江蘇某體育場鋼結(jié)構(gòu)預應力施工方案

江蘇某體育場鋼結(jié)構(gòu)預應力施工方案主體育場位于****中心的中心位置，俯視平面為242m直徑的圓，建筑面積127982m2，約有6萬個席位。體育場共六層，無地下室，一層設有新聞媒體、賽事工作、運動員和設備用房等，二、四、六層為看臺和商業(yè)用房，三、五層為貴賓包廂?；A(chǔ)為鋼筋混凝土鉆孔灌注樁，主體為現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)，柱網(wǎng)尺寸為7320*14600mm。鋼結(jié)構(gòu)屋蓋由V形支撐、跨度為360.06m南北走向的大斜拱及由多道平行的鋼箱梁形成的馬鞍形屋面罩棚所組成，罩棚的徑向長度為66m～28m，覆蓋面積32000多平方米，最高點為拱頂，標高達65m。主拱架沿南北方向?qū)ΨQ布置，屋面系統(tǒng)東西、南北對稱。主拱架為空間結(jié)構(gòu)管桁架，支座距離360.06m，弧線長度約400m，單榀主拱重約1586t。主拱斷面為斜等腰三角形，4根主弦管布置于等腰三角形的三個頂點和底邊的中點。三角形斷面的底邊與地面夾角為45°，腰與底邊夾角為33°，地面與直徑為φ4000的大型鑄鋼節(jié)點球相貫。主拱頂點標高為65m，最大三角形斷面底邊主弦管的中心距為15m，高4.085m。主拱的主弦管為φ1000鋼管，壁厚有12、20、45和54，端部弦桿為φ600*60鋼管，腹桿有φ300～φ600等多種規(guī)格。鋼管連接節(jié)點采用鑄鋼節(jié)點和相貫節(jié)點，兩榀主拱分別向東、西方向傾斜，支承在屋面箱型梁上。屋面系統(tǒng)由屋面梁、系桿、檁條等組成。每根屋面梁采用不同的箱型斷面組合，最多為6個斷面組合，斷面寬度均為500mm，高度有1100、1400、1600、1800、2100幾種，腹板厚度為t=10、12兩種，翼緣板厚度有16、25、32、65、85五種。屋面梁最長約68m，最重約43t，標高為變化值。屋面梁一端支承在V形支撐上，另一端懸挑，通過屋面梁中間位置的連接桿件與主拱架下部主弦管相連。屋面梁之間有鋼管連系桿，兩個邊緣設置環(huán)型連系梁。安裝后的屋面梁和主拱互相依托，形成空間穩(wěn)定體系。屋面梁上設置檁條托梁，屋面檁條為□300*150*3，檁距最大1500。屋面板為聚合碳酸酯屋面板，主拱架上布置檁條，外包面板，其下段的屋面梁上設置裝飾材料。屋面設置內(nèi)天溝，為集中排水。另外，屋面梁和主拱架上設置電纜、橋架和檢修梯。支承屋面箱型梁的V形支撐設置在兩榀屋面梁之間，每個V形支撐有四根支撐鋼管，每兩根支撐鋼管支承一榀屋面梁，支撐鋼管管徑有φ500*16、35兩種，四根鋼管相貫在φ1000*50的半球支座上，支座通過地腳螺栓與預埋件連接。工程中應用了預應力拉索，每個V形支撐的后支撐鋼管內(nèi)設有預應力拉索；屋頂南北面的箱型梁前沿之間設有懸索狀鋼管，鋼管內(nèi)設48根φ17.5mm預應力拉索。1.預應力鋼結(jié)構(gòu)概況南京**中心主體育場鋼結(jié)構(gòu)中，預應力施工包括兩部分：①屋頂南北面前沿懸索狀鋼管內(nèi)的預應力筋束施工；②每個箱形梁支座處的后支撐鋼管內(nèi)的預應力筋束施工。由于預應力筋束施工是調(diào)節(jié)和保證整個屋蓋結(jié)構(gòu)體系能安全可靠承載的關(guān)鍵設計措施之一，因此其重要性可見一般。另外預應力束施工難度大，且穿插在土建施工和鋼結(jié)構(gòu)施工中，需要多方密切配合，在正式施工前制定一個考慮周全、技術(shù)合理、措施有效、保證質(zhì)量和工期的施工方案非常重要。1.1屋頂南北面前沿懸索狀鋼管內(nèi)的預應力筋束屋頂南北面前沿懸索狀鋼管共兩根，每根懸索狀鋼管內(nèi)布置48φ15.7預應力筋束。單根懸索狀鋼管長約133.85m，矢高4m，矢跨比1/33.46。其兩側(cè)斜管長約9.54m，單根鋼絞線總長約153m。懸索狀鋼管內(nèi)預應力筋束總長：2×48×153=14688m。預應力束采用無粘結(jié)鋼絞線，穿束后在相應混凝土梁上張拉、錨固，其施工難點為：①穿束路徑長，每延米重量大，因此難以采用常規(guī)方法人工穿束。②與橫向箱形梁相交處懸索狀鋼管內(nèi)設有加勁肋定位鋼管，在拼接處懸索狀鋼管內(nèi)設有內(nèi)襯管。加勁定位管和內(nèi)襯管都將增大穿束的難度，且會摩損無粘結(jié)鋼絞線的PE塑料外套，影響預應力筋的耐久性。③懸索狀鋼管與斜管之間存在較大的彎角，通長的預應力束難以在穿過。④為保證懸索狀鋼管內(nèi)預應力筋束存在一定的預應力，端部鑄鋼球節(jié)點以及節(jié)點下的豎向支撐將增加較大的豎向和水平向荷載。1.2每個箱型梁支座處V形撐的后支撐鋼管內(nèi)的預應力筋束鋼屋蓋共有52個V形支撐柱支座，每個支座有兩根后支撐鋼管，后支撐鋼管內(nèi)布置有12~38φ15.7預應力筋束，預應力筋見下表。后支撐鋼管預應力筋根數(shù)表支座ABCDEFG預應力筋根數(shù)32323832321818支座HJKLMN預應力筋根數(shù)123222121212預應力束采用無粘結(jié)鋼絞線，下端錨固在支座下混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)，上端錨固在箱型梁上，其施工難點為：①預應力束一端錨固在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)，一端錨固在鋼結(jié)構(gòu)上，因此預應力施工需穿插在土建施工和鋼結(jié)構(gòu)施工過程中，需要多專業(yè)配合。②預應力束需要穿過：混凝土梁或柱、支座半球、后支撐鋼管、鑄鋼球節(jié)點、箱型梁。構(gòu)件種類多，節(jié)點復雜，難以穿束。③后支撐鋼管斜向布置，其中心線的延長線不通過箱型梁頂面，預應力束需要在鑄鋼球節(jié)點內(nèi)轉(zhuǎn)角通過。根據(jù)本工程鋼結(jié)構(gòu)中預應力施工的特點和難點，經(jīng)過仔細的分析和考慮，制定了以下預應力施工初步方案。2.預應力束施工總體方案2.1屋頂南北面前沿懸索狀鋼管內(nèi)預應力筋束施工總體方案①預應力筋束通長布置，不分段。②張拉端混凝土梁內(nèi)埋設鋼管，并留設凹入梁端面的錨具放置空間。③預應力筋分束，先用機械分束穿過懸索狀鋼管，再人工單根穿過兩端斜管。④兩端同步張拉。⑤鑄鋼球節(jié)點精心設計，內(nèi)設類似于懸索橋橋塔頂部的索鞍座，使預應力束圓滑轉(zhuǎn)角，避免過大的摩擦損失。2.2“V”形支撐后支撐鋼管內(nèi)的預應力筋束施工總體方案①預應力筋束通長布置，不分段。②一端張拉。錨固端設在樓面混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)，張拉端設在箱型鋼梁頂面上。③錨固端混凝土結(jié)構(gòu)施工時，采用無粘結(jié)筋錨固端常規(guī)施工方法，將部分無粘結(jié)筋埋設在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)，固定端錨具選用OVM15-1P擠壓錨。④將支座半球穿過預應力束、焊接或螺栓固定。⑤箱型鋼梁和鑄鋼球節(jié)點安裝就位。⑥后支撐鋼管穿過預應力束安裝就位，同時預應力束穿過鑄鋼球節(jié)點和箱型鋼梁。⑤鑄鋼球節(jié)點精心設計，內(nèi)設鞍座和張拉座。張拉端錨具放置在張拉座上。3.屋頂南北面前沿懸索狀鋼管內(nèi)預應力筋束施工初步方案3.1施工要點①懸索狀鋼管內(nèi)可能與預應力束接觸的加勁肋定位管和內(nèi)襯管的周邊都做倒圓角。②懸索狀鋼管與箱型梁相交節(jié)點內(nèi)設置端口倒圓角的鋼管，預應力束從鋼管內(nèi)穿過。③無粘結(jié)筋PE塑料套適當加厚。④48根預應力筋分成12束（每束4根），依次穿束。⑤懸索狀鋼管與箱型梁相交節(jié)點一側(cè)的一段鋼管待穿束完畢后焊接。⑥鑄鋼球節(jié)點的上半部分及其兩側(cè)一段鋼管待穿束完畢后焊接。⑦采用卷揚機和牽引用的鋼絲繩，將預應力筋束分束從懸索狀鋼管一端牽引至另一端，然后人工將單根鋼絞線彎曲依次穿過兩端斜管。⑧在鑄鋼球節(jié)點內(nèi)設置圓弧鞍座，使預應力筋束轉(zhuǎn)角圓滑過渡。見下圖。3.2施工順序①懸索狀鋼管和相應的箱形梁，以及兩端鑄鋼節(jié)點和斜管安裝到位，但為方便穿束，留設部分后焊。②預應力筋下料。③預應力筋分束，放置在懸索鋼管一端。④另一端牽引設備就位，將牽引鋼絲繩穿過懸索狀鋼管，與分束預應力筋端頭連接。⑤開動卷揚機，開始穿束。⑥當牽引頭到達懸索狀鋼管預留口時，人工輔助預應力筋穿過懸索狀鋼管與箱型梁節(jié)點處的定位鋼管。⑦穿過懸索狀鋼管后，再人工將分束預應力筋單根穿入兩端斜管。⑧下一束預應力筋準備穿束。⑨重復⑤～⑧。全部預應力筋穿束完畢，錨固。⑩鋼管和鑄鋼節(jié)點預留段（口）安裝，預應力束張拉。3.3施工流程懸索狀鋼管內(nèi)預應力索施工流程見下頁。4.“V”形支撐后支撐鋼管內(nèi)預應力筋束施工初步方案4.1施工要點預應力束施工穿插于土建和鋼結(jié)構(gòu)施工過程中。①土建施工階段先將預應力束錨固端埋入混凝土。錨固端采用擠壓錨，見下圖。②后支撐鋼柱頂部1m段預留缺口，預應力筋束安裝到位后補缺。③鑄鋼節(jié)點張拉座頂?shù)南湫弯摿阂砭壌A應力筋束安裝到位后焊接。④鑄鋼節(jié)點內(nèi)設置鞍座，保證預應力筋束曲線流暢。見下圖。剖面示意圖⑤預應力筋束一端張拉。張拉端設在鑄鋼節(jié)點張拉座上，封閉在箱型鋼梁內(nèi)。4.2施工順序土建施工過程（1）土建施工中，預應力筋束下料，錨固端擠壓錨制作，埋入混凝土結(jié)構(gòu)。（2）混凝土施工、養(yǎng)護。鋼結(jié)構(gòu)施工過程（1）支座半球穿過預應力筋束，固定就位。（2）箱型鋼梁和鑄鋼節(jié)點安裝到位。（3）后支撐鋼柱穿過預應力束，吊機輔助邊旋轉(zhuǎn)后支撐鋼柱，邊將預應力束導入鑄鋼節(jié)點。（4）預應力束安裝到位后，后支撐柱補缺，安裝前支撐柱。（5）預應力束張拉完畢后焊接張拉座頂面箱型梁翼緣。施工流程“V”形支撐后支撐鋼管內(nèi)預應力筋束施工流程見下頁。5.鑄鋼節(jié)點設計鑄鋼節(jié)點既是拉索角度發(fā)生變化處，也是多根桿件交匯點。其荷載既有支柱產(chǎn)生的支座反力，還有預應力束轉(zhuǎn)角產(chǎn)生的巨大等效荷載，節(jié)點應力復雜，受力分析和設計十分重要。5.1鑄鋼件的機械性能根據(jù)投標結(jié)構(gòu)施工圖要求節(jié)點為鑄鋼節(jié)點，鑄鋼材料參照德國規(guī)范DIN17182，材質(zhì)參照Z20-Mn5鑄鋼，現(xiàn)根據(jù)招標圖紙進行節(jié)點部位細化設計。鑄鋼件的機械性能表表1.1-1牌號屈服強度（N/mm2）抗拉強度（N/mm2）延伸率（%）含碳量（%）合金含量Mn(%)Si(%)Z20-Mn5≥230≥450≥220.15～0.1181.0~1.30.65.2鑄鋼球節(jié)點的關(guān)鍵設計條件①預應力束在鑄鋼節(jié)點處轉(zhuǎn)角，張拉預應力束會在該處產(chǎn)生很大的預應力損失，為了減小損失，應當在轉(zhuǎn)角處設置圓弧過渡的鞍座。鞍座下設置鋼板加勁肋，鞍座轉(zhuǎn)角半徑以鋼絞線最小出廠盤徑800mm為限值；②將荷載作用在節(jié)點各肢桿的端面上（初步考慮相連接的鋼管截面應力120MPa），預應力鋼絞線拉力按照0.2σcon在轉(zhuǎn)角處產(chǎn)生等效荷載轉(zhuǎn)化到圓弧鋼鞍座上的等效應力計算，進行支座節(jié)點分析和設計，并保證有足夠的安全度；③根據(jù)鑄造廠的熔煉能力，鑄造節(jié)點的重量應控制在2.5噸左右，且為方便造模時取模方便，在滿足使用要求的前提下，肢桿應越短越好。5.3各支座節(jié)點有限元分析均按照以下計算參數(shù)和要求①根據(jù)節(jié)點設計尺寸，建立節(jié)點空間三維模型作為計算模型。②面荷載和約束：在圓弧鞍座內(nèi)表面和肢桿端面施加面荷載，位移約束加在人之形支撐柱截面上。③單元類型：選擇四面體結(jié)構(gòu)實體單元Solid45，該單元有8個結(jié)點，每個節(jié)點有3個線位移自由度，非常適合于不規(guī)則實體的單元劃分。見四面體結(jié)構(gòu)實體單元Solid45圖。四面體結(jié)構(gòu)實體單元Solid45圖④材料本構(gòu)關(guān)系采用理性彈塑性模型，屈服準則為VonMises準則。材料彈性模量E=2.06×105N/mm2，泊松比μ=0.3，計算時屈服強度fy取200N/mm2。⑤網(wǎng)格劃分：按照Smartsize尺寸等級5劃分實體單元。⑥通過有限元分析獲得節(jié)點的荷載-位移曲線，從中確定極限承載力，其中有限元分析考慮節(jié)點的幾何非線性和材料非線性。5.4鑄鋼節(jié)點空間幾何尺寸設計鑄鋼節(jié)點的基本尺寸為：①根據(jù)設計院提供的節(jié)點軸線圖，各肢桿中心線相交于節(jié)點球心。②節(jié)點肢桿和相應桿件間為對接熔透焊縫，因此各肢桿在端面做適當坡口。③為避免鑄鋼節(jié)點轉(zhuǎn)角處產(chǎn)生過大的應力集中，因此節(jié)點轉(zhuǎn)角均圓滑曲面過渡。根據(jù)支座節(jié)點關(guān)鍵設計條件，按照設計院提供的各管件在支座處的空間位置關(guān)系，我們初步設計了一種半空心鑄鋼節(jié)點，并用有限元軟件ANSYS分析了該節(jié)點形式在節(jié)點荷載條件下的應力情況。5.5懸索狀鋼管鑄鋼球節(jié)點設計懸索狀鋼管預應力束，在鑄鋼球節(jié)點處轉(zhuǎn)角達40o。該鑄鋼節(jié)點與懸索鋼管、下部兩根人字型鋼管支柱以及斜管剛結(jié)。為了能順利將預應力束從懸索狀鋼管引入斜管，應當在鑄鋼節(jié)點上部留有一定的操作空間，可以在不影響球節(jié)點整體性的前提下將鑄鋼球節(jié)點分成兩部分制作：主體球冠與鞍座整體澆鑄，封頂球冠等穿束完畢后和主體球冠焊接；鞍座曲面圓滑，下設加勁肋。鞍座長1000mm，內(nèi)徑250mm，轉(zhuǎn)角半徑900mm，中心線和預應力束延長線相切；加勁肋鋼板厚30mm，分縱橫向布置，縱向3塊，間距40mm，橫向四塊，間距150mm。（1）懸索狀鋼管鑄鋼節(jié)點有限元分析①鑄鋼節(jié)點實體模型由于外載是沿鑄鋼節(jié)點肢桿截面均勻分布的，故在有限元模型中各肢桿端面未削坡口，有限元實體模型見下列視圖。懸索狀鋼管鑄鋼節(jié)點實體模型正視圖實體模型側(cè)視圖實體模型底視圖實體模型剖面圖鞍座模型側(cè)視圖②半空心鑄鋼節(jié)點有限元計算模型有限元計算模型圖③鑄鋼節(jié)點有限元計算結(jié)果分析鑄鋼節(jié)點的單元等效應力（SEQV）、結(jié)點等效應力以及荷載-位移曲線見下列圖。鑄鋼節(jié)點剖面單元等效應力圖鑄鋼節(jié)點剖面結(jié)點等效應力圖鑄鋼節(jié)點荷載-位移曲線圖5.6“V”形支撐后支撐柱鑄鋼節(jié)點后支撐柱預應力束，在鑄鋼球節(jié)點處轉(zhuǎn)角達55o。該鑄鋼節(jié)點與箱型梁、后支撐柱以及環(huán)梁連接。為了能順利將預應力束從后支撐鋼柱引入箱型梁，應當在鑄鋼節(jié)點內(nèi)設置鞍座，鞍座曲面圓滑，下設加勁肋。鞍座長900mm，內(nèi)徑200mm，轉(zhuǎn)角半徑800mm，中心線和預應力束延長線相切；加勁肋鋼板厚30mm，分縱橫向布置，縱向3塊，間距40mm，橫向四塊，間距150mm。（1）鑄鋼節(jié)點有限元分析①鑄鋼節(jié)點實體模型由于外載是沿鑄鋼節(jié)點肢桿截面均勻分布的，故在有限元模型中各肢桿端面未削坡口，有限元實體模型見下列視圖。實體模型正視圖實體模型側(cè)視圖實體模型底視圖實體模型剖面圖②半空心鑄鋼節(jié)點有限元計算模型有限元計算模型圖③鑄鋼節(jié)點有限元計算結(jié)果分析鑄鋼節(jié)點的單元等效應力（SEQV）、結(jié)點等效應力以及荷載-位移曲線見下列圖。鑄鋼節(jié)點剖面單元等效應力圖鑄鋼節(jié)點剖面結(jié)點等效應力圖鑄鋼節(jié)點荷載-位移曲線圖5.7結(jié)論①鑄鋼節(jié)點計算結(jié)果：鑄鋼節(jié)點計算結(jié)果果表鑄鋼節(jié)點體積（m3）重量（t）單元SEQV（N/mm2）結(jié)點SEQV（N/mm2）安全系數(shù)MinMaxMinMax懸索狀鋼管0.3182.4780.1116.91.0118.32.5箱型梁后支撐柱0.2331.830.1173.20.13173.12鑄鋼節(jié)點安全系數(shù)數(shù)約2~2.5倍，滿滿足工程要求求。②懸索狀鑄鋼節(jié)點最最大拉應力出出現(xiàn)在鞍座邊邊緣以及鋼板板加勁肋和鑄鑄鋼球內(nèi)壁相相交處；箱型型梁后支撐柱柱鑄鋼節(jié)點最最大拉應力出出現(xiàn)在后支撐撐柱與環(huán)梁鋼鋼管交匯處。為為避免局部應應力集中，實實際鑄造中鑄鑄鋼節(jié)點斷面面轉(zhuǎn)角以及各各構(gòu)件相交處處應圓弧過渡渡，防止在轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角處應力集集中。③建議鞍座上表面設設置四氟乙烯烯滑動墊層，防防止預應力束束表面PE塑料外套損損傷。6.預應力施工組織管管理6.1預應力施工工進度安排按照工程進度計劃劃的要求并結(jié)結(jié)合本分項工工程的工藝特特點安排本分分項工程的施施工進度計劃劃，確保工程程總進度計劃劃的實現(xiàn)。預應力分項工程施施工穿插于土土建施工和鋼鋼結(jié)構(gòu)安裝工工序中，為保保證工期和質(zhì)質(zhì)量、土建、鋼鋼結(jié)構(gòu)、預應應力施工單位位密切配合。鋼結(jié)構(gòu)安裝到位后后，盡快張拉拉預應力筋，以以保證鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)支撐拆除。6.2預應力施工工組織管理體體系6.3預應力施工工主要設備序號設備名稱單位數(shù)量1ZB-500/4400高壓油油泵臺42千斤頂（32t、150t、250t）臺63卷揚機臺24定滑輪個105電焊機臺66砂輪切割機臺27角向磨光機臺48擠壓機臺29接線盤個610葫蘆個86.4預應力施工工質(zhì)量管理質(zhì)量檢查程序質(zhì)量保證程序質(zhì)量管理流程質(zhì)量保證措施（1）采購物資的質(zhì)量量保證：①總則A、采購物資時，須須在確定合格格的分供方廠廠家中進行采采購，所采購購的材料、設設備必須有出出廠合格證、材材質(zhì)證明和使使用說明書，對對材料、設備備有疑問的禁禁止進貨，材材料進貨要對對材料質(zhì)量、規(guī)規(guī)格、性能、服服務及價格進進行多方面的的考察或試驗驗后確定。B、加強質(zhì)量檢測，采采購物資要根根據(jù)國家、地地方政府主管管部門的規(guī)定定、標準、規(guī)規(guī)范及合同規(guī)規(guī)定要求，按按經(jīng)批準的質(zhì)質(zhì)量計劃要求求進行抽樣和和試驗，并做做好標記，當當對其質(zhì)量有有懷疑時應加加倍抽樣或全全數(shù)檢驗，嚴嚴把質(zhì)量關(guān)。②對預應力材料的具具體要求A、預應力鋼絞線a、采用1860級級低松弛高強強鋼絞線，使使用時應有生生產(chǎn)廠家的質(zhì)質(zhì)量保證書，鋼鋼絞線的質(zhì)量量驗收參照國國家標準。按按規(guī)定進行力力學性能檢查查鋼絞線的屈屈服強度、破破斷強度、伸伸長率，應滿滿足規(guī)范要求求方能使用。b、應分批進場，進進場后現(xiàn)場儲儲存應架空堆堆放在有遮蓋蓋的棚內(nèi)，最最好堆放在倉倉庫內(nèi)。c、預應力鋼絞線進場場驗收，按《預預應力混凝土土用鋼絞線》（GB5224-1995）標準規(guī)定的要求在制作前作隨機抽樣，其抗