柔性预应力钢结构施工工法

目录HYPERLINK\l"_Toc122982481"一、预应力工程施工技术特点2HYPERLINK\l"_Toc122982482"二、柔性钢结构安装技术3HYPERLINK\l"_Toc122982483"1、施工前进行仿真计算4HYPERLINK\l"_Toc122982484"2、采用支撑架改变结构的状态4HYPERLINK\l"_Toc122982485"3、使用先进仪器进行观测5HYPERLINK\l"_Toc122982486"4、钢管梁的预变形5HYPERLINK\l"_Toc122982487"三、预应力索施工程序6HYPERLINK\l"_Toc122982488"1、中庭索桁架索体施工流程6HYPERLINK\l"_Toc122982489"2、玻璃桥索体施工流程6HYPERLINK\l"_Toc122982490"3、预应力索对钢结构的安装精度的要求7HYPERLINK\l"_Toc122982491"4、预应力索放索与吊装8HYPERLINK\l"_Toc122982492"5、预应力索安装9HYPERLINK\l"_Toc122982493"6、预应力索张拉9HYPERLINK\l"_Toc122982494"7、中庭屋顶下弦主索张拉监测方案16HYPERLINK\l"_Toc122982495"8、附图17柔性预应力钢结构的施工工法一、预应力工程施工技术特点本工程所涉及的预应力工程为预应力钢结构。预应力钢结构工程具有施工难度大、施工前期准备工作量大的特点，因此为使本工程达到设计质量要求，确定本工程技术要点如下：1、预应力钢结构的施工的技术要点体现在制索、挂索和预应力钢索张拉过程中。虽然制索在工厂内完成，但制索的精度应在施工技术设计中得到计算和控制。一些在制索过程中无法达到的精度或产生的误差宜在施工过程中通过相关的技术手段进行弥补；2、施工技术设计中应确定施工顺序，尤其是制索和预应力过程的顺序。这里所谓的预应力过程是指施加预应力的过程。对预应力钢结构预加预应力的过程应根据具体的结构类型分别采用改变刚性杆件或柔性索的长度等方法。本工程采用改变柔性索长度的方法，即张拉柔性索。对结构施加预应力，使预应力能够分布到整个结构，达到预应力的目的，这个预应力过程必须与设计的预应力施加过程相一致。实际的预应力施加过程作为非线性叠加步加以分析，而对于预应力钢结构来说尤其要区分其初始几何状态和预应力状态。因为在有些预应力钢结构初始几何的张拉过程与施加预应力过程并不一致，这时预应力过程必须根据实际的设计情况加以区分，即首先完成曲线或曲面的张拉过程，再考虑为结构提供刚度的过程。如果这两个状态不一致时，预应力施加过程是不能一气呵成的。简言之，张拉结构的施工技术设计的主要内容就是确定预应力过程的次序、步骤、采用的机械设备、每次预应力过程的张拉量值，同时控制结构的形状变化，因为结构的形状是与预应力分部相匹配。3、张力结构的施工技术设计应规定预应力过程的速率。因为在每一阶段预应力过程中，结构都经历一个自适应的过程，结构会经过自平衡而使内力重分布，形状也随之改变，所以预应力过程的监控十分重要。施工技术设计中应规定监控的指标和参数。本工程中将采取可靠的监测手段，对钢结构的变形和预应力钢索的受力进行实时监测，以确保结构施工期安全，保证结构的初始状态与原设计相符。4、张拉结构的施工技术设计还应规定结构的其他荷载，如屋面荷载、悬挂荷载的施加步骤和方法，尽可能均匀、对称、匀速地施工，避免出现过大的集中荷载。二、柔性钢结构安装技术在施工中我们针对结构铰支座多、施工状态下结构本身空间稳定性差、结构容易变形、预应力索对钢结构安装精度要求高、屋面荷载逐步增加等特点，和北京市建筑工程研究院预应力技术研究所进行技术合作，制定了相应的应对措施：1、施工前进行仿真计算施工前由预应力技术研究所利用有限元计算软件进行预应力钢结构的施工仿真计算，对各种工况下结构变形值、稳定性，以及由此产生的影响进行了大量细致的计算和分析，为施工中重要环节（预应力＋桁架自重、预应力＋桁架自重＋屋面恒载及设计荷载三种工况）控制措施的制定提供了详细的理论依据。2、采用支撑架改变结构的状态钢管梁及其支撑柱所组成结构的立面属于四边形结构，而且在四个支座中有三个铰支座，属于几何可变体系，没有任何刚度可言，因此我们针对柔性结构的特点，并结合现场实际情况，用脚手架搭设支撑架对钢管梁进行多点支撑，使结构由柔性变成稳定，解决了钢梁下挠，同时利用满堂脚手架较好的稳定性，把高端柱附着在脚手架上，解决了高端柱的稳定，垂直度得到了很好的保证，在本工程中基本没有使用揽风绳。采用这种方法使结构始终处于可调整状态，这种状态一直保持到屋面所有结构安装完毕。3、使用先进仪器进行观测根据全站仪具有坐标观测和激光测距的性能，采用极坐标法进行点对点的监控，减少了中间环节，保证了安装精度，为主索的安装提供了良好的平台。4、钢管梁的预变形根据仿真计算的结果，柔性结构如果事先不采取措施最终的变形会很大，因此在详图深化设计过程中就对钢管梁进行了反拱处理，每根钢管梁最大反拱值在25~97mm之间，为保证结构外形美观，反拱采用圆弧方式，反拱曲率半径为1500mm。在安装时由于钢梁上每个位置的反拱值各不相同，因此事先用CAD放样计算出拼装点处的反拱值作为拼装过程中标高控制的依据。结构最终变形和设计状态吻合的非常好。三、预应力索施工程序本工程包含玻璃桥部分及中庭索桁架部分。中庭索桁架部分既有屋面索又有下弦索，玻璃桥部分只有下弦索。1、中庭索桁架索体施工流程预应力钢索制作预应力钢索制作运至现场并牵引展开吊至所在区脚手架上钢桁架及铸钢件安装挂索就位(下弦索和屋面索)张拉屋面索张拉下弦索施施工仿真计算校核力矩扳手监测钢索应力水准仪监测上弦钢管变形传感器监测钢索应力水准仪监测上弦钢管变形屋面玻璃安装钢桁架在加工厂内进行预拼装2、玻璃桥索体施工流程预应力钢索制作预应力钢索制作运至现场并牵引展开钢桁架及铸钢件安装挂索安装就位张拉下弦索传感器监测钢索应力桥面玻璃安装钢桁架在加工厂内进行预拼装3、预应力索对钢结构的安装精度的要求由于索体的安装精度很高，索体长度的调节量只有3到4厘米，因此为了保证整个结构的安装精度，需要在把分段制作完成的桁架在工厂内进行预拼装。同时到现场后主桁架及中柱在复核完节点板销孔间索体实际长度前严禁进行最终焊接。钢结构的制作误差应该控制在±5mm。由于在实际测量节点板销孔间距离时，钢尺在1～11号桁架只能紧贴铸钢件，因此实际测量的长度要比索体长度短，经过计算，每根钢索的测量长度为：桁架编号长索下料长度(mmm)短索下料长度(mmm)直径(mm)长索测量长度(mmm)短索测量长度(mmm)13438434299463435834276234095338434634069338203334413302046334153299743244431853423242031831531022302624230999302406292452831042292222828772712026010362710025988824556232713624536232499216032014536215832012210188391719730188221717311151211333930151031331112～13号桁架为碟形铸钢件，销孔间的距离即为钢索长度。桁架编号直径(mm)A测量长度(mm))B索测量长度(mmm)C索测量长度(mmm)D索测量长度(mmm)12306248420962882435133025213547253117604、预应力索放索与吊装①中庭⑴在施工现场准备3米×40米的楼面以满足索体放盘所需的空间要求；⑵针对索盘内径、外径、高度、重量等参数提前加工放索架并运到现场；⑶塔吊将预应力索吊起安放至放索架上；⑷在地面开盘放索，放索采用人工牵引放索。放索由一端向另一端牵引。为防止散盘，对转盘设置刹车和限位装置。为防止索体在移动过程中与地面接触，，索头用布包住，在地面沿放索方向铺设一些圆轴承，以保证索体不与地面接触。⑸除部分长度短且质量轻的索体采用人工方式搬运，大部分预应力拉索需塔吊配合吊装到位。吊装应在钢结构安装前进行。吊装时使用钢管作扁担辅助吊具。②玻璃桥对于玻璃桥部分下弦索及中庭索桁架屋面索，由于大都较短（6米左右），吊装及安挂时不需特殊辅助设备，采取人工和手动工具常规做法即可。5、预应力索安装①脚手架支撑和铺索马道示意见附图一、二、三。②中庭索桁架安装步骤⑴安装钢桁架主梁⑵桁架主索吊装到脚手架上；⑶安装中柱及铸钢件，复核索体长度后，进行钢桁架主梁及中柱的最终焊接；⑷安装下弦索；⑸安装屋面索；⑹一个施工区索体及钢桁架全部安挂完毕；⑺张拉完成分区内的索、安装其他分区索。③玻璃桥索安挂步骤⑴一组钢桁架刚性杆件安装完毕；⑵挂接下弦索；⑶一段玻璃桥安挂完毕，张拉调直。6、预应力索张拉①中庭索桁架屋面索张拉钢桁架安装每完成一个分区即可张拉该分区索，先张拉屋面索再张拉下弦索。分区的原则是以抗震缝为分区边界，共分为五个区，如下图： 屋面索主要承担联系的作用，设计计算要求通过张拉使索调直、不松弛，张拉力为5kN±0.5kN；使用专用力矩扳手完成。张拉控制原则为张拉力达到设计值，力矩扳手显示控制张拉力的大小。张拉分三次，第一次按张拉设计值依设计顺序拧紧，由于各索之间的相互影响，全部拧紧一遍后，进行第二次张拉，第二次主要是微调为主，第三次张拉为中庭下弦主索张拉完成后，对屋面索按设计值进行校核。张拉时从中间向两端对称顺序张拉。②中庭索桁架下弦索1）张拉设备的选用计算索张拉时，张拉力约26t左右，每根索需要两台千斤顶，4榀（8根索）同步，故选用16台23t千斤顶。2）预应力钢索张拉前标定张拉设备张拉设备采用北京市建筑工程研究院研制的预应力钢结构用千斤顶和配套油泵、油压传感器及千斤顶支撑架。根据设计和预应力工艺要求的实际张拉力对油压传感器进行标定。标定书在张拉资料中给出。3）张拉时的技术参数及控制原则下弦主索张拉时的控制原则为：索力控制为主，伸长值控制为辅。根据结构设计图纸（S0.01～S2.15）及2005年2月9日三杰施工详图（A1、2、3、4～N1、2、3、4及JRJ-LT-1～JRJ-LT-32）的结构与索体参数，及在6月11日报设计院的计算书，得出的结构预应力张拉值和变形如下，索体编号见文件最后的附图四：桁架编号索体编号索长(mm)张拉力(kN)伸长值(mm)11A34384222±12（49±6）＋δ21B34299222±12（49±6）＋δ32A34095220±12（49±6）＋δ42B33843220±12（48±6）＋δ53A33441217±12（47±6）＋δ63B33020217±12（47±6）＋δ74A32444165±10（46±5）＋δ84B31853165±10（46±5）＋δ95A31022152±10（44±5）＋δ105B30262152±10（44±5）＋δ116A29245120±8（42±5）＋δ126B28310120±8（42±5）＋δ137A27120120±6（42±5）＋δ147B26010120±6（42±5）＋δ158A24556118±6（40±5）＋δ168B23271118±6（40±4）＋δ179A21603118±6（38±4）＋δ189B20145118±6（38±4）＋δ1910A1883974±4（31±3）＋δ2010B1719774±4（28±3）＋δ2111A1512174±4（23±2）＋δ2211B1333973±4（21±2）＋δ2312A624868±4（5±1）＋δ2412B420972±4（4±1）＋δ2512C628872±4（5±1）＋δ2612D243572±4（3±1）＋δ2713A252155±3（2±1）＋δ2813B354765±3（3±1）＋δ2913C253155±3（2±1）＋δ3013D176055±3（2±1）＋δδ综合考虑钢结构安装及施工误差因素而导致的伸长值改变，参照钢结构施工有关规定，定为±13mm施工控制原则为：张拉时以张拉力作为主要控制要素，伸长值控制为辅。主索张拉力和伸长值为预应力钢索施工记录内容。索力及伸长值施工误差如上表。4）张拉的防护为了防止在张拉时对中柱产生的附加弯矩的不利作用，在高端主梁与中柱间设置临时约束，在张拉下弦主索完成后去除，如下图：5）第一个分区的张拉选择第一个分区作为试验架，施工前用仿真模拟张拉工况，以此作为指导试张拉的依据。试张拉逐级加载分成3级，分别为0.3、0.65、1.05σcon。张拉时千斤顶的移动顺序如下：⑴先张拉中间4榀（8根索，下图中1和2位置处索），⑵在张拉力达到第一级后，将2位置处的千斤顶移动到3位置处⑶进行3位置处索第一级力的张拉；⑷在3位置处索张拉完成后，将3位置出的千斤顶移动到2位置；⑸对各种检测数据进行读数；⑹进行中间4榀（8根索，下图中1和2位置处索）的第二级张拉；⑺如此反复完成三级张拉。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。6）正式张拉正式张拉前，张拉设备和工具等辅助设备全部准备及加工到位运至现场。张拉时，服从统一指挥，按张拉给定的控制技术参数进行精确控制张拉。张拉的标准作业程序为：安装千斤顶，测量读数安装千斤顶，测量读数张拉至0.3Tcon，测量读数张拉至0.65Tcon，测量读数张拉至1.05Tcon，测量读数必要时个别调整张拉2到5分区的张拉顺序参照第一分区的张拉顺序，具体见下图：7）预应力钢索张拉测量记录张拉前可把预应力钢索在受力为5kN时的调节头长度作为原始长度，当张拉完成后，再次测量调节头部分长度，两者之差即为实际伸长值。除了张拉长度记录，还应该对油压传感器测得拉力记录下来，以对结构施工期行为进行监测。8）张拉质量控制方法和要求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；认真检查张拉设备和与张拉设备相接的钢索，以保证张拉安全、有效；张拉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；张拉设备形心应与预应力钢索在同一轴线上；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。③玻璃桥索下弦索张拉玻璃桥索张拉力较小，采用千斤顶进行张拉。张拉时的控制原则为张拉力达到设计值。位于同一个铸钢节点处的4根索相互协调对称同时张拉。张拉也分二次张拉，第二次主要是微调为主。玻璃桥施工控制原则为：张拉时以索体能够达到绷紧作为主要控制原则，即主索张拉力为5～10kN，此时索体应该处于绷直状态。张拉力作为预应力缆索施工记录内容。张拉时从中间向两端对称顺序张拉。7、中庭屋顶下弦主索张