张弦钢梁施工技术与应用

张弦钢梁施工技术研究与应用【摘要】：本文结合神华技术创新基地职工健身楼（303#）单向张弦梁屋盖的实际情况，介绍单向张弦粱的施工技术，详细阐述了拉索安装及分级张拉的主要控制要素。通过实际来剖析本工程施工方法的经济性和合理性。【关键词】：单向张弦粱，分级张拉，索力和变形。一、张弦梁简述张弦粱结构由撑杆连接抗弯受压构件和抗拉构件而形成的自平衡体系，其结构特点是上弦刚性构件（或结构）受弯，与下弦柔性索受拉，撑杆为受压二力杆，该结构通过撑杆减少拱弯矩和挠度的同时，由弦抵消拱端推力，优化结构内力状态，提高结构刚度，控制结构外形尺寸（矢高或跨度等），充分发挥拱结构的受力优势和高强索的抗拉性能，从而实现大跨结构。将单向张弦粱平行布置，通过侧向支撑横向连接，即形成单向张弦粱结构。本文通过对某单向张弦粱屋盖结构施工过程中相关问题进行探讨，并提出应注意的事项，以期引起大家对同类结构相似问题施工的关注。二、工程概况及特点难点本工程为本工程为北京低碳清洁能源研究所及神华技术创新基地职工健身楼（303）工程。建筑面积约为11745.2㎡；地上一层，地下一层；建筑高度：13米；建筑类别：多层民用建筑；建筑结构形式为钢筋混凝土框架剪力墙结构和钢屋盖两部分组成，张弦梁屋盖由格构式拱、撑杆及预应力拉索组成，跨度42m，单榀结构间距8.4m。屋盖由8榀张弦梁由侧向支撑横向连接组成长58.8m的空间体系。格构式拱张弦梁由上弦刚体、下弦索及其之间的撑杆构成。撑杆长度2.005m-4.2m，拱上弦采用□800x450x12x25方钢管，撑杆采用∅203x6，拉索为121∅5外包双层PE1770Mpa/1670MPa级半平行钢丝束，两端为热铸锚。图1张弦梁ZXL1立面图图2张弦梁ZXL1立面图本工程施工特点及主要技术如下：（一）钢拉索采用半平行钢丝束拉索，为八折线线形。拉索长度和索夹标记位置能否精确确定，保证撑杆的竖直位置，是影响张拉结果的重要因素。（二）拉索张拉控制包括力和形两部分。力主要为索力、关键钢构内力以及支座反力等；形主要为：跨度、矢高和关键构件的空间姿态。根据本工程特点，设定拉索张拉控制原则为：第一阶段拉索张拉，主控结构跨度与设计图纸一致；第二阶段拉索张拉，主控索力与设计要求一致。图3张弦梁三维图三、主要技术措施和施工方法（一）施工步骤单榀张弦梁拼装-单榀张弦梁初级张拉-单榀张弦梁整体吊装-横向杆件连接-单榀张弦梁第二级张拉（至少6榀连成整体）-屋盖结构体系完成-局部索力微调。（二）施工措施和施工方法1、施工顺序（1）在地面胎架上按照施工图尺寸拼装张弦梁，拉索第一阶段张拉。应保证拉索张拉力平衡结构支座侧推力，控制结构跨度与施工图一致。（2）整榀吊装张弦梁至设计位置，并与预埋板连接就位。（3）安装张弦梁之间的连系构件，保证张弦梁的平面外稳定。（4）安装纵向连系构件等屋面系统。按照设计索力进行第二阶段拉索张拉。2、张拉主要控制要点（1）张拉顺序分两阶段张拉第一阶段：在地面上单榀张弦梁安装完毕后张拉。第二阶段：在张弦梁整榀吊装至设计位置上，相连连系构件安装，支座就位，且连续6排张弦梁安装就位后张拉。单榀张弦梁一端张拉。在第一阶段，单榀张弦梁为一张拉批次；在第二阶段，同排的两榀张弦梁为一张拉批次。同批次拉索张拉时应逐级施加拉力，分五级张拉程序：预紧->25%>50%>75%>90%>100%。（2）张拉控制拉索张拉控制采用双控原则：控制索力和变形。第一阶段张拉时，以控制张弦梁跨度为主，控制目标为：结构跨度与设计支座跨度一致。第二阶段张拉时，以控制索力为主，控制目标为：张拉锚固后的索力达到施工分析理论张拉力。（3）张拉时支座条件第一阶段张拉时，张弦梁拉索固定端的支座固定，而拉索张拉端的支座允许滑动。第二阶段张拉时，张弦梁两端支座就位，达到设计要求。（4）张拉过程分析模拟张拉过程，进行施工全过程力学分析，预控在先。3、拉索现场施工成品索现场施工内容主要包括：安装和张拉。主要为：拉索展开-->拉索安装，索头临时锚固-->测量索端节点安装误差-->调整被动索长，并锚固就位-->张拉主动索，并锚固就位。1)拉索的安装对于被动张拉索，应根据制作索长误差和索端节点安装误差调整索长，随即将被动索的索头与端节点连接就位；对于主动张拉索，为便于被动索的安装，可先适当先放长，待被动索安装完毕后，随即预紧主动索。对于单榀张弦梁，先安装撑杆，再安装拉索和索夹；按照制索时在索体表面的索夹标记，将索夹与索体固定连接；拉索安装顺序：工厂里拉索在初始预张力条件下，按照有应力长度进行生产，并在拉索索皮表面标记索夹位置→拉索运输至现场→开盘放索→安装撑杆→挂索，将拉索两端索头与端节点临时连接→按照拉索表面的索夹标记，将索夹与拉索索体连接，并拧紧固定→预紧拉索，准备张拉。2）钢丝束拉索开盘在放索过程中，因索盘绕产生的弹性和牵引产生的偏心力，索开盘时产生加速，导致弹开散盘，易危及工人安全，因此开盘时注意防止崩盘。外包PE索的柔度相对较好，在开盘拉索展开过程中外包的防护层不除去，仅剥去索夹处的防护，在牵引索安装索球张拉索的各道工序中，均注意避免碰伤、刮伤索体。3）拉索施工操作平台采用型钢（如角钢和槽钢等）焊制拉索安装和张拉所需的操作平台。操作平台不仅要便于拉索施工，也要保证施工安全性。图4张弦梁张拉操作平台示意图4）撑杆安装搭设拉索临时安装支撑架，用吊机或手动葫芦将地面编好号的撑杆逐根吊起，将撑杆上节点与刚构相连。5）拉索及索夹安装拉索在地面展开后，将拉索调节装置尽量放长，用牵引设备或吊机辅助将索头牵引靠近索端节点，并临时固定。逐渐缩短调节装置，使索体上抬靠近撑杆下端。在索体上安装挂篮，施工人员站在挂篮内，按照索体表面的索夹标记位置，从中间对称向两侧依次固定索夹。索夹的螺栓应一次性拧紧。图6张弦梁挂索6）拉索及撑杆安装注意事项撑杆下料时严格控制精度，安装前按实际位置对每根撑杆编号。应仔细核对刚构节点的位置和方向，特别要注意与拉索索头相连节点的耳板方向。在工厂里对拉索进行严格编号和精确标记。按照初始预张力和各索段长度，在索皮上标记索夹的位置以及索头螺杆的位置。安装前尚需量测实际关键节点的安装偏差，根据这些标记和节点安装偏差，在现场进行拉索及索夹的安装，并调节索长。这样既便于实际安装，更重要的是为了撑杆下节点索夹的精确定位和拉索初始态索长的确定。拉索安装前，需对径向钢拉杆调节套筒、环索连接棒等涂适量黄油润滑，以便于拧动。7）拉索的张拉张拉前的准备工作根据钢结构安装方案和拉索施工方案，进行施工过程的精细化分析，掌握施工过程的结构状态和结构特性，为拉索施工提供参数（如拉索施工张拉力），为施工监测提供理论参考值，确保施工安全。拉索张拉前网壳主体钢结构应全部安装完成，合拢为一整体。检查构件之间以及支座连接就位，考虑张拉时结构状态是否与计算模型一致，以免引起安全事故。直接与拉索相连的节点，其空间坐标精度需严格控制。节点上与索相连的耳板方向也应严格控制，以免影响拉索施工和结构受力。将阻碍结构张拉变形的非结构构件与结构脱离，如主动将钢拱和支撑架脱离。拉索安装前，需对拉索张拉调节装置涂适量黄油润滑，以便于拧动。拉索张拉设备须配套标定。8）主动张拉点单榀张弦梁一端张拉。第一阶段以单榀张弦梁为一批次，第二阶段同排的两榀张弦梁为一张拉批次。理论施工张拉力，考虑预应力锚固损失，超张拉系数取1.05，则实际施工张拉力为理论施工张拉力乘以超张拉系数。9）张拉机具（1）张拉工装和设备张拉工装和设备包括：液压千斤顶、油压表、油泵、油管、张拉螺杆、反力架等，见下图。图7张弦梁夹片式热铸锚双千斤顶张拉工装示意图（2）千斤顶型号选用YC70T型千斤顶进行张拉（一个张拉点的两台千斤顶的张拉力能达到140T），考虑到现场可能的需要，备用若干台YCW100B型千斤顶。张拉设备使用施加预应力所用的机具设备及仪表由专人使用和管理，并定期维护和校验。进场后，对千斤顶和压力表进行配套标定，确定压力表和张拉力之间的关系曲线。标定在经主管部门授权的法定计量技术机构定期进行。张拉机具设备与锚具配套使用，根据索的类型选用合适千斤顶及油泵，进场后，试运行确保正常后，方可调至工作台面。对长期不使用的张拉机具设备，在使用前进行全面校验。使用时千斤顶要与其对应标定好的油压表配套使用，不能混淆乱用。严格按照标定记录，计算与拉索张拉力一致的油压表读数，并依此读数控制千斤顶实际张拉力。.张拉机具按顺序安装好以后，尽量使千斤顶的张拉作用线与索的轴线重合一致，以使受力合理。千斤顶张拉过程中，油压应缓慢、平稳。对于有调节装置的拉索，应边张拉边旋转调节装置。张拉过程中，每个张拉点由一至两名工人看管，每台油泵均由一名工人负责，并由一名技术人员统一指挥、协调管理，拉索张拉过程中应停止对张拉结构进行其它项目的施工。拉索张拉过程中若发现异常，应立即暂停，查明原因，进行实时调整。10）张拉应急措施1）索张拉的风险主要有：（1）张拉过程不同步；（2）张拉后结构变形、应力、伸长值与设计计算不符；（3）张拉后支座位移发生较大偏移。张拉过程不同步由于张拉没有达到同步，造成结构变形，可以通过控制给泵油压的速度，使索力小的加快给油速度，索力比较大的减慢给油速度，这样就可以到达同一根索的索力相同的目的。张拉时结构变形、伸长值预警某根索张拉结束后未达到设计力，可以通过个别施加预应力进行补偿的方法。如果结构变形、伸长值与设计计算不符，超过20％以后，应立即停止张拉，同时报请设计院，找出原因后再重新进行预应力张拉。找出原因后再进行张拉。张拉后支座位移发生较大偏移张拉前应比较张拉时结构支座布置及约束情况是否与设计模型相符，应尽量避免由于索张拉造成结构支座发生较大的偏移。如果张拉后支座的确存在较大的偏移，应组织相关单位讨论解决。11）拉索施工监测拉索预张力施工过程是个动态的结构状态变化过程，是结构从零状态向成形初始态转变的过程。由于钢构安装误差、拉索制作、安装和张拉误差、分析误差以及环境影响等原因，实际结构状态与分析模型是有差异的。因此，有必要对拉索预应力施工过程予以监测，对比理论分析值和实际结构响应的差异，即时掌握各关键施工阶段的结构状态，保证拉索施工全过程处于可控状态，保证施工过程结构安全，为下阶段施工和最后的施工验收提供依据。监测内容和监测点预应力钢结构拉索预应力施工常规监测内容包括：索力和关键节点位移。（1）索力监测对于正在张拉的主动张拉索的索力控制采用在有资质的实验室与油压表进行配套标定的千斤顶(2)位移监测仪器—全站仪全站仪是目前在大型工程施工现场采用的主要的高精度测量仪器。全站仪可以单机、远程、高精度快速放样或观测，并可结合现场情况灵活地地避开可能的各种干扰。采用全站仪可直接由控制点进行三维放样，可达到很高的精度效果。全站仪百分表（3）测量时机设计所提供的每个施工节段的相应标高和其它变形值，一般是基于某种标准气温下的设计值，而大型结构往往跨季节、跨昼夜施工。温度变化，特别是日照温差的变化对于结构变形的影响是复杂的，将温差变化所引起的结构变形从实测变形值中分离出来相当困难。因此，应尽量选择温度变化小的时机进行测量，力求将温度、日照对施工控制的影响降低到最小限度。对一些大型结构温度影响的测试表明，在气候条件最不利的夏季，凌晨日出之前的气温较均匀，且最接近季节平均气温，是测量的较好时机。目前，温度对大型结构控制的影响很难精确地描