大跨度懸垂梁及預應力斜拉索施工技術總結

1、.大跨度懸垂梁及預應力斜拉索施工技術總結 北京南站改擴建工程 大跨度懸垂梁及預應力斜拉索施工技術 應用技術總結 張建設 袁振興 史蘭明 張力光 1. 應用情況簡介 北京南站站房東、西兩側設有無站臺柱雨篷，結構形式為大跨度鋼結構輕質屋面，建筑設計成扇貝造型。雨篷結構主要包括支承于軌道層-1.600m標高的A字型塔架柱及其所支撐的屋面環(huán)梁、主梁、次梁及支撐等上部結構兩部分。屋面主梁設計為懸垂下彎曲線形工字鋼梁（以下簡稱懸垂主梁），截面形式為600×350×10×20mm、450×200×8×12mm（構件主要材質Q345C），東、西雨篷區(qū)

2、對稱布置，共計188根。每三根懸垂主梁組成一個結構單元，間距為6866mm，中間設有H型鋼次梁及圓管支撐。懸垂主梁設計最小跨度為9772mm，最大跨度為67500mm，設計最大下垂高度為6464mm，單榀最大重量為10.5噸。 每榀懸垂主梁通過其兩端的耳板與A字型塔架柱上的耳板及其前后環(huán)梁上的耳板用銷軸鉸接相連，將內、外、中A字型塔架柱和環(huán)梁連為一個整體，形成一個完整的屋面。懸垂主梁下部設有預應力拉索，以抵抗向上的風荷載。雨篷屋面結構單元詳見圖1所示： 圖1：雨篷屋面結構單元圖 懸垂主梁與A字型塔架柱、環(huán)梁連接節(jié)點圖如圖2、3所示： 圖2：主梁與A字型塔架連接節(jié)點 圖3：主梁與環(huán)梁連接節(jié)點 預

3、應力斜拉索根據(jù)懸垂主梁結構單元，將東、西雨篷分別劃分為15榀預應力鋼結構桁架，兩區(qū)沿軸線對稱布置。全部30榀桁架均為兩跨，每跨配置12至24根鋼拉索。索體采用兩種規(guī)格，一種規(guī)格強度等級為1570MPa的 6×37+1WS鋼絲繩，直徑22mm，外包26mmPE護層，最小破斷力為217.8KN；另一種規(guī)格強度等級為1670MPa的 6×37+1WS鋼絲繩，直徑32mm，外包37mmPE護層，最小破斷力為490KN。 拉索一端為固定端，銷接在懸垂主梁拉索連接板上，一端為調節(jié)端，銷接在A塔拉索耳板上 ，調節(jié)范圍±150mm，最大索長為29185mm。在每榀懸垂主梁下翼緣上

4、設計有48根拉索。拉索及懸垂主梁結構大樣見圖4示： 懸垂主梁 拉索 A塔A塔拉索懸垂主梁圖4：拉索及懸垂主梁結構大樣 圖5：雨篷懸垂主梁及斜拉索平面布置圖 2雨篷懸垂主梁及斜拉索設計原理 北京南站雨篷結構屋面設計建筑造型為雙曲面，屋面各類荷載通過H型鋼懸垂主梁傳遞到主桁架上，再通過主桁架經A字型塔柱傳遞到混凝土基礎上，為了確保建筑造型和結構受力，將雨篷結構主梁設 計為高度600及450mm的懸垂曲線形工字鋼（以下簡稱為懸垂主梁）。當自重、雪荷載、向下風荷載等來自屋面的向下荷載作用時，由于工字鋼梁的跨度很大而截面高度很小，它的抗彎剛度非常小，發(fā)揮不出其抗彎性能，所以僅利用工字鋼的抗拉剛度，使其像

5、拉索一樣以拉力來承受荷載；當向上風荷載作用時，則利用懸垂工字鋼的抗彎剛度，以拱的形態(tài)來承擔荷載。為了使懸垂工字鋼梁能最有效的發(fā)揮其拱形作用，在工字鋼和A型框架柱之間安裝了斜拉索，減小其計算長度，以確保其平面內的穩(wěn)定性來支承向上荷載的能力。斜拉索用來穩(wěn)固工字鋼梁，不會直接承受向上的荷載，所以它只有較小的拉力，直徑很小，不會對站內景觀造成任何影響。 3雨篷懸垂主梁及斜拉索結構施工的關鍵技術及創(chuàng)新點 3.1懸垂主梁及斜拉索施工流程及技術要點 懸垂梁及斜拉索施工總體流程：根據(jù)雨篷鋼結構設計情況，對每根鋼梁進行放樣，根據(jù)每個懸垂主梁的實際長度，在工廠將每根懸垂主梁分為4-6個制作分段，方便構件的運輸；制

6、作分段運輸?shù)桨惭b現(xiàn)場后在地面拼裝為23個吊裝段進行分段吊裝；在對應懸垂主梁對接口處設置臨時支撐，并在臨時支撐頂部設置高空作業(yè)平臺，對懸垂主梁接頭進行高空焊接；吊裝次梁及支撐等次結構；在每個區(qū)域屋頂結構全部安裝、焊接完成之后再拆除支撐，并做好結構位移變形檢測，最后分區(qū)域安裝預應力拉索并逐根進行張拉。 因此為使本工程達到設計質量要求，根據(jù)結構特點，確定本工程技術要點及措施如下：將懸垂梁進行分段吊裝，在分段對接口處設置臨時支撐來控制對接口處標高；在臨時支撐下部設置路基箱，使其穩(wěn)定且避免支撐托架受力后沉降，以保證懸垂梁下沉量在設計之內 懸垂梁空中對接、定位及焊接質量：在高空定位拼接平臺頂部設置定位板，

7、以利于荷載分散及懸垂梁分段點處的對接質量；確定合理的焊接順序，避免焊接應力的集中，保證焊接質量。以雨篷屋面設計的伸縮縫為界，將東西雨篷桁架分為六個分區(qū)，張拉施工以桁架為單位各自北向南逐榀張拉，各分區(qū)各桁架張拉時間的先后對其他分區(qū)和桁架均不產生影響。拉索索力及結構位移雙控：張拉過程中，采用索力動側儀檢測拉索索力，全站儀同步監(jiān)測結構位移，檢測數(shù)據(jù)相互校核，保證張拉質量。 3.2懸垂主梁重點及難點施工技術 3.2.1懸垂主梁地面拼裝 懸垂主梁為弧形且跨度大，為便于加工制作、安裝，根據(jù)每根懸垂梁的長度，將每根梁分為幾個分段加工制作，運輸?shù)桨惭b現(xiàn)場后在地面拼裝為23個吊裝段進行分段吊裝。 圖6：懸垂梁吊

8、裝分段拆分圖 圖7：懸垂主梁地面拼裝 3.2.2臨時支撐托架布置 在每個吊裝分段的接口部位根據(jù)接口處位置懸垂主梁的控制標高設置臨時支撐托架，此臨時支撐托架作為吊裝時的支撐及懸垂主梁的高空定位拼接平臺。臨時支撐托架采用鋼管格構柱。在施工過程中對臨時支撐托架應進行相應的工況、變形及承載驗算，以確保施工的安全。 圖8：臨時支撐托架布置示意圖 主梁最大分段重量約為6.0t，故設置胎架應在其胎架上端設置端頭定位鋼板，以利于荷載分散及懸垂主梁此分段點處標高的控制。具體見圖9： 圖9：臨時支撐托架頂部構造 臨時支撐托架底部與基面連接形式：施工中為盡可能減小支撐沉降對結構的影響，在支撐格構柱下端墊設比支撐截面

9、稍大的柱腳鋼板并用鋼楔將制成與地面墊實。 圖10：臨時支撐托架底部構造 圖11：懸垂主梁安裝用臨時支撐 3.2.3懸垂主梁吊裝流程 雨篷上部懸垂主梁安裝根據(jù)結構平面形式劃分成安裝單元，每個安裝單元由與A字型塔架柱相連的一根主梁和與其相鄰的兩根梁及此三根梁之間的次梁及支撐構件組成。 以一個標準單元說明吊裝的流程（懸垂主梁分兩段進行安裝的情況）：首先已完成本單元及下一單元的塔架安裝，同時塔架間的環(huán)梁及邊桁架也已安裝完成 中間主梁安裝兩邊主梁安裝次梁及支撐。具體作業(yè)工況如下所示： 圖12：主梁吊裝臨時支撐托架設置 圖13：分段吊裝單元內中間兩根主梁 圖14：按同樣方式安裝其余四根主梁 圖15：安裝主

10、梁間的次梁及支撐 按照上述步驟進行下一單元內構件的安裝直至雨篷鋼結構安裝完畢。 懸垂主梁吊裝時應注意以下技術要點：懸垂主梁分三段進行吊裝時，先吊裝與A字型塔架柱及環(huán)梁相連的兩個端部分段，使其一端固定于A字型塔架（或環(huán)梁）上，另外一端放置于臨時支撐托架上。利用該兩段端頭銷接的結構特點，用全站儀分別對這兩個吊裝分段進行校正，將懸垂主梁整體直線度，跨中垂直度，控制點標高調整到安裝設計值后，再將中間分段直接吊裝就位，能有效的保證懸垂主梁的安 裝質量及精度；懸垂主梁分兩段進行吊裝時，兩段依此吊裝，并分別對兩個吊裝分段進行軸線及標高校正，再進行對接頭焊接，最終確保安裝精度。 圖16：先吊裝兩端銷接分段 圖

11、17：吊裝懸垂主梁分段 3.2.4屋面鋼結構卸荷及結構位移測試 為避免主梁安裝臨時托架拆除時對結構造成影響，采取分階段拆除的方式進行，即每完成相臨兩個懸垂主梁單元安裝并形成局部穩(wěn)定體系，并開始進行第三個單元安裝時方可拆除第一個主梁單元的安裝單元下的支撐托架。 在拆除臨時支撐托架過程中需對以下內容進行監(jiān)測： （1）臨時支撐托架自身的變形監(jiān)測； （2）支撐點（包括主梁及外邊桁架）實際拆卸位移的監(jiān)測；應在拆除過程中將實際測量結果與理論值和起拱值進行比較若誤差較大應及時進行調整。 每榀主梁單元拆卸時共設置2個測量控制點，每個點架設一臺全站儀，且此兩臺全站儀能夠覆蓋當前懸垂主梁單元的所有臨時支撐托架，同

12、時采用刻度對比的方法觀測每個托架處的拆卸量。拆卸完畢后 再用全站儀進行全面測量。 拆卸時，為了保證結構體系的安全、平穩(wěn)過渡，由一位總指揮負責拆卸過程的指揮與協(xié)調，其他如監(jiān)測人員、安全員、調度員等統(tǒng)一由總指揮指揮調度。 以一個安裝單元為監(jiān)測對象，采用全站儀對懸垂主梁控制點的標高進行下?lián)媳O(jiān)測。懸垂主梁臨時支撐拆除之前，測量懸垂主梁中心點的臨時支撐拆除前，測量懸垂梁中心點的三維坐標，與設計值比較，得出安裝時的預抬升高度，待支撐拆除后進行復測，比較與設計值的誤差同時得出懸垂梁下?lián)舷禂?shù)，作為后續(xù)工作的數(shù)據(jù)指導。 一個安裝單元內懸垂主梁中心點坐標安裝誤差值(單位mm) 圖18：施工完畢的雨篷屋面懸垂主梁結

13、構 3.3斜拉索施工 拉索張拉流程： 每跨由外側往里側依次進行張拉 鋼結構安裝 掛索 索力動測儀監(jiān)測鋼索索力 全站儀監(jiān)測結構變形 拉索微調 安裝屋面板 圖19： 北京南站站房雨篷鋼拉索張拉和監(jiān)測施工工藝流程 3.3.1張拉步驟 經過計算雨篷鋼結構拉索最大張拉力50kN ，同時考慮到施工現(xiàn) 場條件和施工進度等方面的要求，本工程鋼索張拉選用10噸級別千斤頂。張拉設備采用預應力鋼結構專用千斤頂和配套手壓油泵、油壓傳感器、讀數(shù)儀及專用千斤頂支撐架。 每榀桁架均為兩跨，每跨配置12至24根鋼拉索，呈對稱布置分別安裝在結構兩側。每榀桁架依次由每跨的外側往里側對拉索進行張拉，第一跨張拉完畢后張拉第二跨。將結

14、構內側一跨的2至4個張拉組按兩側支座向跨中的方向依次施加張拉應力到100%con；再將結構外側一跨的2至4個張拉組按兩側支座向跨中的方向依次施加張拉應力到100%con。 圖20：拉索張拉施工 3.3.2預應力鋼索張拉測量數(shù)據(jù)的記錄 每次張拉，都須記錄索力動側儀的讀數(shù)和每組張拉設備中讀書儀所顯示的數(shù)值，其記錄數(shù)值應當在允許范圍內。張拉前后和張拉過程中須逐根測量預應力鋼索調節(jié)端絲扣的外露長度。在受力為10%con 時的調節(jié)端絲扣長度作為原始長度L0，第二級張拉完成后絲扣長度為L1，則鋼索伸長值記為La = L1 L0 。測得的鋼索伸長值La與仿真計算得到的鋼索理論伸長值L t之間的差值L應在理論

15、伸長值Lt的允許范圍內。 3.3.3預應力鋼索張拉監(jiān)測 為保證結構在施工期的安全，并使預應力鋼索張拉與設計相符，必須進行預應力鋼索張拉階段的監(jiān)測。本工程施工階段監(jiān)測包括兩部分內容，預應力鋼索的受拉應力監(jiān)測為主，結構變形監(jiān)測為輔。 采用油壓傳感器和JMM-268索力動測儀對鋼拉索進行索力檢測。油壓傳感器安裝于液壓千斤頂油泵上，通過配套讀數(shù)儀可隨時監(jiān)測到張拉設備施加給每根鋼索的實際輸出力值，以保證預應力鋼索施工完成后的應力與設計單位要求的應力吻合；在預應力鋼索張拉的過程中，采用全站儀進行變形監(jiān)測，并結合施工仿真計算結果，安全、有效地保證鋼結構預應力施工。全站儀的測點位于與拉索相連的桁架節(jié)點處。全站

16、儀所測得的數(shù)據(jù)可為鋼索預應力張拉提供輔助校核。 圖21：拉索張拉完畢的雨篷結構 4.技術水平及推廣應用前景 在北京南站雨篷結構全部施工完畢后，通過對結構安裝精度的測量和驗收，以及斜拉索索力值的檢測，雨篷懸垂梁在結構受力及建筑造型上都達到了設計的要求。雨篷屋面系統(tǒng)在懸垂主梁和拉索結構綜合技術的運用下，既有效的保證了屋面結構承受積雨、積雪、積冰等屋面荷載，又增大了構件的反向抗彎剛度，有效的抵抗了自然環(huán)境及行車帶來的負風壓荷載，同時拉索和懸垂主梁相互約束位移、內力相互制約、采用鉸接節(jié)點的綜合新技術也有效的消除了行車帶來的振動荷載，并且該技術的應用也很好的保證了雨篷結構雙曲屋面的建筑效果，優(yōu)化了整體結構的用鋼量，體現(xiàn)了北京南站建筑造型設計的理念。該項技術填補了國內大跨度曲線型鋼梁應用的空白，對同類曲線形鋼梁的設計及施工有很好的借鑒作用，具有很高的推廣價值。 5綜合效益分析： 懸垂主梁及斜拉索的安裝施工技術，工藝先進、技術合理，有效的解決了現(xiàn)場施工的諸多難點，產生了良好的社會及經濟效益。 （1）、質量控制情況好 采用臨時支撐作為懸垂主梁吊裝時的支撐及懸垂主梁的高空定位支架，以及高空對接、焊接操作平臺，有效的控制了懸垂梁高空安裝的施工質量，使其安裝軸線、曲線度及最低點標高100的控制在了設計及規(guī)范要求的范圍內；采用索力及結構位移雙控的監(jiān)測方法，有效的控制了預應力拉索施工質量，