工艺工法QC预应力弦支穹顶结构施工工法附图丰富

/预应力弦支穹顶结构施工工法xxxx集团有限公司1.前言随着奥运工程、世博工程、亚运工程等一系列国家重点工程的建设实施，我国的建筑技术出现了空前的辉煌。建筑造型越来越新颖 、新技术的应用越来越广泛、建筑跨度越来越大，所以预应力空间钢结构技术应用也慢慢增多。但是作为一种新型的空间结构，国内外对弦支穹顶的结构理论方面的探讨不是许多。我省十大重点工程建设使得xx市建筑领域出现了天翻地覆的变更，其中煤炭交易中心预应力弦支穹顶结构就是其中的一项，它是弦支穹顶结构在我省的首次接受，并获得了良好的效果。中国xx煤炭交易中心屋面钢结构的上层是由刚性较大的H型钢组成的单层壳体，具有确定的抗压和抗弯刚度，但整体稳定性较差。结构的下层由环向拉索和径向拉索组成，拉索为高强材料，可以有效的减小结构自重，并达到灵活、通透的建筑效果。上层钢结构和下层拉索之间由撑杆进行连接，构成稳定的空间结构受力体系，可以有效提高整体结构的稳定承载力。2.工法特点本工法属于预应力钢结构工程。它具有施工难度大、施工前期准备工作量大的特点。弦支穹顶结构形式新颖 ，可借鉴施工阅历不多，因此施工的难度更大。本工法的技术要点是贯穿在制索、挂索和预应力钢索张拉过程中,利用模拟仿真计算，使得施工具有科学的理论和检测依据，确保施工质量。3.适用范围适用于预应力弦支穹顶结构施工体系。4.工艺原理弦支穹顶是一种大跨预应力空间钢结构，其中高强度预应力拉索的引入使钢材的利用更加充分，结构自重及结构造价降低许多，所以弦支穹顶在跨越更大跨度方面具有较大的潜力。我公司施工的煤炭交易中心宴会厅直径58米，高16.85米，屋盖主体结构接受弦支穹顶结构，在工程施工前，通过接受有限元计算软件，进行施工仿真计算分析。依据仿真计算结果确定弦支穹顶结构上层单层网壳和预应力索安装依次，并从技术角度上确定预应力索张拉方法，并进一步确定施工过程中的张拉依次、分级张拉及不同阶段预应力索张拉力值等。预应力拉索在每次张拉后，结构都要阅历一个自适应的过程，结构会经过自平衡而使内力重分布，形态也随之变更，接受油压传感器及振弦应变计分别对钢索索力、径向杆拉杆及网壳杆件应力变更进行监测，并对结构起拱值进行监测，保证张拉过程平安顺当进行。5.施工工艺流程及操作要点5.1施工工艺流程施工工艺流程见图5.1。搭设脚手架一阶平台面搭设脚手架一阶平台面预应力钢索及钢拉索制作预应力钢索及钢拉索制作放索（环索和径向拉索）放索（环索和径向拉索）运至现场将索及钢拉索吊至操作平台（撑杆下端）运至现场将索及钢拉索吊至操作平台（撑杆下端）搭设临时支撑塔架搭设临时支撑塔架安装上层钢结构网壳安装上层钢结构网壳挂索（环索和径向钢拉索）挂索（环索和径向钢拉索）施工仿真计算校核拉索分为5批次张拉到到设计初张力的30％施工仿真计算校核拉索分为5批次张拉到到设计初张力的30％拉索分为5批次张拉到到设计初张力的70％拉索分为5批次张拉到到设计初张力的70％全站仪监测结构变形监测钢结构结构应力全站仪监测结构变形监测钢结构结构应力拆除临时支撑塔架拆除临时支撑塔架拉索分为5批次张拉到到设计初张力的100％拉索分为5批次张拉到到设计初张力的100％依据监测结果调整索力依据监测结果调整索力安装屋面安装屋面图5.1施工工艺流程5.2操作要点5.2.1弦支穹顶结构要求钢结构的制作和安装精度比较高，钢索的下料长度必需依据节点及钢索的工作载荷进行精确计算，并在制作过程中严格限制，只有制作和安装的精度满足要求，张拉完成后的工程质量才能达到设计要求的预应力状态。钢索下料长度须要精确计算，依据事先确定好的张拉后工况通过Midas计算出张拉后的结构受力状况，依据这一状态，给出钢索的精确下料长度。在整个施工过程中接受全站仪、振弦应变计等随时检测钢结构的变形及应力状况，做到施工和计算相吻合。5.2.2布索由于大跨度结构，钢索长度比较长，须要分为几段，借助吊装设备，并依据现场吊装设备布置进行布索。环向索重量比较大，所以挂索困难。而且挂完后要保证撑杆下端有确定的偏转角度，以便张拉过程中的调整。1环向索分段位置环向索分段及索头形式。环向拉索由3根Φ5X151组成，每根环向索分为2段，对接索头节点沿环向等分，3根拉索对接索头节点为60度。环索索头接受可调整端头，这样可以依据单层网壳安装精度，对环向索有可调的长度，保证结构能够顺当精确安装。环向索分段具体位置及环索索头形式见下图所示。图-1环索分段位置图-2环索索头形式2径向拉索张拉端通过调整中间调整套筒来变更径向拉索的长度变更，从而使预应力得到有效施加，拉索形式和张拉示意图见下图所示。图-3径向拉索结构形式图-4张拉端示意图5.2.3预应力钢结构从结构的拼装，到预应力张拉完成以及最终支撑架的拆除，其间阅历许多受力状态，为了保证工程质量能够符合设计要求，必需进行大量的施工模拟计算。对实际工程施工过程中的每一个施工工况，包括拼装、吊装、安装、张拉的工况，都进行施工仿真计算，施工仿真计算接受目前通用的大型有限元软件Midas进行分析，并主动和设计院进行沟通协作，达到施工中的每一个工况都做到在设计要求的应力及变形限制范围之内，并且在最终张拉完成后保证和设计院的计算模型相吻合。仿真计算分为如下几个过程：1全部结构安装完成：整体结构安装完成，包括主体钢结构、主檩条及钢索安装完成，并且支撑都存在，此状态为第1步；2第1和2级张拉，进行第1和2级张拉，须要10步完成，此过程为第2～11步；3拆除全部支撑塔架，此状态为第12步；4依据张拉方案进行第3级张拉，须要5步完成，此过程为第13～17步。具体张拉步骤如下所示：第1步：结构全部安装完成后第2步：第1批拉索张拉到设计初张力的30％第3步：第2批拉索张拉到设计初张力的30％第4步：第3批拉索张拉到设计初张力的30％第5步：第4批拉索张拉到设计初张力的30％第6步：第5批拉索张拉到设计初张力的30％第7步：第5批拉索张拉到设计初张力的70％第8步：第4批拉索张拉到设计初张力的70％第9步：第3批拉索张拉到设计初张力的70％第10步：第2批拉索张拉到设计初张力的70％第11步：第1批拉索张拉到设计初张力的70％第12步：支撑塔架拆除后第13步：第1批拉索张拉到设计初张力的100％第14步：第2批拉索张拉到设计初张力的100％第15步：第3批拉索张拉到设计初张力的100％第16步：第4批拉索张拉到设计初张力的100％第17步：第5批拉索张拉到设计初张力的100％图-1有限元计算模型图-2仿真模拟计算云图5.2.4预应力拉索的加工、运输、储存预应力钢索及节点加工图由预应力专项施工单位设计，制作加工由预应力钢索专业生产厂家完成。1调直为了使钢索受荷后各根钢丝或各股钢绞线受力匀整，钢索的制作时下料长度要严格，要精确、等长。下料接受“应力下料法”，将开盘在200～300MPa拉应力下的钢丝或钢绞线调直，可消退一些非弹性因素的影响。2下料钢丝或钢绞线的号料应严格进行。制作通长、水平且和索等长的槽道，平行放入钢索或钢绞线，使其不相互交叉、扭曲，在槽道定位板处限制索的下料长度。3切割钢索应用切割机切割，严禁用电弧切割或用气割，以防止损伤钢丝。4编束用梳孔板向一方向梳理，同时编扎，每隔1m左右用细钢丝编排扎紧，不让钢丝在束中交互扭压。编扎成束后形成圆形截面，每隔1m左右再用铁丝扎紧。5钢索的预张拉钢索的预张拉是为了消退索的非弹性变形，保证在运用时的弹性工作。预张拉在工厂内进行，一般选取钢丝极限强度的50％～55％为预张力，持荷时间为0.5～2.0h。5.2.依据仿真计算确定上层单层网壳和预应力索安装依次，从技术角度上确定预应力索张拉方式，接受张拉径向拉索完成预应力结构施工，并进一步确定施工过程中的分级张拉和对称张拉，不同阶段预应力索施加初始力的预应力值。施工接受张拉径向拉索保证索力的匀整，实行有效措施来保证张拉过程同步性。1张拉前结构初始状态依据环向索所作标记，调整环向索和径向拉索，调整完成的状态为张拉前初始状态。2张拉设备的选用经过仿真计算，确定拉杆的最大张拉力，由此确定须要的张拉机型号及吨位。本工程径向杆最大张拉力约45T左右，须要两台60T千斤顶，依据张拉方案须要6根径向拉索同时张拉，因此选用12台60T千斤顶，即同时运用6套张拉设备同时张拉。3预应力钢索张拉前标定张拉设备张拉设备接受预应力钢结构专用千斤顶和配套油泵、油压传感器、读数仪。依据设计和预应力工艺要求的实际张拉力对油压传感器及读书仪进行标定。标定书在张拉资料中给出。4张拉依次图5.2.5-1张拉第1和3级张拉依次为：12345第2级张拉依次为：543215张拉时实行双控原则：索力限制为主，网壳变形为帮助。6张拉操作要点1）张拉设备安装：由于张拉设备组件较多，因此在进行安装时必需当心安放，使张拉设备形心和钢索重合，以保证预应力钢索在进行张拉时不产生偏心；2）预应力钢索张拉：油泵启动供油正常后，起先加压，当压力达到钢索设计拉力时，超张拉5％左右，然后停止加压，完成预应力钢索张拉。张拉时，要限制给油速度，给油时间不应低于0.5min。7张拉过程施工前用仿真模拟张拉工况，以此作为指导张拉的依据。张拉逐级张拉，整个张拉过程分成3级，分别为30％设计张拉力、70％设计张拉力、100％设计张拉力。张拉设备和工具等帮助设备全部准备及加工到位运至现场。张拉时，听从统一指挥，按张拉给定的限制技术参数进行精确限制张拉。8同步张拉限制措施每圈6根径向拉索同时张拉时，共有12个千斤顶同时张拉，因此限制张拉的同步是保证撑竿垂直及结构受力匀整的重要措施。限制张拉同步有两个步骤。首先在张拉前调整环向索连接处的螺母，使螺杆露出的长度相同，即初始张拉位置相同。其次在张拉过程中将每级的张拉力（30％、70％、100％）在张拉过程中再次细分为3～7小级，在每小级中尽量使千斤顶给油速度同步，在张拉完成每小级后，全部千斤顶停止给油，测量索体的伸长值。假犹如一索体两侧的伸长值不同，则在下一级张拉的时候，伸长值小的一侧首先张拉出这个差值，然后另一端再给油。如此通过每一个小级停顿调整的方法来达到整体同步的效果。9预应力钢索张拉测量记录对油压传感器测得拉力和监测竖向位移值记录下来，以对结构施工期行为进行监测。5.2.5在每一阶段预应力过程中，结构都阅历一个自适应的过程，结构会经过自平衡而使内力重分布，形态也随之变更，施工中实行牢靠的监测手段，对钢结构的变形和预应力钢索的受力进行实时监测，以确保结构施工期平安，保证结构的初始状态和原设计相符。为满足预应力施工过程的须要，保证工程顺当进行，施工监测布点时实行以下原则：1应力监测：以索力监测为主，保证径向拉索施加预应力值和施工仿真计算得到的张拉力值相同；钢结构应力监测为帮助手段。2变形监测：监测结构竖向位移（起拱值）。1)对径向拉索张拉力的监测接受油压传感器测试，以保证预应力施工完成后的应力和设计单位所要求的应力吻合。如下图所示：图5.2.5-22)在预应力钢索进行张拉时，整体结构部分会随之变形，并且通过结构变形量可以定性推断预应力施加。因此在预应力钢索张拉的过程中，结合施工仿真计算结果，对钢结构变形监测可以保证预应力施工平安、有效。对变形的监测接受全站仪，监测仪器和变形监测点布置图如下图所示：图-3变形监测点布置图3)预应力施加过程中，钢结构应力和预应力施加值密切相关的，因此张拉过程中，要对钢结构应力的监测接受振弦应变计，每个点对称布置两个振弦应变计，具体布置位置如下图所示：图-4应力监测点布置图5.2.6脚手架搭设在本工法中，临时脚手架的搭设是一个关键工序，它是钢结构安装、预应力张拉过程中必不行少的平安措施，工程中脚手架接受４８×３０的钢管，立杆下垫厚木板，上端丝杆调整高度、水平支撑和垂直支撑按规定设置，为满足结构安装要求，脚手架及操作平台搭设如下几个步骤：1搭设满堂脚手架分为两部分，一阶平台和二阶平台（临时支撑脚手架），一阶操作平台可以为钢索、钢拉索、撑杆安装及预应力张拉供应操作平台，二阶平台为网壳安装供应操作及支撑平台；2网壳安装过程中进行临时支撑脚手架的搭设，其主要作用是结构安装过程中支撑结构自重；3在每根径向拉索调整端即支座位置处搭设一个2.5米×1.5米张拉操作平台。图-1搭设一阶操作平台图-2将环向索和径向拉索吊装放置平台图-3搭设临时支撑塔架图-4安装钢结构、撑杆及拉索图-5张拉完成后，拆除支撑塔架6.材料和设备6.1材料本工程的主要材料是预应力钢索，用1圈索杆结构，其中径向索接受拉索为Φ5X163，环向拉索接受型号为3Φ5X151，拉索接受高强钢丝束Fk＝1670MPa，外包双层PE。由于拉索索体的加工精度较高，索体的调整量虽然有几厘米，但其中包括张拉时拉索和拉索伸长值，因此为了保证整个结构的安装精度，须要确保单层网壳安装时的精度。钢索防护1钢索在防护前必需表面处理，细致除污。钢索的长期防护方接受外加双层PE套管的方法。这种防护方法可适应四周无严峻侵蚀性的一般环境。在施工过程中，为了避开对PE造成损伤，在钢索出厂时，首先在PE外面缠绕一层塑料薄膜，然后在外面增加薄毛毡及塑料带。2预应力钢索及配件运输及吊装、运输过程中尽量避开碰撞挤压。3为了防止在钢结构焊接过程中飞溅的火花灼伤索体，要在焊接部位下面搭设防止火花飞落的防火板，避开火花干脆飞落到索体上。4预应力钢索及径向钢拉索在铺放运用前，应妥当保存放在干燥平整的地方，下边要有垫木，上面实行防雨措施，以避开材料