平面预应力张弦梁整体吊装施工工法

平面预应力张弦梁的整体吊装施工工法前言随着社会、科学技术的进步和经济的高速发展，近些年来国内外建造了很多大型的建筑结构，尤其是大跨度空间钢结构，凭借其高效、经济、美观的结构特点被广泛地应用。其中将预应力技术应用到空间钢结构体系形成了预应力空间钢结构体系。预应力空间钢结构是把现代预应力技术应用到例如网架、网壳等网格结构、索、杆组成的张拉结构、立体桁架结构等一类大跨度结构，从而形成一类新型的、杂交的预应力大跨度空间钢结构体系。****文化会展中心钢屋盖即采用了该结构体系，由****建筑学院北京****建筑设计顾问有限责任公司及中国*****设计研究院设计，*****集团钢结构工程分公司负责钢结构屋盖的构件加工及构件安装，是国内首例跨度最大的单向预应力张弦梁工程。本工程采用了放射状撑杆弦支梁结构，跨度48米，水平投影面积6576M2，总用钢量578.8T。河北****钢结构工程分公司对施工全过程进行整体模拟，采用了单榀张弦梁整体吊装圆满的完成了工程安装任务，取得了显著的经济和社会效益。经有关部门确认，本工程整体吊装施工技术达到国内先进水平。1工法特点1．1减少施工场地的占用，充分利用作业空间布置拼装作业，便于场内运输和吊装，大大缩短了安装工期。1．2吊装均采用汽车式起重机机械，相对于满堂红脚手架结合高空滑移的常规安装方法，大大的节约了施工成本。1．3本工法采用汽车吊整体吊装预应力张弦梁的方法，达到了国内领先水平。2适用范围本工法适用于大跨度空间钢结构钢梁整体吊装工程。3工艺原理运用计算机对施工全过程进行整体模拟分析，确定了使用钢管桁架扁担进行张弦梁的吊装，以及吊装设备的选择和吊点的设计，临时支撑的位置及形式，张弦梁在吊装过程中的平面内、外变形等关键点。3.1张弦梁结构整体轴测图及张弦梁截面结构图****文化会展中心工程的屋盖张弦梁钢结构部分。屋盖覆盖的A轴到T轴长137米，5轴到13轴长48米，面积约6500平方米。张弦梁跨度48米，梁间距8米。张弦梁屋盖最高点标高21.098m。其整体轴测图为下图3-1。张弦梁有3类，每榀张弦梁分为3段截面，即1）H700×250×30×50，H700×250×20×30，H700×250×30×50；2）H700×250×25×50，H700×250×20×30，H700×250×25×50；3）H700×250×20×36，H700×250×16×20，H700×250×20×36。其中某一榀的截面结构形式见下图3-2。钢结构所用钢材和无缝钢管为Q345级钢材，撑杆截面为；钢索采用两种规格的挤包双护层扭绞型拉索（高强度钢丝屈服强度大于1410Mpa），分别为2SNS/Sφ7×61，及2SNS/Sφ7×55；高强螺栓采用10.9级大六角头螺栓，摩擦面抗滑移系数不小于0.5，表面采取抛丸处理。地脚锚栓为Q345-M52螺栓。图3-1整体轴测图图3-2张弦梁平面图3.2张弦梁整体吊装方案的分析本工程中采用的张弦梁形式比较独特，上弦为变截面的直梁，其跨度为48m，截面刚度相对较小，并采用整体吊装，整个施工过程中张弦梁结构的受力比较复杂，这种情况可以借鉴的施工经验就更少。此外，更需要注意的是张弦梁结构中下弦索的受力情况，它直接关系着结构的最终形态和安全性。分别对三类截面的张弦梁进行分析计算后，取最不利（即截面为：两端H700×250×20×36，中间H700×250×16×20）的进行说明。三部分索吊装，分别在两端和中间，每部分有三根索。计算模型及吊装时的变形图如下图3-4所示：图3-4吊装时的位移ANSYS计算结果显示，最大位移值点10002为张弦梁上弦最左端点，大小为4.78cm。跨中梁的最大起拱为3.1cm，考虑到实际施工中吊点处的偏心及其他施工误差，理论的计算值与实际起拱（9cm）有一定的误差，但理论分析与实际的总体的受力状态是基本一致的，所以此理论分析可以作为实际吊装时的参考。吊装时的轴力分布如下图3-5示：图3-5轴力分布图梁上弦内的轴力很大，其值为79kN，由于吊装时吊点布置的缺陷使得平面外的偏心很大，所以，轴力对上弦平面外的稳定性会有很大的影响。（实际吊装时平面外的最大变形为13cm）吊装时梁内的弯矩分布如下图3-6所示：图3-6弯矩分布图最大弯矩为220kN*m，对上弦平面外的稳定性会有很大的影响。面外稳定性计算如下，按压弯构件采用公式：偏保守进行计算，即：=315Mpa不会发生侧向失稳。吊装时梁内的应力分布如下图3-7所示：图3-7内力分布图梁内最大应力为31Mpa〈〈315Mpa。处于弹性范围内，故吊装过程中，梁不会产生弹塑性变形。综上所述，可采用此方法对此工程中的张弦梁进行整体吊装。3.3结构安装就位后的稳定性验算及解决方法张弦梁安装就位后，如果不采取任何措施便进行摘钩的话，截面较小的梁会有在自重和预应力下发生侧向失稳的危险，所以，当张弦梁安装就位后，在吊车摘钩之前，必须采用一定的措施防止其发生此类的失稳，对于吊装就位的第一榀张弦梁，需要在其下搭设塔架，塔架的布置与张弦梁在地面进行初张拉时搭设的胎架相同，这样，当吊车摘钩后，就位后的张弦梁的受力状态初张拉时的相似，不会发生上面所述的那种失稳问题。而对于其它榀的张弦梁，可在吊车摘钩之前安装部分次梁，将其与前一榀已经就位的张弦梁连接，起侧向支撑作用，防止张弦梁发生侧向失稳，为了减少吊车的占用时间，可先间隔安装部分次梁（即从左端起为第1，3，4，5，6，7，9处布置次梁），满足使张弦梁不发生侧向失稳的要求即可，然后摘钩，等所用梁吊装完成后再安装剩余的次梁和所用的水平支撑。按这种方法施工时，张弦梁上弦的面外稳定性计算如下：分别对三类截面的张弦梁进行分析后，取最不利（即截面为：两端H700×250×20×36，中间H700×250×16×20）的进行说明如下：计算模型如下图3-20示：图3-20计算模型ANSYS计算结果显示，结构的轴力分布如下图3-21示：图3-21轴力分布图张弦梁上弦内的最大轴力为193.8kN。梁内的弯矩分布如下图3-22所示：图3-22弯矩分布图最大正弯矩为237kN*m，最大负弯矩为209kN*m，若按间隔布置次梁（即从左端起为第1，3，4，5，6，7，9处布置次梁）进行计算面外稳定，两端的次梁间隔为8.4m，面外计算长度偏安全取8.4m*2＝16.8m，均取最大弯矩和轴力进行计算面外稳定性如下：按压弯构件采用公式：即：=315Mpa满足平面外稳定性要求。中间段由于截面较小，次梁间隔加密，为4.2m，面外计算长度偏安全取4.2m*2＝8.4m，均取最大弯矩和轴力进行计算面外稳定性如下：按压弯构件采用公式：即：=315Mpa满足平面外稳定性要求。综上所述，按照上述方法施工，张弦梁不会发生侧向失稳问题。3.4吊装机械及吊索的确定●吊车确定：经过结构吊装计算采用KH700-2150吨液压履带吊及LTM1160/2型汽车起重机（德国）进行吊装作业。150吨履带吊在臂长为39m；作业半径为8m；起重高度为40m；仰角为800时，起吊重量为68.7吨；160吨汽车吊在臂长为39m；作业半径为10m；起重高度为42m；起吊重量为36吨；而张弦梁起重重量G=张弦梁自重量+张拉索重量+铸钢件重量+扁担重量+吊索重量=22+1.6+3.3+3+0.6=30.5〈68.7吨，起重高度为38.5米；桁架梁自重30吨起重高度为38.5米；所以两种型号吊车均能够满足吊装要求。依据现场的实际路面承重情况进行了计算，计算结果完全满足150吨履带吊及160吨汽车吊的作业要求。●吊索确定：吊装用钢丝绳采用6×61直径66.5mm钢丝绳。钢丝绳破断拉力计算：Fg=0.5d2=0.5×66.52=2211.125KN吊装时钢丝绳受力计算：N=30.5÷2×9.8KN÷COS450=210.49KN钢丝绳安全系数查建筑施工计算手册表13-3可得K=8钢丝绳容许拉力计算：[FG]=aFg/K=0.82×2211.125/8=226.64KN>210.49KN。满足吊装要求吊装扁担设计扁担顶面形式扁担吊装时的受力及变形桁架的主钢管为三角形基本单元，和连接这些单元的水平弦杆支撑钢管为桁架顶面和斜面处的斜向支撑桁架主钢管采用168*12支撑钢管采用89*4强度均采用Q345B最后的分析结果为：吊装过程中，桁架中杆件的最大拉应力为160Mpa，最大压应力为102.86Mpa，均小于其屈服强度315Mpa，并基本处于弹性阶段，变形不大，满足吊装使用要求。3.5第一榀张弦梁安装就位后的支撑体系经验算，第一榀张弦梁吊装完成时，两端焊接好以后，钢梁自重产生的索力导至钢梁失稳，不能满足要求。为保证钢梁吊装时不至失稳，采用以下措施：zxl-3吊装时，在钢梁变截面处搭设独立架子两个，张弦梁直接放在两端支座和架体上，放置效果同地面拼装胎架。架体采用4000*4000*13.6m扣件是脚手架（满堂），楼板下采用同样的方法加固混凝土楼板实际工程现场施工图片如下图现场施工图第一榀吊装就位后支撑体系见下图两端支座中间搭架子中间搭架子梁端支座第一榀张弦梁吊装完毕后，用经纬仪在张弦梁的一端观察大梁的侧向弯曲，并对大梁侧向弯曲进行调整，将侧向弯曲矢高（）调整至小于L/1000且不大于10mm后，再进行柱脚的连接固定。然后立即吊装zxl-2,张弦梁就位后同时进行支座的固定，并连接zxl-2，zxl-3之间的次梁，连接好后吊车摘钩。4工艺流程及操作要点4.1施工工艺流程通过计算机对整个施工过程进行模拟分析，确定施工方案通过计算机对整个施工过程进行模拟分析，确定施工方案测量放线地面工作平台搭设张弦梁拼装张弦梁第一次张拉张弦梁吊装次梁安装张弦梁最终张拉竣工验收4.2操作要点拼装平台搭建及张弦梁现场拼装张弦梁及桁架为分段运输，需在现场进行拼装并进行第一次张拉后方可吊装。用28#槽钢搭设1000mm×1000mm×4000mm的拼装工作平台。拼接前先把平台底部基础夯实，用水平仪将各平台高度找平。然后张弦梁就位，张弦梁预拼好后，用水平仪及钢尺进行几何尺寸校对。平台承载力计算：平台采用28#槽钢作为平台柱四根28#槽钢的平面面积为A=40cm2×4=160cm2，张弦梁自重为220KN，每个平台承受的荷载为N=220KN/6=36.67KN即求得压应力为δ=N/A=36.67×1000N/160×100mm2=2.29N/mm2<[δ]=215N/mm2满足要求。张弦梁拼装、张拉胎架搭建方式等见下图。张弦梁对接完毕，首先应对拼接焊缝按设计及规范要求进行探伤，整体调直并采取必要的措施消除焊接应力。钢梁验收合格后，对号安装索体撑杆。撑杆安装完毕，应检查撑杆的安装质量：现场拼装图片见下图张弦梁整体吊装第一步吊装：张弦梁的安装顺序是从球形报告厅向两边进行安装，先安装A-J轴的张弦梁。现场拼装顺序及吊装顺序平面布置图如下：先进行H-J轴间、H轴、G轴、F轴张弦梁的吊装，采用150吨履带吊。如图所示，吊车在起吊H-J轴间张弦梁时，作业半径约16米，起杆高度39米，起重量为51吨，H-J轴间张弦梁自重为30.5吨，满足吊装要求。先进行H-J轴间张弦梁的吊装，用吊车把张弦梁从eq\o\ac(○,1)号位置垂直吊起，使张弦梁整体高度超过屋面高度后进行旋转，如eq\o\ac(○,2)号位置所示，旋转到eq\o\ac(○,3)号位置后进行就位，其它三榀梁也按此方法进行吊装。第一榀张弦梁吊装就位后用临时支撑体系固定，待第二榀张弦梁安装就位后用次梁进行连接使之形成稳定的空间体系。经过计算，次梁最少连接7榀后才能保证两榀张弦梁的整体稳定性，次梁连接布置图如下：第二步吊装：利用160吨汽车吊进行剩余张弦梁的吊装，因为汽车吊主臂可以自由伸缩，而履带吊的主臂是固定的不能伸缩。如上图所示将C、D、E轴先在所示位置拼装预张拉完毕，160吨汽车吊站在D轴的中间位置。用汽车吊先把C轴张弦梁垂直起吊22米(超过安装高度)后旋转到吊装位置，然后进行就位。起吊时，吊车距C轴张弦梁10米，160吨汽车吊作业半径10米，臂长39米时，起重量为36吨，C轴张弦梁全重16.5吨，满足吊装要求。如图所示把C轴张弦梁吊装就位后，再进行E轴张弦梁的吊装。E轴张弦梁起吊重量与C轴张弦梁相同，160吨汽车吊满足吊装要求。E轴张弦梁吊装就位后，把160吨汽车吊移动到C轴中心位置然后进行D轴张弦梁的吊装。安装完E轴的张弦梁后160吨汽车吊移动到L-U轴区域，进行另一侧Q轴、R轴、S轴张弦梁的吊装。5.材料与设备本工法无需特别说明的材料，采用的机具设备见下表。机械名称规格数量备注吊装机械设备汽车式起重机KH700-21150KH7700-21501台用于30吨钢桁架及张弦梁梁安装汽车式起重机LTM1160//21台张弦梁安装起重倒链5吨4个安装校正起重倒链3吨10个安装校正千斤顶10~20吨5个卡环5~15吨20个钢丝绳0.5~1.5iin若干条高强螺栓力矩器5把安装紧固梅花扳手若干套安装紧固张拉千斤顶YCN（20t）4张弦梁施加预应力力电动油泵ZB4-5004张弦梁施加预