大跨空间体内预应力钢结构施工新工艺

大跨空间体内预应力钢构造施工新工艺中建六局工业设备安装大型水动力实验室工程QC小组发布人：顾军兵1、课题背景2、小组简介3、选择课题4、设定目的5、提出方案并确定最正确方案6、制定对策7、对策实施8、效果检查9、规范化10、总结和下一步计划活动程序工程称号：交通运输部天津水运工程科学研讨所大型水动力实验室〔一期〕工程工程地点：天津市塘沽临港工业园区珠江道南侧、渤海十二路东侧建立单位：交通运输部天津水运工程科学研讨所设计单位：中交水运规划设计院施工单位：中国建筑第六工程局监理单位：天津塘沽海洋高新技术开发区工程监理构造类型：体内张拉高强度预应力钢绞线焊接球与相贯节点混合构造建筑规模：46154㎡运用功能：大型水动力实验基地1、课题引见：大型水动力实验厅钢构造工程由海港综合实验厅和内河综合实验厅两部分组成呈对称分布，构造跨度100m，长度440m，屋面采用体内张拉高强度预应力钢绞线焊接球与相贯节点混合构造。主体钢屋盖采用的是国内新颖的体内张拉构造，跨度到达100米，为目前国内跨度最大的预应力钢绞线体内张拉构造网架。一、工程概略采用体内预应力张拉网架构造技术本工程几乎全是高空作业，且管球组对精度控制难度大，整个工程焊接球从Ф220mm至Ф900mm,16种规格4658个，焊管从Ф76mm至Ф425mm，21种规格，71030米，钢绞线穿越双层套管为：外管直径Ø425mm、内管直径Ø152mm，分段壁厚不同容易变形〔分为四种壁厚〕，主焊口焊缝要求高，等级全部是一级焊缝。一、工程概略2、工程特点钢屋盖采用的是国内新颖的体内张拉高强度预应力钢绞线焊接球与相贯节点混合构造，构造为自平衡体系，该构造的优点在于，其在自重作用下无程度推力，从而良好的改善了下部构造受力情况。构造方式新颖该工程构造跨度到达100米，为目前国内跨度最大的体内预应力钢绞线张拉构造网架。采用体内预应力张拉网架构造技术采用体内预应力张拉网架构造技术采用体内预应力张拉网架构造技术采用体内预应力张拉网架构造技术构造方式新颖构造跨度大采用体内预应力张拉网架构造技术构造方式新颖高空焊接量大质量要求高采用体内预应力张拉网架构造技术多束无粘结钢绞线(37根〕体内同步、同心、均匀张拉施工难度大：长一百多米，37根无粘结钢绞线安装，要保证每根钢绞线安装不偏心，初始拉力一样，在其预应力施工的过程中保证整体同步、均匀受力到达设计要求值是该工程的重点也是难点。由于钢绞线预应力张拉直接影响着整个网架的受力和形变。这对钢绞线的安装精度和张拉技术要求很高。钢绞线预应力张拉对构造形变控制难度大：本屋盖钢构造工程采用体内张拉的预应力钢绞线张拉构造，共22跨主桁架需求预应力施工，预应力施工直接影响着主体构造的受力稳定和构造变形，所以很好的安排施工顺序和准确的把握张拉速度是比较困难的。多束钢绞线高空穿越细长、狭窄空间施工难度大：该工程构造跨度100米，钢绞线下料至少需104米，每轴主桁架需求37根Φ15.2mm钢绞线。要将直径为15.2mm钢绞线37根高空穿越直径仅为152mm的钢管长达100米，同时要保证主桁架的构造平安，施工难度相当大。一、工程概略3、工程难点100米超细长钢绞线套管加工制造、高空整体吊装和定位施工难度大：钢绞线套管是该工程的主要受力杆件，它的安装质量好坏直接影响和制约着整体构造的受力稳定性和后续撑杆的安装质量。套管全长100米，由于直径为152mm的内管和直径为425mm的外套管组成，由于其长度太长，钢管纤细，在高度为10.5米的高空不论是组拼还是安装都有很大的难度。一、工程概略预应力网架轴测图一、工程概略预应力网架三维效果图姓名年龄文化程度职称小组任务行政职务杜澎泉37大专高级工程师组长经理冯磊28大学高级工程师副组长执行经理樊云鹏28大专助理工程师组员技术负责人顾军兵26大学助理工程师组员工长李国栋25大学工程师组员工长李凯峰25大学工程师组员安全员徐艳荣39大学工程师组员工长张涛23大学技术员组员工长课题称号：大跨空间体内预应力钢构造施工新工艺注册编号：课题类型：创新型循环日期：2021.5.10-2021.12.15二、小组简介APCDAPCD如何控制大跨度、多层网架的空间坐标2021年获得：总公司一等奖61m熟料库钢构造工程安装质量控制2021年获得：中国施工企业二等奖148米跨度张弦网架超大型预应力钢拉索安装2021年获得：总公司一等奖、天津市金奖、国家级QC成果奖控制大跨度张弦网架安装质量2021年获得：中国施工企业二等奖近五年QC小组获奖情况大跨度焊接球预应力张弦网架位形控制工艺2021年获得：中国施工企业二等奖APCDAPCDAPCD二、小组简介大跨空间体内预应力钢构造施工新工艺该工程构造为体内预应力张拉构造，跨度到达100米，为目前国内跨度最大的体内预应力钢绞线张拉构造。由于施工场地受限，施工难度大，施工工期紧等方面要素，确保施工到达良好的效果，施工要求高。在预应力施工中，确保主桁架构造整体稳定、平安非常重要，应尽能够减少构造的变形位移和应力集中。预应力钢绞线高空穿越安装的过程中保证其维护层不被破坏及安装质量，为保证其正常运用寿命及到达很好的张拉效果。在整个施工的过程中高空作业占多数，确保零质量平安和零人身平安事故，是我们终极目的。三、课题选择技术创新施工要求结构稳定质量保障安全目标100米超细长钢绞线套控制造安装、多束钢绞线高空穿越，保证主桁架构造受力自平衡及构造平安。目的1体内预应力张拉主桁架挠度值到达设计要求，允许偏向30mm。目的2降本增效100万元。目的3四、设定目的主桁架段单元制造、组拼工程主体目前国内兴起的大跨空间钢构造体系，因其构造方式新颖，构造受力好，空间面积大等诸多优势，而被逐渐推行。本工程采用体内预应力钢绞线张拉构造，更具有造价低、用钢量少、低碳环保、防火、防腐等优点。国内已有同类构造跨度为70.2米，而该构造跨度100米，在施工的过程中需求攻克多项技术难题。因此<大跨空间体内预应力钢构造施工新工艺>这一课题是我们控制的关键环节。钢绞线套控制造吊装预应力施工主桁架段单元吊装定位1、方案提出的背景五、提出并确定最正确方案钢绞线穿越安装大跨空间体内预应力钢构造施工新工艺〔1〕根据本工程的特点制定完善的施工技术设计。〔2〕施工技术设计中应确定施工顺序，尤其是钢绞线下料、穿越和张拉的过程〔3〕施工速度快不影响其他施工队作业和总体施工进度。〔4〕平安稳定，对主桁架整体受力不受影响〔5〕要求经济合理，节省机械设备台班和施工措施投入。〔6〕保证钢绞线的安装质量及张拉完成主桁架的起拱值到设计的要求。跨度100米内套管Φ152×3mm37根Φ15.2mm钢绞线外套管Φ425mm五、提出并确定最正确方案套管高空分段组对高空穿钢绞线后进展张拉施工套管地面组对地面穿越钢绞线整体提升后进展张拉施工套管地面组对整体提升高空穿越钢绞线后进展张拉施工头脑风暴法：五、提出并确定最正确方案2、提出方案方案一：套管高空分段组对高空穿钢绞线后进展张拉施工：长100米的钢绞线双层套管在高空分段组对完成之后，开场钢绞线的穿越，穿越完成后，然后进展钢绞线的预应力张拉施工。外套管步骤一：套管高空组对步骤二：套管端部穿钢绞线主桁架方案一钢绞线五、提出并确定最正确方案方案二：套管地面组对地面穿越钢绞线整体提升后进展张拉施工：主桁架双层套管在地面组拼的过程中，钢绞线的牵引绳逐渐穿在管内，等套管吊装完成后，由牵引绳牵引钢绞线一端完成穿索，然后再进展钢绞线预应力张拉施工。方案二主桁架钢绞线外套管步骤一：套管地面组对、钢绞线地面穿越步骤二：套管、钢绞线整体提升进展预应力施工钢绞线五、提出方案并确定最正确方案方案三：套管地面组对整体提升高空穿越钢绞线后进展张拉施工：主体网架双层套管高空吊装完成后，在主桁架双层套管的一端，先人工穿越一根根钢绞线，钢绞线一头带着牵引绳过去，然后再将单根钢绞线拉出，然后由牵引绳牵引钢绞线完成穿越，安装完成后进展张拉施工。方案三步骤二：套管整体提升、高空穿越钢绞线钢绞线牵引绳五、提出方案并确定最正确方案对比项方案施工难易性施工投入工期进度对其他工序影响对主桁架稳定性影响安全性方案一套管高空分段组对高空穿钢绞线后进行张拉施工套管高空组对高空穿越施工难度大卷扬机2台吊车3台倒链数个支撑胎架成本投入太大制约因素太多，工期进度慢影响主桁架的施工进度对主桁架无影响双层套管高空组对风险大方案二套管地面组对地面穿越钢绞线整体提升后进行张拉施工套管、钢绞线整体提升施工难度大卷扬机2台倒链数个成本投入小制约因素多，工期进度较慢影响双层套管组拼、焊接作业对主桁架无影响双层套管钢绞线整体提升有风险方案三套管地面组对整体提升高空穿越钢绞线后进行张拉施工钢绞线高空穿越施工难度大卷扬机2台倒链数个成本投入小制约因素少，不影响工期进度不影响双层套管组拼、焊接作业对主桁架无影响双层套管整体提升风险小五、提出并确定最正确方案3、方案对比分析表方案4、方案优缺陷比较五、提出并确定最正确方案五、提出并确定最正确方案柱状图由此柱状图可以看出方案三为优选方案方案三：套管地面组对整体提升高空穿越钢绞线后进展张拉施工细化方案一：套管整体提升高空一次性穿越钢绞线后进展多级张拉：双层套管在主桁架下面整体组拼完成后，由吊链均匀分布然后齐步提升安装完成后，在主桁架的两端分别设置一台2t卷扬机，在套管两端铸钢节点部位搭设简易的操作平台，上面做好穿索辅助设备，然后由卷扬机的牵引，37根钢绞线一次性完成穿越，然后进展然行锚具和千斤顶的安装，之后钢绞线分多级双控同步预张拉施工。细化方案二：套管整体提升高空分三次穿越钢绞线后进展多级张拉：双层套管在主桁架下面整体拼装完成后，先有三台吊车齐步提升到一定位置，然后再由倒链接力逐渐提升到位安装完成后，在主桁架的两端分别设置一台2t卷扬机，在套管两端铸钢节点部位搭设简易的操作平台，上面做好穿索辅助设备，然后由卷扬机的牵引，37根钢绞线分为三批，逐一进展穿越，待穿越完成后，进展锚具和千斤顶的安装，之后钢绞线分多级双控同步预张拉施工。五、提出并确定最正确方案5、针对优选方案提出细化方案本钱小构造有风险对其它工序有影响工期略短高空安装难度大细化方案一优点本钱较大对后续任务无影响构造无风险施工难度小采用细化方案二工期较短缺陷6、细化方案优缺陷对比五、提出并确定最正确方案根据细化方案计算钢绞线公称直径、公称截面积及实际分量(如以下图)进展进一步计算、分析确定方案二：套管整体提升高空分三次穿越钢绞线后进展多级张拉为最正确方案。钢绞线公称直径、公称截面积及理论重量计算方案批次根数(根)公称直径（mm）公称截面积（mm）理论重量（总重：㎏）备注方案一一批37562.467105476穿越阻力大方案二一批13197.623571920穿越阻力小二批12182.42176.51778三批12182.42176.51778合计37562.467105476五、提出并确定最正确方案施工动画演示套控制造、安装钢绞线分三批高空穿越安装钢绞线一级张拉卷扬机、倒链任务预备端部锚具安装张拉设备预备任务开场完成用脚手架搭设操作平台千斤顶安装主桁架重力支持架撤除钢绞线地面放索相邻主次桁架安装完成单根钢绞线穿越钢绞线穿索头任务预备就绪缓减柱顶程度附加力钢绞线多级张拉打密封胶灌浆钢绞线张拉微调1、工艺施工流程过程监测六、制定对策主桁架段单元高空组对、安装编号对策目标措施时间负责人1套管制作、安装保证套管的安装质量和安全制作组对焊接胎架主桁架吊装完成之后李国栋2钢绞线放索保证钢绞线外保护层不受破坏制作放索盘放索阶段杜澎泉3钢绞线分三批高空穿越安装不影响结构稳定性，保证施工安全制作简易穿索装置卷扬机等设备配合张拉前冯磊4预应力钢绞线张拉预应力施工达到设计要求，对主桁架的安装无影响采用双控分三级张拉方案张拉全过程顾军兵5过程监测时刻监测主桁架的内应力变形在主桁架主要的受力点布置应变计多级张拉全过程樊云鹏6缓减柱顶水平附加力降低由于主桁架在张拉的过程中对柱顶产生的水平推力在抗震支座下布置圆钢，产生滚动摩擦多级张拉完成后张涛六、制定对策2、对策实施表焊接平台三层弦杆对接七、对策实施1、双层套控制造双层套管是由Ø159钢管外管Ø425mm钢管组成。施工过程中把Ø425mm钢管分成均为8m一段，共12节进展组对，为方便组对焊接，专门制做了焊接平台。在主桁架吊装完成后，在其正下方布置焊接平台，进展张拉管组对。组对方法是：内管比外套管长2米，内外管对接口错开，在离外套管管口500mm处添加4mm厚的法兰，吊车配合依次组对焊接。实施一：双层套管组对、安装实施一：双层套控制造、安装2、双层套管安装：双层套管总分量约为22吨，长100米，安装高度10.5米。同类构造中双层套管地面组拼整体提升安装施工技术国内未有先例。吊装方法是当主桁架吊装完成后，8个5吨倒链沿桁架下弦成弧形均匀布置，倒链的安装高度不一，但吊钩处坚持程度。每个倒链的正下方都布置升降平台，且在套管上提早拴好平安绳〔钢丝绳〕，起到平安维护作用，由三台吊车同步提升，然后倒链接力完成微调和最后的组装、焊接。七、对策实施支撑胎架设计表示图双层套管双层套管承重支撑平台套管受力分析套管吊装表示图套管安装现场图片套管安装现场图片七、对策实施实施二：钢绞线放索主体钢构造东西长440米、南北宽100米，构造跨度99米，钢绞线下料至少需104米。根据现场实践情况钢绞线的下料只能与其安装方向垂直的方向进展，即东西向道路两旁。为防止钢绞线在下料的过程中外维护层不受破坏，专门制造放索支架，在钢绞线底线铺设滚棒。钢绞线放索过程钢绞线放索安装钢绞线放索表示图钢绞线放索带滑轮支架滚棒七、对策实施设计并制造公用穿越工具，然后在主桁架的两端分别设置两个2t的卷扬机。钢绞线分成13根、12根、12根三分别提升高空穿越。主桁架三层弦杆安装完成之后，先人工手动穿过单根钢绞线，钢绞线的一端拴着牵引绳，牵引绳的一端与卷扬机衔接，另一端与捆绑好的钢绞线衔接。钢绞线在一端卷扬机的牵引下，穿越管，另一台卷扬机往前递送。相互配合完成穿越。钢绞线穿越安装钢绞线分成三批第一批钢绞线穿越七、对策实施实施三：钢绞线安装钢绞线穿越完成后，在其两端开场安装锚具，锚具是圆形，中间有37个孔，对应有37根钢绞线，钢绞线是用梭型锲片固定，为满足张拉的要求，梭型锲片的安装不能与钢绞线偏心。在铸钢节点的两端搭设操作平台，在上面做一些辅助安装，协助锚具、千斤顶的安装。七、对策实施实施四：锚具安装锚具安装三维效果图锚具锲片安装钢绞线预紧锚具安装钢绞线预紧完成七、对策实施实施四：锚具安装锚具安装现场照片1、预应力钢绞线采用双控同步多级张拉：为保证钢绞线在预应力施工过程中对主桁架的构造稳定性无影响，分多级张拉，即一级张拉、二级张拉……最后微调，经过这多级张拉来很好的到达设计要求，保证主体构造的稳定性。多级张拉控制力分配表轴线号第一二级张拉（kN）第三四……级张拉（kN）微调到设计值296319201925394718911896494818891894594718851890694718841889794718851890894718851890994818861891109561909191411938186618711290817831788七、对策实施实施五：预应力钢绞线张拉七、对策实施实施五：预应力钢绞线张拉预应力钢绞线张拉顺序表示图2、主桁架高空组对焊接完成后，与次桁架次桁架，次桁架构成稳定的受力单元后，可以进展钢绞线张拉。一级张拉前对37每根钢绞线在同拉力条件下进展提早预紧，保证每根钢绞线初始拉力一致，确保钢绞线伸长值一致后，进展一级张拉，张拉过程中实时监测数显式负荷丈量仪，当值到达张拉值后，再次丈量钢绞线伸长值，二级张拉按照一级张拉反复操作，然后一次反复施工。400T液压千斤顶安装完成预应力张拉施工过程七、对策实施实施五：预应力钢绞线张拉七、对策实施钢绞线端部节点照片七、对策实施钢绞线预应力张拉完成后现场照片1、变形监测在预应力张拉的过程中，结合施工仿真计算结果，对构造的整体变形进展监测可以保证预应力施工期间构造的平安以及预应力施加的质量。对变形的监测采用全站仪变形测点位于桁架的跨中位置及支座位置，对每榀桁架都进展监测。变形测点的分布如以下图所示：变形监测点位置布置监测钢构造变形的全站仪七、对策实施实施六：过程监测2、钢绞线张拉力监测钢绞线在预应力施工的过程中采用双控同步张拉施工，它两端的拉力可以经过油压传感器进展监测。油压传感器安装于液压千斤顶油泵上，经过公用传感器读数仪可随时监测到预应力钢绞线的拉力，以保证预应力施工完成后的应力与设计单位要求的应力吻合。读数仪读数仪位置布置七、对策实施实施六：过程监测对钢构造的应力监测采用振弦式应变计和光纤传感器进展。应力测点的布置需结合施工过程模拟计算的结果进展，并能反响构造的应力分布规律，本工程选择2轴和6轴两榀主桁架进展检测。3、钢构造应力监测应力测点位置布置正弦式应变计七、对策实施实施六：过程监测4、全寿命安康监测全寿命安康监测系统是由中建总公司自主研发，对张拉钢构造进展时时远程数据传输和监视，对整个构造的受力情况进展分析，确保钢构造的平安、稳定。DTS-BJNIS监测软件太阳能光伏板电池数据采集系统：本工程永久安康监测运用中建总公司技术中心自主开发的数据采集系统七、对策实施实施六：过程监测在预应力施加过程中，由于钢绞线的拉力会导致桁架端部的程度变形，从而在柱顶产生附加程度力。这部分程度力在设计过程中普通不会思索，因此需求在施工过程中采取一些必要的措施予以消除，使得钢柱仅接受在运用阶段由于风荷载或地震作用所产生的程度力。措施：1、利用钢棒的滚动摩擦原理。在支座滚动两段焊接限位安装。2、利用千斤顶将桁架支座稍稍顶起，撤出滚动钢棒。3、将柱顶与支座焊接。措施实施流程七、对策实施实施七：缓减柱顶程度附加力支座底部设有圆钢千斤顶顶起取出钢棒完成后焊接七、对策实施柱顶程度力缓减过程现场实图1、工程主控工程效果检查：

钢绞线高空细长、狭窄空间穿越到达预期效果。按照方案实施，钢绞线的安装很好的完成高空穿越，不仅对主桁架的稳定性没有影响且速度快，不影响后期工序施工。钢绞线张拉施工完全符合设计要求。大跨空间钢构造网架构造按照预定张拉方案进展多级张拉后，构造最终形状的下挠值最大为19mm与实际计算值比较在预期值范围之内，完全满足设计要求。八、效果检查100米超细长钢绞线套管安装保证了整体程度和主桁架构造平安。套管在地面组拼，整体提升吊装，经过吊装前和吊装后的实测对比，都符合设计要求，到达了良好的安装效果。100米超细长钢绞线套管安装保证了整体程度和主桁架构造平安。套管在地面组拼，整体提升吊装，经过吊装前和吊装后的实测对比，都符合设计要求，到达了良好的安装效果。张拉过程仿真分析预应力钢绞线拉力〔kN〕预应力施工效果检查：预应力施工完成后对张拉过程仿真分析的数据监测，及钢绞线拉力监测，一切数值完全符合设计要求。八、效果检查没有好的工程质量，就没有好品牌效益，经过创优质工程，我公司大力倡导提高员工的质量认识，并且积极创新、遭到业主、质监站、监理单位的好评，同时也给我单位带来经济效益。2、天津市质量监视检查站检查工程八、效果检查2021年6月24日组织了“大型水动力实验室〔一期〕工程预应力钢构造其中吊装及安装方案〞专家论证会，专家意见为资料齐全，数据详实，符合论证要求，方案可实施。八、效果检查3、方案论证会八、效果检查4、甲方评价及交工验收记录