大跨度曲线型悬垂钢梁及预应力斜拉索安装工法

大跨度曲线型悬垂钢梁及预应力斜拉索安装工法1.前言北京南站雨棚的建筑造型给结构设计及施工带来了极大的难度。结构设计师根据扇形屋面的几何形状及大跨度、大面积的屋顶特性，选用了美观，轻巧和独特的悬垂梁的结构形式，既保证了结构体系的安全可靠，同时满足了建筑美学的需要。中铁建工集团有限公司在施工中针对屋面悬垂梁钢结构的特点，进行分析研究，制订先进合理、安全可靠的施工技术措施，取得了成功经验。其关键技术通过了中国中铁股份有限公司有关专家的评审，并获得了中国铁路工程总公司科技进步特等奖。09年3月通过了中国铁道工程建设协会组织的评审，因此，总结形成本工法。2.工法特点2.1利用悬垂H型钢梁的抗拉刚度，使其像拉索一样以拉力来承受荷载，提高了结构承载能力，且比传统的直线或拱形钢梁节省用钢量约20％。2.2斜拉索用以减小悬垂梁计算长度，以确保其平面内的稳定性，只承受较小的拉力，直径很小，不会影响站场内景观。2.3斜2.6钢结构安装采用机械化作业，提高工效，保证质量。2.7本项技术的应用保证了雨棚双曲屋面的建筑效果，优化了整体结构的用钢量，实现了大跨度大空间的使用功能。3.适用范围本工法适用车站站房、车站雨棚、展览馆、体育馆等有大空间要求的公共建筑物,尤其适用于大跨度大空间钢结构屋面体系的安装施工。4.工艺原理北京南站雨棚结构屋面设计建筑造型为双曲面，屋面各类荷载通过H型图4-1拉索及悬垂主梁结构大样图悬垂梁分段加工制作，确保运输的正常进行，到施工现场后地面拼装成2-3个吊装分段，减少高空对接、焊接工作量。利用临时支撑托架安装悬垂梁，确保了在高空对接和焊接的施工质量，同时也保证了施工安全。利用固定在A塔上拉索耳板处的张拉装备，通过液压千斤顶将索缓缓拉紧，同时调节拉索自带的套筒来抵消索的伸长量，当索完全达到预张拉力设计值时，索的张拉长度也达到了设计值。以结构单元为施工单元按照制定的施工顺序进行施工，保证了悬垂梁及斜拉索结构受力性能及安装质量，满足设计及规范要求。5.施工工艺流程及操作要点5.1工艺流程悬垂梁地面拼装→临时支撑托架安装→悬垂梁分段吊装及空中对接→吊装次梁和斜撑→钢结构各节点坐标复核→调整斜拉索初始设计值→斜拉索吊装→斜拉索预紧、张拉→索力及结构变形同步检测→安装屋面板→索力及结构变形复测→拉索微调→钢结构杆件防腐处理。5.2施工要点：悬垂梁地面拼装：悬垂梁跨度较大，整体制作体型庞大，不便于运输，同时悬垂梁整根吊装挠度大，且对起重机功能要求高。为此根据每根悬垂梁的长度和重量，将每根悬垂梁进行分段制作，运输到现场后在地面拼装胎架上，将小段钢梁拼装成可吊装的分段，一般每根悬垂梁分为2～3个吊装段，再进行分段吊装。图悬垂梁地面拼装分段示意图临时支撑设置：在分段吊装的接口部位根据接口处悬垂梁的标高设置临时支撑托架，作为吊装时的支撑及悬垂梁的高空定位拼接平台。临时支撑托架采用型钢或钢管格构柱结构，在安装前要进行相应的工况分析，验算变形及承载力，确保支撑托架的质量和安全。悬垂梁临时支撑托架在设置时与悬垂梁下表面应采取必要的构造措施：如端头钢板等，以利于荷载分散及悬垂梁此分段点处标高的控制，避免对结构造成影响。具体见图：图—1临时支撑托架顶部构造图为防止支撑托架沉降，其支撑应设在混凝土面上，如遇软土地基要进行加固处理并在支撑下端铺垫比支撑截面稍大的路基箱板等设施。图—2图—3临时支撑托架底部构造图现场设置好的临时支撑悬垂梁及次梁、支撑结构单元吊装：悬垂梁安装根据结构受力特点划分成安装单元，每个安装单元由与A字型塔架柱相连的一根主梁和与其相邻的两根梁及与此三根梁之间的次梁等构件组成。以一个标准单元说明吊装的流程，首先完成本单元及下一个单元的塔架安装，同时在塔架间的环梁及边桁架也已安装完成；而后进行主梁吊装临时支撑托架的设置。安装流程见下图图——2悬垂梁吊装临时支撑托架设置（图一）分段吊装单元内中间两根主梁（图二）图——4按同样方式安装其余四根主梁（图三）安装悬垂主梁间的次梁及支撑（图四）悬垂主梁吊装技术要点：悬垂主梁分三段进行吊装时，先吊装与A字型塔架柱及环梁相连的两个端部分段，使其一端固定于A字型塔架（或环梁）上，另外一端放置于临时支撑托架上。利用该两段端头销接的结构特点，用全站仪分别对这两个吊装分段进行校正，将悬垂主梁整体直线度，跨中垂直度，控制点标高调整到安装设计值后，再将中间分段直接吊装就位，能有效的保证悬垂主梁的安装质量及精度；悬垂主梁分两段进行吊装时，两段依此吊装，并分别对两个吊装分段进行轴线及标高校正，再进行对接头焊接，最终确保安装精度。图-5采用履带吊分段吊装两端销接分段吊装屋面钢结构卸荷及测试为防止临时支撑托架拆除时,对悬垂梁结构体系产生变形影响，采取依次按单元拆除支撑的方式，即每完成相临两个悬垂主梁单元安装并形成局部稳定体系，开始进行第三个单元安装时方可拆除第一个安装单元下的支撑托架。为了保证结构体系的安全及变形量，拆卸时由一位现场总指挥负责拆卸过程的指挥与协调，现场工程师、监测人员、安全员、调度员等要紧密配合。在拆除临时支撑托架过程中应监测以下内容：1、临时支撑托架自身的变形监测；2、支以一个安装单元为监测对象，采用全站仪对悬垂主梁控制点的标高进行下挠监测。悬垂主梁临时支撑拆除之前，测量悬垂主梁中心点的临时支撑拆除前，测量悬垂梁中心点的三维坐标，与设计值比较，得出安装时的预抬升高度，待支撑拆除后进行复测，比较与设计值的误差同时计算悬垂梁下挠系数，作为后续工作的数据指导。表：一个安装单元内悬垂主梁中心点坐标实测值(单位mm)部位理论坐标临时支撑拆除前实实测坐标临时支撑拆除前实实测坐标差值（支撑拆除后与理理论值差值）XYZXYZXYZXYZZL21a90767-1256981620590767-1256991632290767-125700162160-111ZL22a90767-1772161552890766-1772171561290764-17721515535317ZL23a83900-1288741634683900-1288731645083900-128872163560210ZL24a83900-1820591549683902-1820591557483903-182060155113-115ZL25a77033-1337491645177033-1317501656077033-131750164600-19ZL26a77033-1864041545377034-1864031554377035-186402770462212斜拉索张拉1、斜拉索张拉装置每根拉索需要一套张拉装置。张拉设备采用预应力钢结构专用千斤顶和配套手压油泵、油压传感器、读数仪及专用千斤顶支撑架。张拉装置通过拉杆抱箍在拉索耳板上，抵抗张拉产生的上拔力。张拉装置图图5.2.5—1拉索张拉工装图2、斜拉索张拉顺序每榀悬垂梁单元依次由每跨的外侧往里侧对拉索进行张拉，第一跨张拉完毕后张拉第二跨。将结构内侧一跨的2至4个张拉组按两侧支座向跨中的方向依次施加张拉应力到100%σcon；再将结构外侧一跨的2至4个张拉组按两侧支座向跨中的方向依次施加张拉应力到100%σcon。将结构内拉索全部张拉完毕并待屋面板安装完毕后，对个别拉索进行微调。图5.2.5—2拉索张拉施工3、预应力钢索张拉测量数据的记录每次张拉，都需记录索力动测仪的读数和每组张拉设备中读数仪所显示的数值，其记录数值应当在允许范围内。张拉前后和张拉过程中须逐根测量预应力钢索调节端丝扣的外露长度。在受力为10%σcon时的调节端丝扣长度作为原始长度L0，第二级张拉完成后丝扣长度为L1，则钢索伸长值记为La=L1–L0。测得的钢索伸长值La与仿真计算得到的钢索理论伸长值Lt之间的差值△L应在理论伸长值Lt的允许范围内。4、斜拉索张拉控制斜拉索张拉采用双控：控制结构变形和内力，既保证在结构中建立有效的设计预应力，又控制关键节点变形，考虑到本结构整体刚度较大，并结合张拉方案，应以控制拉索应力为主。5、拉索张拉监测1）监测内容：施工阶段监测包括两部分内容，以预应力钢索的受拉应力监测为主，结构变形监测为辅。2）监控方法：采用油压传感器和索力动测仪对钢拉索进行索力检测。油压传感器安装于液压千斤顶油泵上，通过配套读数仪可随时监测到张拉设备施加给每根钢索的实际输出力值，以保证预应力钢索施工完成后的应力与设计单位要求的应力吻合。钢索完成张拉后用索力动测仪再次检测钢索受力，所测得的数据可为钢索预应力张拉提供辅助校核；同时用全站仪对钢结构的变形进行检测，用位移检测数据推算出预应力钢索的应力，结合施工仿真计算结果，为钢索预应力张拉提供辅助校核，以保证预应力施加满足设计要求。5.3劳动组织每个结构单元应配备一个作业班组，根据钢结构安装作业面和施工顺序，现场配备若干个作业班组。以拼装及焊接等高空作业为主，特殊工种需持有操作证，拉索张拉及检测由专业人员完成。每个班组作业人员配备如下表表5.3-1劳动力组织情况表序号工种职务人数职责1装配工8悬垂垂梁地面拼装装及高空安装装1安装工6拉索安装2起重工4所有构件吊装3焊工4悬垂梁等钢构件焊焊接4张拉工6拉索张拉5检测人员4索力检测6测量人员2安装测量7电工1现场用电管理合计356.材料与设备雨棚悬垂梁采用焊接H型钢梁，其它连接杆件均为焊接型钢，钢材材质均为Q345C；斜拉索索体采用两种规格：一种规格强度等级为1570MPa钢丝绳；另一种规格强度等级为1670MPa钢丝绳。均外包PE保护层。材料进场时必须提供合格的材质证明书。表6-1悬垂梁及斜拉索施工及测量机具设备表机械或设备名称型号/规格数量用于施工部位备注155T履带吊抚挖3悬垂梁吊装265T汽车吊QU651悬垂梁拼装325T汽车吊QU256次梁及支撑吊装4炮台车10-30吨4构件运输5CO2焊机CPX-35030现场焊接6交直流、两用焊机机ZXE1-3*5500/400020组高空焊接7全站仪TOPCON3台测量8超声波探伤仪EPOCHLTT3台焊缝探伤9调频通话机5km通话能力40部协调施工10千斤顶及配套油泵泵230kN/3880v/7550w6组包括6个千斤顶、6台手手压油泵11钢-4套张拉工装设备12专用反力架-4套张拉工装设备13专用加工扳手-4套用于拧紧索体上螺螺帽14套-6套用于控制张拉力15索力动测仪JMM-2681套监测钢拉索应力7.质量控制7.2在施工场地内设置的悬垂梁拼装胎架，在拼装前应根据构件的尺寸形状由测量人员对胎架进行测量抄平。7.3各构件焊接现场时应根据各类构件吊装前后顺序及构件在整个结构体系中的位置，采取合理的焊接顺序，避免焊接应力产生的变形。7.4斜拉索张拉时按标定的数值进行张拉，用伸长值和油压传感器数值进行校核。7.5拉索张拉时严格按照操作规程进行，控制给油速度，给油时间不应低于0.5min。7.6张拉设备形心应与预应力钢索在同一轴线上。7.7实测伸长值与计算伸长值相差超过允许误差时，应停止张拉，报告工程师进行处理。8.安全措施8.1在施工作业前，要进行安全技术交底、安全培训，特殊工种必须持证上岗等；现场吊装、焊接、切割、打磨等各道工序要严格执行安全操作规程；进入现场必须佩带好安全帽，高空作业人员必须系好安全带，并应佩带工具袋，工具应放在工具袋中不得放在钢梁或易失落的地方，所有手工工具（如手锤、扳手、撬棍），应穿上绳子套在安全带或手腕上，防止失落伤及他人。8.2作业前必须检查作业环境、吊索具、防护用品。必须确定吊装区域，并设警戒标志，派人监护。确认安全后开始作业。吊用工具和钢丝绳，必须有足够的安全系数，一般不得小于5-6倍。安装大型构件时，风力六级以上(含六级)等恶劣天气，必须停止吊装作业。8.3钢结构杆件接头高空连接时，在接头处应搭设防护作业平台或脚手架，并配备三防布用于防风、防雨，高空作业平台搭设的脚手板要牢固扎紧。如果杆件有足够的宽度，可在两侧设置防护栏杆，作为操作人员施工通道。8.4严格执行各类防火防爆制度，在焊接作业区，必须配备足量的消防器材，还应设置接火盆。电焊、气割作业应按办理动火审批手续，严格遵守十不烧规定。8.5工地电气设备，在使用前应先进行检查，如不符合安全使用规定时应及时整改，合格后方可使用，严禁擅自乱拖乱拉私接电气线路。8.6在四外临空的高空作业时，可搭设挑脚手架，严格控制施工荷载不得超过1kN/m2,并设置防护栏杆，操作面下方按规定搭设水平安全网。8.7预应力钢索吊运时应按工地塔吊的吊装规定，将预应力钢索绑扎牢靠，体积重量不得超载；预应力钢索解捆时，应防止钢索弹开伤人。8.8张8.9油泵与千斤顶的操作人员必须紧密配合，只有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，密切注视油表读数，张拉到位或缸体到最大行程时，需及时回油，避免油压瞬间增大，造成缸体爆裂伤人。9.环保措施9.1粉尘控制措施场区未硬化的地面，要压实地面和定期洒水，减少灰尘对周围环境的污染。禁止在施工现场焚烧有毒、有害和有恶臭气味的物质。严禁向建筑物外抛掷垃圾，所有垃圾装袋或装桶投入指定地点并及时运走。运输车辆必须冲洗干净后方能离场上路行驶；驶离现场前必须对车厢进行检查防止裸露现象。9.2噪音控制措施编制施工方案时，应采用低噪音的工艺和施工方法，施工方案实施前必须经过环境保护小组的审核。合理安排施工工序，晚间十点以后禁止进行产生噪音的建筑施工作业。进入施工现场内的车辆、所有场内施工用机械设备不允许鸣笛；地面和高层的联系采用对讲机；工人施工时禁止大声喧哗。在钢锤等打击工具上加设橡胶垫，以减少钢结构施工中拼装、对接等工序的噪声释放；起重工指挥到位，起重设备驾驶员按指挥信号轻起轻放，避免构件吊装时的噪声过大。施工场地外围进行噪音监测，对于一些产生噪音的施工机械，应采取有效的措施，减少噪音，如切割金属和锯模板的场地均搭设工棚、设置隔音屏以屏蔽噪音。9.3光污染控制措施电焊、金属切割产生的弧光必须采用围板与周围环境进行隔离，防止弧光满天散发。现场围墙上布设的灯具原则上不得超过围墙高度；塔吊及周围场地照明的大镝灯必须调整照射方向向场内，不得直接照射到居民住宅区，施工场地外围的照明采用柔光灯，不可采用强光灯具。9.4现场防污染控制措施现场使用的油料必须设置专人进行保管，防止产生油料扩散现象；现场摆放的易扩散油料或施工用料必须进行密闭储存，防止扩散。机械修理等地方必须于地面上采取木板等进行铺垫，防止污染地面。现场垃圾实行分类管理，设置足够的垃圾池和垃圾桶，建筑垃圾集中堆放并及时清运。现场禁止焚烧油毡、橡胶等会产生有毒、有害烟尘和恶臭气体的物质。化学物品，外加剂等要妥善保管，库内存放，防止污染环境。10.经济效益等分析悬垂梁及斜拉索的安装施工技术，工艺先进、技术合理，有效的解决了现场施工的诸多技术难点，产生了良好的社会及经济效益。10.1经济效益方面：雨棚悬垂梁钢结构与传统曲线型钢桁架结构相比，节约用钢量约20％；与同类钢结构安装方法相比，临时工装支撑用量节约11％；通过采用先进合理的施工技术，使北京南站钢结构提前十天完成封顶工作，降低了成本，经测算本工法累计节约各项工程费用逾400.0万元。10.2环保和节能效益方面：1、环保方面：曲线型悬垂钢梁及斜拉索由钢材材质制作，符合国家绿色建筑的要求，工程建设时减少了对当地环境的影响。2、节能方面：曲线型悬垂钢梁及斜拉索技术实现了大跨度空间的要求，相比同等条件下的其他结构形式的建筑，在用材、通风、照明等方面更加节省能耗。10.3社会效益方面：由于曲线型悬垂钢梁及斜拉索技术集装饰性、实用性于一体，在保证结构受力的同时，也很好的体现了北京南站雨棚结构扇贝建筑造型的