平面預(yù)應(yīng)力張弦梁整體吊裝施工工法

平面預(yù)應(yīng)力張弦梁的整體吊裝施工工法前言隨著社會、科學技術(shù)的進步和經(jīng)濟的高速發(fā)展，近些年來國內(nèi)外建造了很多大型的建筑結(jié)構(gòu)，尤其是大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)，憑借其高效、經(jīng)濟、美觀的結(jié)構(gòu)特點被廣泛地應(yīng)用。其中將預(yù)應(yīng)力技術(shù)應(yīng)用到空間鋼結(jié)構(gòu)體系形成了預(yù)應(yīng)力空間鋼結(jié)構(gòu)體系。預(yù)應(yīng)力空間鋼結(jié)構(gòu)是把現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力技術(shù)應(yīng)用到例如網(wǎng)架、網(wǎng)殼等網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、索、桿組成的張拉結(jié)構(gòu)、立體桁架結(jié)構(gòu)等一類大跨度結(jié)構(gòu)，從而形成一類新型的、雜交的預(yù)應(yīng)力大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)體系。****文化會展中心鋼屋蓋即采用了該結(jié)構(gòu)體系，由****建筑學院北京****建筑設(shè)計顧問有限責任公司及中國*****設(shè)計研究院設(shè)計，*****集團鋼結(jié)構(gòu)工程分公司負責鋼結(jié)構(gòu)屋蓋的構(gòu)件加工及構(gòu)件安裝，是國內(nèi)首例跨度最大的單向預(yù)應(yīng)力張弦梁工程。本工程采用了放射狀撐桿弦支梁結(jié)構(gòu)，跨度48米，水平投影面積6576M2，總用鋼量578.8T。河北****鋼結(jié)構(gòu)工程分公司對施工全過程進行整體模擬，采用了單榀張弦梁整體吊裝圓滿的完成了工程安裝任務(wù)，取得了顯著的經(jīng)濟和社會效益。經(jīng)有關(guān)部門確認，本工程整體吊裝施工技術(shù)達到國內(nèi)先進水平。1工法特點1．1減少施工場地的占用，充分利用作業(yè)空間布置拼裝作業(yè)，便于場內(nèi)運輸和吊裝，大大縮短了安裝工期。1．2吊裝均采用汽車式起重機機械，相對于滿堂紅腳手架結(jié)合高空滑移的常規(guī)安裝方法，大大的節(jié)約了施工成本。1．3本工法采用汽車吊整體吊裝預(yù)應(yīng)力張弦梁的方法，達到了國內(nèi)領(lǐng)先水平。2適用范圍本工法適用于大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)鋼梁整體吊裝工程。3工藝原理運用計算機對施工全過程進行整體模擬分析，確定了使用鋼管桁架扁擔進行張弦梁的吊裝，以及吊裝設(shè)備的選擇和吊點的設(shè)計，臨時支撐的位置及形式，張弦梁在吊裝過程中的平面內(nèi)、外變形等關(guān)鍵點。3.1張弦梁結(jié)構(gòu)整體軸測圖及張弦梁截面結(jié)構(gòu)圖****文化會展中心工程的屋蓋張弦梁鋼結(jié)構(gòu)部分。屋蓋覆蓋的A軸到T軸長137米，5軸到13軸長48米，面積約6500平方米。張弦梁跨度48米，梁間距8米。張弦梁屋蓋最高點標高21.098m。其整體軸測圖為下圖3-1。張弦梁有3類，每榀張弦梁分為3段截面，即1）H700×250×30×50，H700×250×20×30，H700×250×30×50；2）H700×250×25×50，H700×250×20×30，H700×250×25×50；3）H700×250×20×36，H700×250×16×20，H700×250×20×36。其中某一榀的截面結(jié)構(gòu)形式見下圖3-2。鋼結(jié)構(gòu)所用鋼材和無縫鋼管為Q345級鋼材，撐桿截面為；鋼索采用兩種規(guī)格的擠包雙護層扭絞型拉索（高強度鋼絲屈服強度大于1410Mpa），分別為2SNS/Sφ7×61，及2SNS/Sφ7×55；高強螺栓采用10.9級大六角頭螺栓，摩擦面抗滑移系數(shù)不小于0.5，表面采取拋丸處理。地腳錨栓為Q345-M52螺栓。圖3-1整體軸測圖圖3-2張弦梁平面圖3.2張弦梁整體吊裝方案的分析本工程中采用的張弦梁形式比較獨特，上弦為變截面的直梁，其跨度為48m，截面剛度相對較小，并采用整體吊裝，整個施工過程中張弦梁結(jié)構(gòu)的受力比較復(fù)雜，這種情況可以借鑒的施工經(jīng)驗就更少。此外，更需要注意的是張弦梁結(jié)構(gòu)中下弦索的受力情況，它直接關(guān)系著結(jié)構(gòu)的最終形態(tài)和安全性。分別對三類截面的張弦梁進行分析計算后，取最不利（即截面為：兩端H700×250×20×36，中間H700×250×16×20）的進行說明。三部分索吊裝，分別在兩端和中間，每部分有三根索。計算模型及吊裝時的變形圖如下圖3-4所示：圖3-4吊裝時的位移ANSYS計算結(jié)果顯示，最大位移值點10002為張弦梁上弦最左端點，大小為4.78cm?？缰辛旱淖畲笃鸸盀?.1cm，考慮到實際施工中吊點處的偏心及其他施工誤差，理論的計算值與實際起拱（9cm）有一定的誤差，但理論分析與實際的總體的受力狀態(tài)是基本一致的，所以此理論分析可以作為實際吊裝時的參考。吊裝時的軸力分布如下圖3-5示：圖3-5軸力分布圖梁上弦內(nèi)的軸力很大，其值為79kN，由于吊裝時吊點布置的缺陷使得平面外的偏心很大，所以，軸力對上弦平面外的穩(wěn)定性會有很大的影響。（實際吊裝時平面外的最大變形為13cm）吊裝時梁內(nèi)的彎矩分布如下圖3-6所示：圖3-6彎矩分布圖最大彎矩為220kN*m，對上弦平面外的穩(wěn)定性會有很大的影響。面外穩(wěn)定性計算如下，按壓彎構(gòu)件采用公式：偏保守進行計算，即：=315Mpa不會發(fā)生側(cè)向失穩(wěn)。吊裝時梁內(nèi)的應(yīng)力分布如下圖3-7所示：圖3-7內(nèi)力分布圖梁內(nèi)最大應(yīng)力為31Mpa〈〈315Mpa。處于彈性范圍內(nèi)，故吊裝過程中，梁不會產(chǎn)生彈塑性變形。綜上所述，可采用此方法對此工程中的張弦梁進行整體吊裝。3.3結(jié)構(gòu)安裝就位后的穩(wěn)定性驗算及解決方法張弦梁安裝就位后，如果不采取任何措施便進行摘鉤的話，截面較小的梁會有在自重和預(yù)應(yīng)力下發(fā)生側(cè)向失穩(wěn)的危險，所以，當張弦梁安裝就位后，在吊車摘鉤之前，必須采用一定的措施防止其發(fā)生此類的失穩(wěn)，對于吊裝就位的第一榀張弦梁，需要在其下搭設(shè)塔架，塔架的布置與張弦梁在地面進行初張拉時搭設(shè)的胎架相同，這樣，當?shù)踯囌^后，就位后的張弦梁的受力狀態(tài)初張拉時的相似，不會發(fā)生上面所述的那種失穩(wěn)問題。而對于其它榀的張弦梁，可在吊車摘鉤之前安裝部分次梁，將其與前一榀已經(jīng)就位的張弦梁連接，起側(cè)向支撐作用，防止張弦梁發(fā)生側(cè)向失穩(wěn)，為了減少吊車的占用時間，可先間隔安裝部分次梁（即從左端起為第1，3，4，5，6，7，9處布置次梁），滿足使張弦梁不發(fā)生側(cè)向失穩(wěn)的要求即可，然后摘鉤，等所用梁吊裝完成后再安裝剩余的次梁和所用的水平支撐。按這種方法施工時，張弦梁上弦的面外穩(wěn)定性計算如下：分別對三類截面的張弦梁進行分析后，取最不利（即截面為：兩端H700×250×20×36，中間H700×250×16×20）的進行說明如下：計算模型如下圖3-20示：圖3-20計算模型ANSYS計算結(jié)果顯示，結(jié)構(gòu)的軸力分布如下圖3-21示：圖3-21軸力分布圖張弦梁上弦內(nèi)的最大軸力為193.8kN。梁內(nèi)的彎矩分布如下圖3-22所示：圖3-22彎矩分布圖最大正彎矩為237kN*m，最大負彎矩為209kN*m，若按間隔布置次梁（即從左端起為第1，3，4，5，6，7，9處布置次梁）進行計算面外穩(wěn)定，兩端的次梁間隔為8.4m，面外計算長度偏安全取8.4m*2＝16.8m，均取最大彎矩和軸力進行計算面外穩(wěn)定性如下：按壓彎構(gòu)件采用公式：即：=315Mpa滿足平面外穩(wěn)定性要求。中間段由于截面較小，次梁間隔加密，為4.2m，面外計算長度偏安全取4.2m*2＝8.4m，均取最大彎矩和軸力進行計算面外穩(wěn)定性如下：按壓彎構(gòu)件采用公式：即：=315Mpa滿足平面外穩(wěn)定性要求。綜上所述，按照上述方法施工，張弦梁不會發(fā)生側(cè)向失穩(wěn)問題。3.4吊裝機械及吊索的確定●吊車確定：經(jīng)過結(jié)構(gòu)吊裝計算采用KH700-2150噸液壓履帶吊及LTM1160/2型汽車起重機（德國）進行吊裝作業(yè)。150噸履帶吊在臂長為39m；作業(yè)半徑為8m；起重高度為40m；仰角為800時，起吊重量為68.7噸；160噸汽車吊在臂長為39m；作業(yè)半徑為10m；起重高度為42m；起吊重量為36噸；而張弦梁起重重量G=張弦梁自重量+張拉索重量+鑄鋼件重量+扁擔重量+吊索重量=22+1.6+3.3+3+0.6=30.5〈68.7噸，起重高度為38.5米；桁架梁自重30噸起重高度為38.5米；所以兩種型號吊車均能夠滿足吊裝要求。依據(jù)現(xiàn)場的實際路面承重情況進行了計算，計算結(jié)果完全滿足150噸履帶吊及160噸汽車吊的作業(yè)要求?！竦跛鞔_定：吊裝用鋼絲繩采用6×61直徑66.5mm鋼絲繩。鋼絲繩破斷拉力計算：Fg=0.5d2=0.5×66.52=2211.125KN吊裝時鋼絲繩受力計算：N=30.5÷2×9.8KN÷COS450=210.49KN鋼絲繩安全系數(shù)查建筑施工計算手冊表13-3可得K=8鋼絲繩容許拉力計算：[FG]=aFg/K=0.82×2211.125/8=226.64KN>210.49KN。滿足吊裝要求吊裝扁擔設(shè)計扁擔頂面形式扁擔吊裝時的受力及變形桁架的主鋼管為三角形基本單元，和連接這些單元的水平弦桿支撐鋼管為桁架頂面和斜面處的斜向支撐桁架主鋼管采用168*12支撐鋼管采用89*4強度均采用Q345B最后的分析結(jié)果為：吊裝過程中，桁架中桿件的最大拉應(yīng)力為160Mpa，最大壓應(yīng)力為102.86Mpa，均小于其屈服強度315Mpa，并基本處于彈性階段，變形不大，滿足吊裝使用要求。3.5第一榀張弦梁安裝就位后的支撐體系經(jīng)驗算，第一榀張弦梁吊裝完成時，兩端焊接好以后，鋼梁自重產(chǎn)生的索力導至鋼梁失穩(wěn)，不能滿足要求。為保證鋼梁吊裝時不至失穩(wěn)，采用以下措施：zxl-3吊裝時，在鋼梁變截面處搭設(shè)獨立架子兩個，張弦梁直接放在兩端支座和架體上，放置效果同地面拼裝胎架。架體采用4000*4000*13.6m扣件是腳手架（滿堂），樓板下采用同樣的方法加固混凝土樓板實際工程現(xiàn)場施工圖片如下圖現(xiàn)場施工圖第一榀吊裝就位后支撐體系見下圖兩端支座中間搭架子中間搭架子梁端支座第一榀張弦梁吊裝完畢后，用經(jīng)緯儀在張弦梁的一端觀察大梁的側(cè)向彎曲，并對大梁側(cè)向彎曲進行調(diào)整，將側(cè)向彎曲矢高（）調(diào)整至小于L/1000且不大于10mm后，再進行柱腳的連接固定。然后立即吊裝zxl-2,張弦梁就位后同時進行支座的固定，并連接zxl-2，zxl-3之間的次梁，連接好后吊車摘鉤。4工藝流程及操作要點4.1施工工藝流程通過計算機對整個施工過程進行模擬分析，確定施工方案通過計算機對整個施工過程進行模擬分析，確定施工方案測量放線地面工作平臺搭設(shè)張弦梁拼裝張弦梁第一次張拉張弦梁吊裝次梁安裝張弦梁最終張拉竣工驗收4.2操作要點拼裝平臺搭建及張弦梁現(xiàn)場拼裝張弦梁及桁架為分段運輸，需在現(xiàn)場進行拼裝并進行第一次張拉后方可吊裝。用28#槽鋼搭設(shè)1000mm×1000mm×4000mm的拼裝工作平臺。拼接前先把平臺底部基礎(chǔ)夯實，用水平儀將各平臺高度找平。然后張弦梁就位，張弦梁預(yù)拼好后，用水平儀及鋼尺進行幾何尺寸校對。平臺承載力計算：平臺采用28#槽鋼作為平臺柱四根28#槽鋼的平面面積為A=40cm2×4=160cm2，張弦梁自重為220KN，每個平臺承受的荷載為N=220KN/6=36.67KN即求得壓應(yīng)力為δ=N/A=36.67×1000N/160×100mm2=2.29N/mm2<[δ]=215N/mm2滿足要求。張弦梁拼裝、張拉胎架搭建方式等見下圖。張弦梁對接完畢，首先應(yīng)對拼接焊縫按設(shè)計及規(guī)范要求進行探傷，整體調(diào)直并采取必要的措施消除焊接應(yīng)力。鋼梁驗收合格后，對號安裝索體撐桿。撐桿安裝完畢，應(yīng)檢查撐桿的安裝質(zhì)量：現(xiàn)場拼裝圖片見下圖張弦梁整體吊裝第一步吊裝：張弦梁的安裝順序是從球形報告廳向兩邊進行安裝，先安裝A-J軸的張弦梁?，F(xiàn)場拼裝順序及吊裝順序平面布置圖如下：先進行H-J軸間、H軸、G軸、F軸張弦梁的吊裝，采用150噸履帶吊。如圖所示，吊車在起吊H-J軸間張弦梁時，作業(yè)半徑約16米，起桿高度39米，起重量為51噸，H-J軸間張弦梁自重為30.5噸，滿足吊裝要求。先進行H-J軸間張弦梁的吊裝，用吊車把張弦梁從eq\o\ac(○,1)號位置垂直吊起，使張弦梁整體高度超過屋面高度后進行旋轉(zhuǎn)，如eq\o\ac(○,2)號位置所示，旋轉(zhuǎn)到eq\o\ac(○,3)號位置后進行就位，其它三榀梁也按此方法進行吊裝。第一榀張弦梁吊裝就位后用臨時支撐體系固定，待第二榀張弦梁安裝就位后用次梁進行連接使之形成穩(wěn)定的空間體系。經(jīng)過計算，次梁最少連接7榀后才能保證兩榀張弦梁的整體穩(wěn)定性，次梁連接布置圖如下：第二步吊裝：利用160噸汽車吊進行剩余張弦梁的吊裝，因為汽車吊主臂可以自由伸縮，而履帶吊的主臂是固定的不能伸縮。如上圖所示將C、D、E軸先在所示位置拼裝預(yù)張拉完畢，160噸汽車吊站在D軸的中間位置。用汽車吊先把C軸張弦梁垂直起吊22米(超過安裝高度)后旋轉(zhuǎn)到吊裝位置，然后進行就位。起吊時，吊車距C軸張弦梁10米，160噸汽車吊作業(yè)半徑10米，臂長39米時，起重量為36噸，C軸張弦梁全重16.5噸，滿足吊裝要求。如圖所示把C軸張弦梁吊裝就位后，再進行E軸張弦梁的吊裝。E軸張弦梁起吊重量與C軸張弦梁相同，160噸汽車吊滿足吊裝要求。E軸張弦梁吊裝就位后，把160噸汽車吊移動到C軸中心位置然后進行D軸張弦梁的吊裝。安裝完E軸的張弦梁后160噸汽車吊移動到L-U軸區(qū)域，進行另一側(cè)Q軸、R軸、S軸張弦梁的吊裝。5.材料與設(shè)備本工法無需特別說明的材料，采用的機具設(shè)備見下表。機械名稱規(guī)格數(shù)量備注吊裝機械設(shè)備汽車式起重機KH700-21150KH7700-21501臺用于30噸鋼桁架及張弦梁梁安裝汽車式起重機LTM1160//21臺張弦梁安裝起重倒鏈5噸4個安裝校正起重倒鏈3噸10個安裝校正千斤頂10~20噸5個卡環(huán)5~15噸20個鋼絲繩0.5~1.5iin若干條高強螺栓力矩器5把安裝緊固梅花扳手若干套安裝緊固張拉千斤頂YCN（20t）4張弦梁施加預(yù)應(yīng)力力電動油泵ZB4-5004張弦梁施加預(yù)