秦皇島體育場(chǎng)預(yù)應(yīng)力懸臂桁架綜合施工技術(shù)

1、秦皇島體育場(chǎng)預(yù)應(yīng)力懸臂桁架綜合施工技術(shù) 摘  要  為了獲得更大的使用空間，懸臂結(jié)構(gòu)以其特有的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在鋼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，特別是預(yù)應(yīng)力這種可以簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)受力形式、減少結(jié)構(gòu)用鋼量的工藝在懸臂桁架中的應(yīng)用，形成了其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)形式，因此其施工工藝也不同于一般的鋼結(jié)構(gòu)，值得進(jìn)行探討和研究。關(guān)鍵詞  體育場(chǎng)  懸臂桁架  預(yù)應(yīng)力  綜合施工技術(shù) 1  體育場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介 秦皇島奧體中心體育場(chǎng)是我國(guó)申奧成功后修建的第一座奧體運(yùn)動(dòng)場(chǎng)，結(jié)構(gòu)形式為預(yù)應(yīng)力空間懸

2、挑鋼桁架結(jié)構(gòu)，由24榀變截面箱型主桁架組成。主桁架后部以鉸支形式坐落于砼柱上，單榀自重最大為52t，最大懸挑長(zhǎng)度為41.8m，其重心在支撐點(diǎn)外，為保證結(jié)構(gòu)受力平衡，其中部利用預(yù)應(yīng)力索拉起，索的拉力又通過(guò)柱頂?shù)碾p立柱傳遞到后拉桿上，然后從下拉桿傳遞到砼柱側(cè)面的埋件上。主桁架之間標(biāo)高各異、波浪起伏，整體造型猶如馬鞍形，見(jiàn)圖1、圖2、圖3。由于單榀桁架側(cè)向極不穩(wěn)定，因此主桁架之間通過(guò)402×12的弧型拱梁相互支撐，拱梁最大跨度為30.8m，但拱梁為平面外不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，因此拱梁和主桁架上弦通過(guò)鋼索連接形成三角形穩(wěn)定體系。正是這些打破常規(guī)設(shè)計(jì)和概念的不穩(wěn)定體系組成了本工程蔚為壯觀的屋架系統(tǒng)，同時(shí)

3、也為結(jié)構(gòu)的制作和安裝帶來(lái)極大的困難。本工程鋼材的材質(zhì)均為Q345b，結(jié)構(gòu)總重約1800t，主要參數(shù)如下表。序號(hào)    結(jié)構(gòu)名稱    結(jié)構(gòu)特點(diǎn)    相關(guān)數(shù)據(jù) 1    主桁架    箱型變截面    2.5m×2m4.591m×2.5m 2    弧型拱梁   

4、60;弧形鋼管    ø402x12t，最長(zhǎng)29.4m 3    拉  索    鋼芯鋼絲索，外面為PE護(hù)套    ø55 4    拱架索    鋼芯鋼絲索    ø53m 2  結(jié)構(gòu)安裝順序 根據(jù)主桁架受力特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)特征，確定安裝順序如下：承重架

5、-主桁架-雙立柱-后拉桿-下拉桿-預(yù)應(yīng)力索。 1）首先安裝承重架是因?yàn)橹麒旒転閱吸c(diǎn)支撐結(jié)構(gòu)，如果沒(méi)有其它支撐點(diǎn)外，自身無(wú)法穩(wěn)定，因此必須在前端搭設(shè)承重腳手架，形成兩點(diǎn)支撐的穩(wěn)定體系。 2）根據(jù)應(yīng)力傳遞的路線，和后部傳力構(gòu)件的特征（本身為三角形穩(wěn)定體系），雙立柱是一個(gè)重要的受力環(huán)節(jié)，沒(méi)有它結(jié)構(gòu)前端的重量就無(wú)法傳遞到后部，而且鋼索和后拉桿的連接節(jié)點(diǎn)也都在雙立柱上，因此第二步必須先安裝雙立柱，并嚴(yán)格控制其上部節(jié)點(diǎn)的標(biāo)高，和本身的垂直度。3）根據(jù)力學(xué)模型的特點(diǎn)，再安裝后拉桿，使雙立柱、后拉桿、和主桁架成為一個(gè)三角形穩(wěn)定體系，這樣就可以確保其它構(gòu)件安裝的精度，減少安裝過(guò)程中各種原因造成的誤差。4）安裝預(yù)

6、應(yīng)力鋼索。通過(guò)張拉賦予鋼索預(yù)應(yīng)力，這樣其它受力構(gòu)件隨著鋼索拉力的增加逐漸完成了荷載的的施加。 3  主要安裝措施 1）安裝方法的選擇  在綜合考慮了吊裝機(jī)械的性能、土建結(jié)構(gòu)外形的影響、砼結(jié)構(gòu)受力狀況、構(gòu)件的重量和剛度等因素后，確定了大部分構(gòu)件整體吊裝、部分構(gòu)件分段吊裝高空對(duì)接、超大構(gòu)件雙機(jī)抬吊的方案。 2）施工機(jī)械的選擇  本著經(jīng)濟(jì)適用的原則，選用了150t履帶起重機(jī)和300t汽車起重機(jī)作為主要施工機(jī)械。3）承重架的搭設(shè)  在搭設(shè)承重架時(shí)就要考慮到工程結(jié)束時(shí)如何拆除承重架，為此在承重架的選擇上我們采用架身為標(biāo)準(zhǔn)節(jié)，

7、標(biāo)準(zhǔn)節(jié)頂部用腳手管搭設(shè)成密集型的承重腳手架，架頂安放千斤頂，這樣承重架的抗壓和抗彎能力就非常強(qiáng)，施工時(shí)也比較方便。4）主要測(cè)量監(jiān)控措施  主要控制項(xiàng)目包括主桁架端頭和支座的標(biāo)高、整體的側(cè)向位移、平面扭曲度、雙立柱的標(biāo)高和垂偏。這些項(xiàng)目同時(shí)也影響到預(yù)應(yīng)力施加的精度。由于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量監(jiān)測(cè)控制面廣，主桁架除支座外其余部分均為懸空，如采用以往施工慣用的利用水平儀和鋼卷尺、塔尺進(jìn)行控制的施工方法，不但測(cè)量精度無(wú)法保障，而且施工效率非常緩慢，危險(xiǎn)性也較大。為此我們充分發(fā)揮了全站儀等先進(jìn)儀器的作用，采取一步到位的測(cè)量方法，盡量減少中間環(huán)節(jié)產(chǎn)生的各種誤差，保證了測(cè)量結(jié)果的有效性和準(zhǔn)確性。我們首

8、先通過(guò)計(jì)算確定控制點(diǎn)的標(biāo)高和平面位置，利用桁架整體沿軸線方向布置的特點(diǎn)，在兩端做好控制標(biāo)志，用全站儀同時(shí)監(jiān)控上述三個(gè)控制項(xiàng)目，使用該方案不但減少了中間的控制環(huán)節(jié)和累積誤差，保證了數(shù)據(jù)的精確性，而且還提高了施工效率。 4  預(yù)應(yīng)力鋼索的施工 4.1  簡(jiǎn)介 主桁架為懸臂桁架，設(shè)計(jì)采用的是通過(guò)斜拉索進(jìn)行固定，拉索規(guī)格為直徑ø55的鋼芯鋼絲索，外面為PE護(hù)套，每根拉索的調(diào)節(jié)量為100，按照GB/T18365-2001的標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)3000kN臥式拉力試驗(yàn)機(jī)對(duì)彈性模量進(jìn)行檢測(cè)，拉索的彈性模量為E=1.95×105MPa。鋼索首先經(jīng)過(guò)預(yù)張拉，以消

9、除殘留應(yīng)變，防止工程中索因蠕變效應(yīng)而產(chǎn)生松弛。預(yù)張拉載荷至少為鋼絲繩破斷荷載的55，次數(shù)不少于兩次，每次持荷時(shí)間為60min。 鋼索容許應(yīng)力（短期）= 鋼索破斷應(yīng)力/2.2鋼索容許應(yīng)力（長(zhǎng)期）= 鋼索破斷應(yīng)力/3.0 本工程中懸挑端的重量是通過(guò)拉索傳遞到后部受力體系的，因此索的張拉直接影響到鋼結(jié)構(gòu)以后的變形量。而由于索頭構(gòu)造上存在的缺陷，索的張拉后來(lái)成為制約工程竣工驗(yàn)收的瓶頸。我們?yōu)榇酥谱髁藢Ｓ迷O(shè)備，并經(jīng)過(guò)了實(shí)踐的考驗(yàn)，為國(guó)內(nèi)索的張拉提供了一個(gè)新途徑。 4.2  拉索應(yīng)力控制的常用方法1）利用彈性模量進(jìn)行控制  拉索的彈性模量已經(jīng)通過(guò)

10、實(shí)驗(yàn)得出，利用公式L=F/（E×S）（L為達(dá)到拉力F時(shí)的伸長(zhǎng)量，F(xiàn)為拉力，E為彈性模量，S為拉索截面積）可以計(jì)算出拉索需要的伸長(zhǎng)量，在拉緊過(guò)程中隨時(shí)測(cè)量拉索的長(zhǎng)度L1，計(jì)算出L1和拉索沒(méi)有受力前的自然長(zhǎng)度L2的差值，當(dāng)達(dá)到L時(shí)拉力達(dá)到設(shè)計(jì)值。 2）出廠前在拉索調(diào)節(jié)端的螺紋上做標(biāo)記  由拉索制造廠家根據(jù)設(shè)計(jì)要求的數(shù)值，在出廠前就在螺紋上做好標(biāo)記（標(biāo)記的計(jì)算原理和上述方法相同），當(dāng)套筒擰到標(biāo)記處時(shí)即表示拉力已達(dá)到設(shè)計(jì)值。 3）通過(guò)帶有壓力表和液壓泵的專用設(shè)備進(jìn)行張拉  其原理是通過(guò)不斷增加設(shè)備作用在鋼索錐頭上的壓力來(lái)抵消鋼索在套筒上產(chǎn)生的拉力，進(jìn)而

11、可以擰緊套筒，當(dāng)設(shè)備卸荷后，套筒受力完成張拉。該設(shè)備帶有壓強(qiáng)表，可以直接讀取壓強(qiáng)值P（單位MPa），但由于是壓強(qiáng)值，還需要換算成壓力值，公式是壓力F（t）=102×P×S（S為張拉槍活塞面積），設(shè)計(jì)允許變化范圍為±20%。 4.3  預(yù)應(yīng)力鋼索的施工 1）施工方法的選擇  按照第一、第二兩種方法施工原理可行，但在實(shí)際操作時(shí)，由于結(jié)構(gòu)制作、安裝的偏差，可能會(huì)出現(xiàn)超過(guò)或未達(dá)到設(shè)計(jì)值的情況，而且對(duì)拉力無(wú)法進(jìn)行精確控制，因此在施工中我們按照第三種方法進(jìn)行張拉，并且當(dāng)主桁架和支撐全部安裝完畢，所有拉索經(jīng)過(guò)二次張拉后，在拆除主桁架前段的

12、承重架時(shí)，進(jìn)行最后一次張拉。 2）預(yù)應(yīng)力施加工藝  主桁架整體受力體系中所有的桿件安裝完畢后，根據(jù)設(shè)計(jì)提供的預(yù)應(yīng)力值對(duì)鋼索進(jìn)行預(yù)張拉，該值為最大應(yīng)力的50%。首先通過(guò)計(jì)算把該值的單位換算為壓力表應(yīng)達(dá)到的兆帕值，便于安放專用工裝設(shè)備進(jìn)行操作。當(dāng)達(dá)到所需兆帕值后，對(duì)另一根索施加預(yù)應(yīng)力，然后復(fù)測(cè)前一根索的拉力，觀察張拉后一根索后前一根索內(nèi)力的變化。檢查證明前一根索的內(nèi)力沒(méi)有變化。這是因?yàn)閮筛鳟a(chǎn)生拉力的垂直分力還沒(méi)有抵消主桁架作用在前端承重架上的壓力，主桁架在承受這兩個(gè)拉力后并沒(méi)有向上產(chǎn)生變形，這樣雖然兩根索沒(méi)有同時(shí)張拉，但其相互之間并沒(méi)有影響。3）最后張拉  

13、;隨著主桁架前端支撐結(jié)構(gòu)的拆除，原來(lái)承重架所承受的壓力轉(zhuǎn)移給拉索，造成索應(yīng)力的增加，當(dāng)承重架全部拆除完畢后，對(duì)索的拉力進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)應(yīng)力小于設(shè)計(jì)值的拉索進(jìn)行最后張拉達(dá)到設(shè)計(jì)值。4）影響拉力值的因素  索的蠕變效應(yīng)會(huì)使拉力值變小，但通過(guò)工廠的預(yù)張拉，它的影響就變的非常小。在本工程中，影響索的拉力值的主要是其它構(gòu)件的安裝。這是因?yàn)殡S著構(gòu)件的不斷安裝，承重架受到的壓力不斷變大，這樣就造成基礎(chǔ)的沉降和架頂承重件的變形，而出現(xiàn)主桁架前端標(biāo)高下降的現(xiàn)象，進(jìn)而造成預(yù)應(yīng)力拉索長(zhǎng)度出現(xiàn)微小增加，根據(jù)彈性變形的原理，索的內(nèi)力也會(huì)呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。5）鋼索構(gòu)造中的問(wèn)題  索的拉力

14、的調(diào)整是通過(guò)旋轉(zhuǎn)中間的套筒進(jìn)行的，原理和花籃螺絲一樣，但索產(chǎn)生的拉力是普通花籃螺絲的上百倍，因此套筒螺紋和錐頭螺紋之間的摩擦力也是普通花籃螺絲的上百倍，這么大的摩擦力靠人工是無(wú)法克服的。因此必須設(shè)法減小摩擦力才能進(jìn)行張拉，而減小摩擦力的直接方法就是減小螺紋之間的壓力，這樣就需要制作專用設(shè)備進(jìn)行操作，增加施工難度和成本。5  桁架撓度和拉索應(yīng)力值的變化分析 本工程主體結(jié)構(gòu)為懸臂結(jié)構(gòu)，在整體沒(méi)有閉合之前，該設(shè)計(jì)形式會(huì)對(duì)支座部分的砼柱產(chǎn)生巨大的彎矩，為了最大限度滿足設(shè)計(jì)時(shí)采用的計(jì)算模型所依據(jù)的工況，所有主桁架前端的支撐在所有恒荷載施加以后再進(jìn)行拆除，以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)計(jì)算模型需要達(dá)到的工

15、況，而且主桁架高低錯(cuò)落，形似馬鞍型，主桁架依靠?jī)?nèi)環(huán)桁架進(jìn)行支撐，當(dāng)結(jié)構(gòu)依靠?jī)?nèi)環(huán)桁架閉合以后，就會(huì)在內(nèi)環(huán)切線沿主桁架方向產(chǎn)生巨大的推力，這部分外力可以抵消部分主桁架自重產(chǎn)生的彎矩，因此承重架拆除順序的選擇對(duì)結(jié)構(gòu)撓度影響很大，見(jiàn)圖3。 5.1   設(shè)計(jì)撓度值 各榀懸臂主桁架最大設(shè)計(jì)撓度值如表1所示。從表可以看出，在自由狀態(tài)下懸臂結(jié)構(gòu)端頭的變形非常大，這樣就會(huì)對(duì)相鄰結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的影響，如果控制措施不得力有可能造成其它結(jié)構(gòu)的永久變形，特別是對(duì)鋼索的拉力也會(huì)產(chǎn)生直接影響。 表1  各榀懸臂主桁架設(shè)計(jì)撓度值 5.2  承重架拆除方案 1

16、）拆除順序的選擇  根據(jù)結(jié)構(gòu)特征和力學(xué)狀況，選擇從高向低處拆除的施工順序。如果從低向高處拆除，低處桁架通過(guò)兩側(cè)內(nèi)環(huán)會(huì)對(duì)相臨的兩個(gè)主桁架產(chǎn)生向下的拉力，而且在自重作用下它也會(huì)向下沉，雖然相臨桁架對(duì)它有一個(gè)拉力，但它仍會(huì)以和內(nèi)環(huán)桁架的連接部位為節(jié)點(diǎn)下沉。隨著拆除的進(jìn)行，高處桁架受低處桁架的影響會(huì)產(chǎn)生下沉的趨勢(shì)，低處桁架則會(huì)越來(lái)越低，等承重架拆除完畢后結(jié)構(gòu)整體的變形就會(huì)很大。如果從高向低處拆除，低桁架通過(guò)內(nèi)環(huán)對(duì)主桁架產(chǎn)生向上的支撐力，而且在自重作用下也不會(huì)下沉。2）拆除方法  本工序是整個(gè)體育場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)施工最后一道工序，為確保工程質(zhì)量、避免發(fā)生意外事故，采用分次

17、降低承重架頂支撐平臺(tái)高度的方法，4次逐步降低平臺(tái)高度，避免相臨主桁架出現(xiàn)較大的高差而產(chǎn)生變形破壞。根據(jù)各榀主桁架最大撓度值，以其值的四分之一作為控制值逐漸降低平臺(tái)高度。當(dāng)平臺(tái)完全脫離主桁架后，整個(gè)屋蓋呈自由狀態(tài)時(shí)靜置12天，然后對(duì)主桁架下拉桿和埋件的焊縫進(jìn)行認(rèn)真細(xì)致的檢查，同時(shí)對(duì)整個(gè)屋蓋端頭的標(biāo)高和側(cè)向位移進(jìn)行復(fù)測(cè)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)處理，如沒(méi)有問(wèn)題則拆除標(biāo)準(zhǔn)節(jié)。 3）技術(shù)保障措施  拆除過(guò)程中用經(jīng)緯儀和全站儀隨時(shí)監(jiān)測(cè)主桁架側(cè)向位移和標(biāo)高變化，避免出現(xiàn)撓度值超過(guò)設(shè)計(jì)值，當(dāng)整個(gè)屋蓋呈自由狀態(tài)時(shí)靜置12天進(jìn)行標(biāo)高復(fù)測(cè)，觀測(cè)主桁架標(biāo)高變化，同時(shí)要檢測(cè)索的應(yīng)力變化。 5.3 &

18、#160;撓度變化 主桁架前端支撐平臺(tái)分四次進(jìn)行降低，在降低過(guò)程中前兩次每榀主桁架前端也以其最大撓度的四分之一下降，當(dāng)?shù)谌芜M(jìn)行降低時(shí)部分桁架的下降值達(dá)不到四分之一，當(dāng)?shù)谒拇芜M(jìn)行降低時(shí)部分桁架在降低過(guò)程中停止下降，分析原因是支撐結(jié)構(gòu)對(duì)主桁架有很大的支撐力，隨著支撐結(jié)構(gòu)的拆除，支撐力釋放，主桁架下?lián)?，在下?lián)线^(guò)程中拉索變長(zhǎng)拉力增加，阻止了主桁架下?lián)?，?dāng)拉力增加到和結(jié)構(gòu)重力平衡時(shí)，主桁架停止下?lián)稀?當(dāng)平臺(tái)完全脫離主桁架后，整個(gè)屋蓋呈自由狀態(tài)時(shí)靜置12天，對(duì)整個(gè)屋蓋端頭的標(biāo)高進(jìn)行復(fù)測(cè)，發(fā)現(xiàn)變化很小，均未超出設(shè)計(jì)值。索的應(yīng)力值的變化 隨著主桁架前端支撐結(jié)構(gòu)的拆除，原來(lái)承重架所承受的壓力轉(zhuǎn)移給拉索，造成索

19、應(yīng)力的增加，當(dāng)承重架全部拆除完畢后對(duì)索的拉力進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)所有的拉索的應(yīng)力值均未達(dá)到設(shè)計(jì)值，對(duì)應(yīng)力小于設(shè)計(jì)值的拉索進(jìn)行最后張拉達(dá)到設(shè)計(jì)值。 通過(guò)上述方法進(jìn)行控制，主桁架撓度和拉索應(yīng)力值均未超出設(shè)計(jì)值，對(duì)相鄰結(jié)構(gòu)也未造成損壞，使結(jié)構(gòu)一次達(dá)到設(shè)計(jì)狀態(tài)。 6  防腐施工技術(shù) 6.1  環(huán)境特點(diǎn)秦皇島體育場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)工程施工地點(diǎn)瀕臨海洋，結(jié)構(gòu)投入使用后受海洋鹽霧氣候的影響較大，因此對(duì)防腐涂料涂裝工藝的要求非?？量?。其旁邊已投入使用的秦皇島體育館就曾出現(xiàn)較為嚴(yán)重的銹蝕現(xiàn)象。 6.2  使用材料本工程底漆采用符合環(huán)保要求的水性富鋅涂料，面漆采用氯化橡

20、膠漆（銀灰色），底漆涂刷兩遍，每遍厚度35um，面漆涂刷兩遍，每遍厚度30um。 水性富鋅涂料雙組份，由基料為一組份、鋅粉為一組份。其基料由水溶性硅酸納及添加多種助劑、活性稀釋劑等組成，鋅粉由300目鋅粉組成?；吓c鋅粉以15：45（重量比）的比例配制使用。 6.3  產(chǎn)品特點(diǎn)1）本產(chǎn)品防銹能力強(qiáng)，并有陰極保護(hù)和導(dǎo)靜電作用。水性富鋅涂料涂層附著力強(qiáng)、機(jī)械強(qiáng)度好，不影響焊接，是性能優(yōu)良的環(huán)保型涂料，可單獨(dú)使用，也可用作防銹底漆。2）本產(chǎn)品為兩組份，使用上較三組份的環(huán)氧富鋅底漆方便得多。3）對(duì)上層面漆不滲色，適合與白色或彩色面漆配合。 4）主要用于鋼結(jié)構(gòu)、房梁架、貯罐、鋼管、橋

21、梁、集裝箱、船舶、海上石油平臺(tái)和海港設(shè)施的重防腐工程，也可作為車間預(yù)涂底漆和防靜電涂料使用。 6.4  技術(shù)要求 6.4.1  主要技術(shù)指標(biāo) 序號(hào)    項(xiàng)    目    單  位    技術(shù)指標(biāo) 1    涂料粘度    （涂4，25）s    3570

22、2    涂層表干時(shí)間    （25，hr）    0.5 3    涂層實(shí)干時(shí)間    （25，hr）    24 4    涂層外觀        灰色、半光 5    涂層附著力 &#

23、160;  級(jí)    1 6    涂層柔韌性        1 7    涂層耐沖擊        50 8    涂層耐鹽水    （3，20d）    不生銹 9    涂層最高使用溫度        400 10