围使用。3.2 张弦桁架起吊张拉张弦桁架胎架施工中如果胎架摩擦没处理好，经常会遇到因摩擦力过大，张拉力达到很大仍然没有脱架，虽然理论

15、上索力足够大时肯定能达到张拉控制要求，但张拉的同时胎架也受到巨大的水平推力，当水平推力大于胎架承载力时，可能会把胎架推倒，存在安全隐患，所以施工中如果发现异常，即索力达到较高时，跨中起拱量仍然远小于期望值时，可能会采取别的施工方法。哈尔滨会展体育工程中，有15榀张弦桁架采取胎架吊起两阶段张拉工艺。第一阶段，胎架上张拉到一定索力，足于保证索的平面外稳定；第二阶段，用两台3000吨米塔吊双机抬吊，将张弦桁架吊起脱离胎架，撤去摩擦力后再张拉。吊起张拉时必须注意：1 张拉到一定阶段后才可起吊，张拉到120吨左右时，桁架即将脱离胎架但效果不甚明显，保证整个桁架的刚度。2 双机抬吊将张弦桁架吊起，需要吊点

16、位于张弦桁架的重心上方，所以在吊装时需要在张弦桁架上先装两个铁扁担，施工无法保证铁扁担每次位于同一点，即吊起张拉时，吊点位置改变，结构跨度就会有改变，张弦桁架索张拉力就会随之改变，跨中起拱量保证达到设计要求后既停止张拉。3 吊起张拉之前必须作好标记，以保证量测起拱高度的基准点，同时量测起拱高度时要考虑到桁架两侧下降的高度。4 起吊必须同时进行，一侧起吊有可能造成整个桁架向另一侧滑移，有很大的危险性。起吊高度一般为10公分左右4、主要结论1张弦桁架中拉索预应力的主要作用是控制结构位移，应该对整个结构单元进行分析确定需要的预应力，其实质是计算拉索的伸长量（拔出长度），不管在何种条件下张拉，不管采用

17、哪种张拉方法，其根本目的就是使索伸长量达到计算值。2张弦桁架预应力张拉，优先采用胎架一步张拉到位，结构拼装成整体后进行适当调整；当起拱量太大，张弦桁架轴向压变形过大影响支座就位时，可在满足索出平面刚度和吊装就位要求的前提下，先在胎架上张拉到一定索力，吊装并拼装成整体后再用大吨位千斤顶进行二次张拉。3以索伸长量控制是个比较方便的张拉方法，也最能反映张拉的根本目的，哈尔滨会展体育中心17榀张弦桁架的张拉纪录表明索相对伸长量控制是个稳定的张拉控制方法。由于拉索的下料长度有误差，张拉宜用索相对伸长量控制。根据索的伸长量增量与索力增量的关系，索的伸长可分为三个阶段，第一阶段索处于松弛状态，在索拉紧的过程中索的伸长量增加很快；第二阶段从索拉紧到张弦桁架起拱，此阶段索的伸长量很小，包括索自身的弹性伸长与立体桁架的微量轴向压缩；第三阶段指张弦桁架起拱以后，起拱后支座水平位移急剧增大，即