秦皇島體育場預應力懸臂桁架綜合施工技術

1、秦皇島體育場預應力懸臂桁架綜合施工技術 摘  要  為了獲得更大的使用空間，懸臂結構以其特有的結構特點在鋼結構中的應用越來越廣泛，特別是預應力這種可以簡化結構受力形式、減少結構用鋼量的工藝在懸臂桁架中的應用，形成了其獨特的結構形式，因此其施工工藝也不同于一般的鋼結構，值得進行探討和研究。關鍵詞  體育場  懸臂桁架  預應力  綜合施工技術 1  體育場鋼結構簡介 秦皇島奧體中心體育場是我國申奧成功后修建的第一座奧體運動場，結構形式為預應力空間懸

2、挑鋼桁架結構，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，最大懸挑長度為41.8m，其重心在支撐點外，為保證結構受力平衡，其中部利用預應力索拉起，索的拉力又通過柱頂的雙立柱傳遞到后拉桿上，然后從下拉桿傳遞到砼柱側面的埋件上。主桁架之間標高各異、波浪起伏，整體造型猶如馬鞍形，見圖1、圖2、圖3。由于單榀桁架側向極不穩(wěn)定，因此主桁架之間通過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)定結構，因此拱梁和主桁架上弦通過鋼索連接形成三角形穩(wěn)定體系。正是這些打破常規(guī)設計和概念的不穩(wěn)定體系組成了本工程蔚為壯觀的屋架系統(tǒng)，同時

3、也為結構的制作和安裝帶來極大的困難。本工程鋼材的材質均為Q345b，結構總重約1800t，主要參數如下表。序號    結構名稱    結構特點    相關數據 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29.4m 3    拉  索    鋼芯鋼絲索，外面為PE護套    ø55 4    拱架索    鋼芯鋼絲索    ø53m 2  結構安裝順序 根據主桁架受力特點和結構特征，確定安裝順序如下：承重架

5、-主桁架-雙立柱-后拉桿-下拉桿-預應力索。 1）首先安裝承重架是因為主桁架為單點支撐結構，如果沒有其它支撐點外，自身無法穩(wěn)定，因此必須在前端搭設承重腳手架，形成兩點支撐的穩(wěn)定體系。 2）根據應力傳遞的路線，和后部傳力構件的特征（本身為三角形穩(wěn)定體系），雙立柱是一個重要的受力環(huán)節(jié)，沒有它結構前端的重量就無法傳遞到后部，而且鋼索和后拉桿的連接節(jié)點也都在雙立柱上，因此第二步必須先安裝雙立柱，并嚴格控制其上部節(jié)點的標高，和本身的垂直度。3）根據力學模型的特點，再安裝后拉桿，使雙立柱、后拉桿、和主桁架成為一個三角形穩(wěn)定體系，這樣就可以確保其它構件安裝的精度，減少安裝過程中各種原因造成的誤差。4）安裝預

6、應力鋼索。通過張拉賦予鋼索預應力，這樣其它受力構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械的性能、土建結構外形的影響、砼結構受力狀況、構件的重量和剛度等因素后，確定了大部分構件整體吊裝、部分構件分段吊裝高空對接、超大構件雙機抬吊的方案。 2）施工機械的選擇  本著經濟適用的原則，選用了150t履帶起重機和300t汽車起重機作為主要施工機械。3）承重架的搭設  在搭設承重架時就要考慮到工程結束時如何拆除承重架，為此在承重架的選擇上我們采用架身為標準節(jié)，

7、標準節(jié)頂部用腳手管搭設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，施工時也比較方便。4）主要測量監(jiān)控措施  主要控制項目包括主桁架端頭和支座的標高、整體的側向位移、平面扭曲度、雙立柱的標高和垂偏。這些項目同時也影響到預應力施加的精度。由于現場測量監(jiān)測控制面廣，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、塔尺進行控制的施工方法，不但測量精度無法保障，而且施工效率非常緩慢，危險性也較大。為此我們充分發(fā)揮了全站儀等先進儀器的作用，采取一步到位的測量方法，盡量減少中間環(huán)節(jié)產生的各種誤差，保證了測量結果的有效性和準確性。我們首

8、先通過計算確定控制點的標高和平面位置，利用桁架整體沿軸線方向布置的特點，在兩端做好控制標志，用全站儀同時監(jiān)控上述三個控制項目，使用該方案不但減少了中間的控制環(huán)節(jié)和累積誤差，保證了數據的精確性，而且還提高了施工效率。 4  預應力鋼索的施工 4.1  簡介 主桁架為懸臂桁架，設計采用的是通過斜拉索進行固定，拉索規(guī)格為直徑ø55的鋼芯鋼絲索，外面為PE護套，每根拉索的調節(jié)量為100，按照GB/T18365-2001的標準，通過3000kN臥式拉力試驗機對彈性模量進行檢測，拉索的彈性模量為E=1.95×105MPa。鋼索首先經過預張拉，以消

9、除殘留應變，防止工程中索因蠕變效應而產生松弛。預張拉載荷至少為鋼絲繩破斷荷載的55，次數不少于兩次，每次持荷時間為60min。 鋼索容許應力（短期）= 鋼索破斷應力/2.2鋼索容許應力（長期）= 鋼索破斷應力/3.0 本工程中懸挑端的重量是通過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構以后的變形量。而由于索頭構造上存在的缺陷，索的張拉后來成為制約工程竣工驗收的瓶頸。我們?yōu)榇酥谱髁藢Ｓ迷O備，并經過了實踐的考驗，為國內索的張拉提供了一個新途徑。 4.2  拉索應力控制的常用方法1）利用彈性模量進行控制  拉索的彈性模量已經通過

10、實驗得出，利用公式L=F/（E×S）（L為達到拉力F時的伸長量，F為拉力，E為彈性模量，S為拉索截面積）可以計算出拉索需要的伸長量，在拉緊過程中隨時測量拉索的長度L1，計算出L1和拉索沒有受力前的自然長度L2的差值，當達到L時拉力達到設計值。 2）出廠前在拉索調節(jié)端的螺紋上做標記  由拉索制造廠家根據設計要求的數值，在出廠前就在螺紋上做好標記（標記的計算原理和上述方法相同），當套筒擰到標記處時即表示拉力已達到設計值。 3）通過帶有壓力表和液壓泵的專用設備進行張拉  其原理是通過不斷增加設備作用在鋼索錐頭上的壓力來抵消鋼索在套筒上產生的拉力，進而

11、可以擰緊套筒，當設備卸荷后，套筒受力完成張拉。該設備帶有壓強表，可以直接讀取壓強值P（單位MPa），但由于是壓強值，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），設計允許變化范圍為±20%。 4.3  預應力鋼索的施工 1）施工方法的選擇  按照第一、第二兩種方法施工原理可行，但在實際操作時，由于結構制作、安裝的偏差，可能會出現超過或未達到設計值的情況，而且對拉力無法進行精確控制，因此在施工中我們按照第三種方法進行張拉，并且當主桁架和支撐全部安裝完畢，所有拉索經過二次張拉后，在拆除主桁架前段的

12、承重架時，進行最后一次張拉。 2）預應力施加工藝  主桁架整體受力體系中所有的桿件安裝完畢后，根據設計提供的預應力值對鋼索進行預張拉，該值為最大應力的50%。首先通過計算把該值的單位換算為壓力表應達到的兆帕值，便于安放專用工裝設備進行操作。當達到所需兆帕值后，對另一根索施加預應力，然后復測前一根索的拉力，觀察張拉后一根索后前一根索內力的變化。檢查證明前一根索的內力沒有變化。這是因為兩根索產生拉力的垂直分力還沒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拉力后并沒有向上產生變形，這樣雖然兩根索沒有同時張拉，但其相互之間并沒有影響。3）最后張拉  

13、;隨著主桁架前端支撐結構的拆除，原來承重架所承受的壓力轉移給拉索，造成索應力的增加，當承重架全部拆除完畢后，對索的拉力進行檢測，并對應力小于設計值的拉索進行最后張拉達到設計值。4）影響拉力值的因素  索的蠕變效應會使拉力值變小，但通過工廠的預張拉，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件的安裝。這是因為隨著構件的不斷安裝，承重架受到的壓力不斷變大，這樣就造成基礎的沉降和架頂承重件的變形，而出現主桁架前端標高下降的現象，進而造成預應力拉索長度出現微小增加，根據彈性變形的原理，索的內力也會呈現增加趨勢。5）鋼索構造中的問題  索的拉力

14、的調整是通過旋轉中間的套筒進行的，原理和花籃螺絲一樣，但索產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法克服的。因此必須設法減小摩擦力才能進行張拉，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備進行操作，增加施工難度和成本。5  桁架撓度和拉索應力值的變化分析 本工程主體結構為懸臂結構，在整體沒有閉合之前，該設計形式會對支座部分的砼柱產生巨大的彎矩，為了最大限度滿足設計時采用的計算模型所依據的工況，所有主桁架前端的支撐在所有恒荷載施加以后再進行拆除，以實現設計計算模型需要達到的工

15、況，而且主桁架高低錯落，形似馬鞍型，主桁架依靠內環(huán)桁架進行支撐，當結構依靠內環(huán)桁架閉合以后，就會在內環(huán)切線沿主桁架方向產生巨大的推力，這部分外力可以抵消部分主桁架自重產生的彎矩，因此承重架拆除順序的選擇對結構撓度影響很大，見圖3。 5.1   設計撓度值 各榀懸臂主桁架最大設計撓度值如表1所示。從表可以看出，在自由狀態(tài)下懸臂結構端頭的變形非常大，這樣就會對相鄰結構產生較大的影響，如果控制措施不得力有可能造成其它結構的永久變形，特別是對鋼索的拉力也會產生直接影響。 表1  各榀懸臂主桁架設計撓度值 5.2  承重架拆除方案 1

16、）拆除順序的選擇  根據結構特征和力學狀況，選擇從高向低處拆除的施工順序。如果從低向高處拆除，低處桁架通過兩側內環(huán)會對相臨的兩個主桁架產生向下的拉力，而且在自重作用下它也會向下沉，雖然相臨桁架對它有一個拉力，但它仍會以和內環(huán)桁架的連接部位為節(jié)點下沉。隨著拆除的進行，高處桁架受低處桁架的影響會產生下沉的趨勢，低處桁架則會越來越低，等承重架拆除完畢后結構整體的變形就會很大。如果從高向低處拆除，低桁架通過內環(huán)對主桁架產生向上的支撐力，而且在自重作用下也不會下沉。2）拆除方法  本工序是整個體育場鋼結構施工最后一道工序，為確保工程質量、避免發(fā)生意外事故，采用分次

17、降低承重架頂支撐平臺高度的方法，4次逐步降低平臺高度，避免相臨主桁架出現較大的高差而產生變形破壞。根據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高度。當平臺完全脫離主桁架后，整個屋蓋呈自由狀態(tài)時靜置12天，然后對主桁架下拉桿和埋件的焊縫進行認真細致的檢查，同時對整個屋蓋端頭的標高和側向位移進行復測，發(fā)現問題及時處理，如沒有問題則拆除標準節(jié)。 3）技術保障措施  拆除過程中用經緯儀和全站儀隨時監(jiān)測主桁架側向位移和標高變化，避免出現撓度值超過設計值，當整個屋蓋呈自由狀態(tài)時靜置12天進行標高復測，觀測主桁架標高變化，同時要檢測索的應力變化。 5.3 &

18、#160;撓度變化 主桁架前端支撐平臺分四次進行降低，在降低過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，當第三次進行降低時部分桁架的下降值達不到四分之一，當第四次進行降低時部分桁架在降低過程中停止下降，分析原因是支撐結構對主桁架有很大的支撐力，隨著支撐結構的拆除，支撐力釋放，主桁架下撓，在下撓過程中拉索變長拉力增加，阻止了主桁架下撓，當拉力增加到和結構重力平衡時，主桁架停止下撓。 當平臺完全脫離主桁架后，整個屋蓋呈自由狀態(tài)時靜置12天，對整個屋蓋端頭的標高進行復測，發(fā)現變化很小，均未超出設計值。索的應力值的變化 隨著主桁架前端支撐結構的拆除，原來承重架所承受的壓力轉移給拉索，造成索

19、應力的增加，當承重架全部拆除完畢后對索的拉力進行檢測，發(fā)現所有的拉索的應力值均未達到設計值，對應力小于設計值的拉索進行最后張拉達到設計值。 通過上述方法進行控制，主桁架撓度和拉索應力值均未超出設計值，對相鄰結構也未造成損壞，使結構一次達到設計狀態(tài)。 6  防腐施工技術 6.1  環(huán)境特點秦皇島體育場鋼結構工程施工地點瀕臨海洋，結構投入使用后受海洋鹽霧氣候的影響較大，因此對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較為嚴重的銹蝕現象。 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  產品特點1）本產品防銹能力強，并有陰極保護和導靜電作用。水性富鋅涂料涂層附著力強、機械強度好，不影響焊接，是性能優(yōu)良的環(huán)保型涂料，可單獨使用，也可用作防銹底漆。2）本產品為兩組份，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）主要用于鋼結構、房梁架、貯罐、鋼管、橋

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

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

23、160;  級    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