廣州某大型會(huì)展中心鋼結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力施工方案

鋼結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力施工方案1.概述張弦式屋架是一種新型的大跨度的屋架，上海****國(guó)際機(jī)場(chǎng)的候機(jī)廳及登機(jī)廊就采用了這種屋架形式。此屋架的結(jié)構(gòu)特征是下弦為柔性鋼絲索，而上弦為有相當(dāng)抗彎剛度的鋼管或桁架，無(wú)斜腹桿。要確定張弦屋架的下弦預(yù)應(yīng)力張拉方案、測(cè)試方案及選用的張拉設(shè)備，須根據(jù)設(shè)計(jì)提供的荷載資料，對(duì)張弦屋架在各基本受荷下的內(nèi)力及變形有一初步計(jì)算分析。顯然，張拉過(guò)程中絕對(duì)不允許出現(xiàn)屈曲失穩(wěn)現(xiàn)象，為此在第四部分對(duì)張拉屈曲進(jìn)行了討論。計(jì)算表明，對(duì)于方案預(yù)估的預(yù)應(yīng)力值不會(huì)出現(xiàn)屈曲現(xiàn)象。計(jì)算分析使用了ANSYS程序。文中列出的圖及數(shù)據(jù)均由ANSYS程序直接提供。文內(nèi)講述的均為6榀屋架組成BLOCK的內(nèi)部屋架；BLOCK端部屋架的荷載不同于內(nèi)部屋架，因此張拉預(yù)應(yīng)力及位移值有所不同，但方法是相同的，不再贅述。2.四種基本荷載的計(jì)算計(jì)算模型使用了ANSYS程序的管單元PIPE16，局部模型如圖1所示。平行鋼絲索也采用PIPE16單元（二倍的管壁厚等于管外徑）。張弦桁架的豎桿上下端為鉸結(jié)，上弦桁架各管之間為固結(jié)。屋架左端水平位移約束，右端無(wú)水平位移約束。正前視時(shí)，能見(jiàn)到的單元及其單元號(hào)如圖2所示。其中上弦桁架的節(jié)點(diǎn)號(hào)如圖3所示。在下面的受荷計(jì)算中，將給出張弦桁架的各管元的軸向力、軸向平均應(yīng)力圖和節(jié)點(diǎn)位移圖。準(zhǔn)確的數(shù)值可查閱相應(yīng)的表。圖1圖2圖3張弦式屋架在施工過(guò)程中所受的荷載情況如下：1.自重荷載：張弦桁架重量為1.33×105kg；2.單純平行鋼絲索張拉力荷載由施工方案確定；3.鋼檁條荷載：鋼檁條荷載為5.42×105N，均布于屋架模型上部節(jié)點(diǎn)；4.屋面板恒載：屋面恒載為4.0×102N/m2，每跨荷載為7.56×105N，均布于張弦桁架上部節(jié)點(diǎn)。3.張拉施工方案在初步計(jì)算結(jié)果分析基礎(chǔ)上制訂的預(yù)應(yīng)力張拉施工的步驟如下：上弦桁架在地面胎模上拼裝；張拉下弦平行鋼絲索，張拉結(jié)束時(shí)屋架跨中到達(dá)按施工方案設(shè)定的豎向位移值；屋架上吊柱上就位后，安裝檁條；如需要，進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉調(diào)整；鋪設(shè)屋面板。施工時(shí)6榀屋架為一個(gè)BLOCK單元，各單元間施工獨(dú)立。根據(jù)設(shè)計(jì)施工安排的不同，胎模的形狀曲線是最終屋面加荷后目標(biāo)形狀曲線。根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果知，檁條和屋面板荷載作用下，屋架跨中將會(huì)產(chǎn)生-217.8mm豎向位移。既然胎模形狀為原屋架形狀，在胎模上張拉時(shí)應(yīng)使屋架跨中起拱217.8mm，以抵消以后檁條和屋面板荷載產(chǎn)生的豎向位移。按此方案張拉后張弦式桁架的內(nèi)力如圖4，應(yīng)力如圖5，豎向位移如圖6。圖4圖5圖6按此方案張拉，張弦桁架端平行鋼絲索的張拉力為166.76×104N；張拉端鋼絲索和桁架的水平相對(duì)位移量為207mm，總相對(duì)位移量估算為250mm（因鋼絲索傾斜）。屋架右端的絕對(duì)位移量為-148.9mm；最大拉應(yīng)力發(fā)生在鋼絲索端為127Mpa；最大壓應(yīng)力發(fā)生在上弦桁架端起第三豎桿處為-87Mpa，如圖7所示。按此方案張拉時(shí)，構(gòu)件的應(yīng)力均小于設(shè)計(jì)強(qiáng)度。圖7經(jīng)計(jì)算，屋架安裝檁條后鋼絲索的張拉力為231.39×104N，此為調(diào)整張拉時(shí)，張拉端所需張拉力值下限。4.屈曲分析對(duì)于超長(zhǎng)跨且無(wú)側(cè)向支撐的張弦屋架下弦預(yù)應(yīng)力張拉與吊裝施工，為慎重之，應(yīng)進(jìn)行屈曲復(fù)核驗(yàn)算。設(shè)定屋架的二端桁架下面擱置點(diǎn)為固定點(diǎn)（右端可沿屋架水平位移），張拉桁架的自重為不變荷載，張拉力為可變荷載，想知道張拉荷載多大時(shí)，屋架屈曲失穩(wěn)，變形狀態(tài)如何。屈曲計(jì)算采用特征值EigenvalueBuckling方法。經(jīng)計(jì)算，當(dāng)張拉力達(dá)到0.99×107N時(shí)，屋架的第一屈曲變形見(jiàn)圖8，為俯視圖，變形在俯視平面上呈中心對(duì)稱。當(dāng)張拉力達(dá)到1.0×107N時(shí)，第二屈曲變形見(jiàn)圖9，為立面圖，屋架在豎向平面內(nèi)屈曲變形。兩個(gè)屈曲形態(tài)的張拉力值非常接近。圖8圖9建立屋架有限元模型時(shí)，一根桿件為一個(gè)單元PIPE16，因此計(jì)算結(jié)果力不含桿件的局部失穩(wěn)。特征值屈曲計(jì)算為線性計(jì)算。相應(yīng)的靜態(tài)計(jì)算表明，屈曲時(shí)的屋架桿件第三主拉應(yīng)力最大值為-3325Mpa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鋼材的壓屈強(qiáng)度，因此張拉力在遠(yuǎn)小于0.99×107N前，屋架就會(huì)因鋼材達(dá)到屈服強(qiáng)度而率先破壞。在施工方案里已計(jì)算出最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力值均小于材料設(shè)計(jì)強(qiáng)度值，因此，在屋架張拉施工及吊裝過(guò)程中，既不會(huì)發(fā)生屈曲失穩(wěn)，也不會(huì)發(fā)生超越材料強(qiáng)度而破壞。5.張拉施工方案5.1施工準(zhǔn)備技術(shù)準(zhǔn)備施工進(jìn)場(chǎng)前應(yīng)做好的技術(shù)準(zhǔn)備工作：1)桁架施工圖交底工作;2)桁架制作、吊裝及張拉工藝流程的交底工作;3)施工設(shè)備檢修及千斤頂?shù)臉?biāo)定工作;4)張拉反力支撐體系及專用工具的設(shè)計(jì);設(shè)備及工具準(zhǔn)備：選用見(jiàn)下表序號(hào)主要設(shè)備名稱型號(hào)數(shù)量單位備注1支撐反力架4臺(tái)2穿心式千斤頂YC-4005臺(tái)廣西柳州建筑機(jī)械械廠3電動(dòng)高壓油泵ZB-5005臺(tái)廣西柳州建筑機(jī)械械總廠廠4防震型精密壓力表表1.0級(jí)5只上海田林儀表廠5電箱380伏5臺(tái)6電箱220伏2臺(tái)7對(duì)講機(jī)4對(duì)8充電器4對(duì)9手動(dòng)葫蘆0.5t24臺(tái)10高壓油管6m20根11照明燈具5套12專用工具5套人員準(zhǔn)備若中標(biāo)承擔(dān)本工程的預(yù)應(yīng)力索張拉施工，將抽調(diào)精干技術(shù)人員組成項(xiàng)目預(yù)應(yīng)力施工部。（詳見(jiàn)項(xiàng)目經(jīng)理及主要管理人員簡(jiǎn)介）。另外調(diào)配20名經(jīng)驗(yàn)豐富的技術(shù)工人參與本項(xiàng)目施工。5.2預(yù)應(yīng)力索的選用按目前設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)沿1軸～20軸，分為5個(gè)Block,每一Block布置6榀鋼桁架。整體結(jié)構(gòu)由下弦張力索桿和上部壓桿組成，跨度為126m。其中，張力索桿采用平行高強(qiáng)鋼絲拉索，下弦配置1股，規(guī)格為337Ф7。錨具采用LM－337冷鑄錨體系，實(shí)行兩端張拉。5.3預(yù)應(yīng)力索張拉總體設(shè)想張拉階段按照有限元的計(jì)算分析結(jié)果，下弦索桿張拉建議分為以下方案進(jìn)行。1)地面胎模制作、張拉、吊裝階段：按照設(shè)計(jì)曲線1拼裝制作；考慮結(jié)構(gòu)在全部豎向荷載作用下的豎向位移進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉，結(jié)構(gòu)變形由曲線1變化曲線4。計(jì)算索力KN起拱量(mm)跨度位移(mm))1667.6217.8-72.52)屋面檁條荷載作用、索力調(diào)整階段： 安裝檁條及屋面支撐材料 按實(shí)際變形情況索力調(diào)整 結(jié)構(gòu)由曲線4變形為曲線3計(jì)算索力KN起拱量(mm)跨度位移(mm))2313.9118.76-59.13)使用荷載作用階段： 安裝屋面所有材料 結(jié)構(gòu)由曲線3變形為曲線1計(jì)算索力KN起拱量(mm)跨度位移(mm))3215.30-40.4此方案，可在地面一次張拉完成，胎模無(wú)需在制作過(guò)程中按設(shè)計(jì)最終曲線進(jìn)行預(yù)拱，一次成型。并同樣在荷載作用過(guò)程中保持結(jié)構(gòu)變形為同方向進(jìn)行。但相對(duì)而言張拉力較大。預(yù)應(yīng)力張拉：1)設(shè)備標(biāo)定：在進(jìn)場(chǎng)前應(yīng)進(jìn)行設(shè)備標(biāo)定,千斤頂、油泵配套標(biāo)定采用誤差1%的液壓式壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行標(biāo)定。發(fā)生下列情況時(shí)應(yīng)重新標(biāo)定：油壓表不歸零或損壞、失靈；千斤頂嚴(yán)重漏油或修理后；油泵修理后；千斤頂張拉設(shè)備由上海建筑工程檢測(cè)中心負(fù)責(zé)進(jìn)行標(biāo)定，使用期限為6個(gè)月。2)張拉工藝： 張拉采用二端同時(shí)、同步張拉。 張拉過(guò)程按0→20％σcon→60％σcon→100％σcon分段讀數(shù),并以同步檢測(cè)的結(jié)構(gòu)位移量進(jìn)行控制。 張拉時(shí)，二端采用對(duì)講機(jī)進(jìn)行操作聯(lián)系。3)張拉設(shè)備 張拉采用由柳州建筑機(jī)械廠生產(chǎn)的ZB500油泵及YC—400千斤頂。并配備專用操作扳手。 張力支撐反力架由本公司自行設(shè)計(jì)加工。詳見(jiàn)附圖。5.4張力支撐反力架的設(shè)計(jì)附圖1張力支撐反力架軸測(cè)圖附圖1張力支撐反力架軸測(cè)圖附圖3張拉端支座節(jié)點(diǎn)6.預(yù)應(yīng)力施工檢測(cè)方案6.1鋼屋架預(yù)應(yīng)力張拉施工檢測(cè)項(xiàng)目鋼屋架節(jié)點(diǎn)位移、鋼屋架桿件與鋼索內(nèi)力。6.2鋼屋架預(yù)應(yīng)力張拉施工檢測(cè)部位鋼屋架位移控制檢測(cè)節(jié)點(diǎn)如圖1所示，圖中4個(gè)節(jié)點(diǎn)為代表性節(jié)點(diǎn)。在鋼屋架預(yù)應(yīng)力張拉不同的施工階段，都以此4個(gè)節(jié)點(diǎn)的位移限量作為鋼屋架位移檢測(cè)的控制指標(biāo)。圖1位移控制節(jié)點(diǎn)鋼屋架內(nèi)力檢測(cè)以圖2中5根桿件、2根鋼索為代表，在鋼屋架預(yù)應(yīng)力張拉不同的施工階段，檢測(cè)此5根桿件、2根鋼索的內(nèi)力。圖2內(nèi)力控制桿件6.3鋼屋架預(yù)應(yīng)力張拉施工檢測(cè)6.3.1鋼屋架預(yù)應(yīng)力張拉施工檢測(cè)分胎模張拉和安裝張拉兩個(gè)階段。6.3.2胎模張拉階段主要對(duì)張拉前和胎模拆除后2個(gè)施工狀況下的鋼屋架位移及內(nèi)力進(jìn)行檢測(cè)。1)張拉前：對(duì)圖1中四個(gè)鋼屋架節(jié)點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)測(cè)量，對(duì)圖2中五根桿件、兩鋼索段進(jìn)行內(nèi)力測(cè)試，以得到張拉前被測(cè)鋼屋架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)初始坐標(biāo)值和被測(cè)桿件初始內(nèi)力值（調(diào)零起始值）。2)胎模拆除后：對(duì)上述節(jié)點(diǎn)和桿件再進(jìn)行一次坐標(biāo)和內(nèi)力檢測(cè)，以檢測(cè)張拉施工是否達(dá)到預(yù)期值。測(cè)試值和理論值進(jìn)行比較分析，用以調(diào)整后續(xù)測(cè)試的預(yù)期值。安裝張拉階段主要對(duì)屋架、檁條已安裝就位后再進(jìn)行的調(diào)整性張拉前后的鋼屋架位移及內(nèi)力進(jìn)行檢測(cè)。1)屋架、檁條安裝就位，調(diào)整性張拉前：對(duì)圖1中四個(gè)鋼屋架節(jié)點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)測(cè)量，對(duì)圖2中五根桿件、兩鋼索段進(jìn)行內(nèi)力測(cè)試，以得到屋架安裝就位且檁條安裝后各榀鋼屋架節(jié)點(diǎn)和桿件、鋼索初始狀態(tài)值。2)屋架、檁條安裝就位，調(diào)整性張拉后：在調(diào)整性張拉后對(duì)上述節(jié)點(diǎn)和桿件、鋼索進(jìn)行坐標(biāo)和內(nèi)力測(cè)試，以檢測(cè)調(diào)整性張拉后的屋架形態(tài)是否滿足設(shè)計(jì)要求,桿件、鋼索內(nèi)力是否符合設(shè)計(jì)值。6.4鋼屋架預(yù)應(yīng)力張拉施工檢測(cè)方法6.4.1鋼屋架節(jié)點(diǎn)位移:1)胎模張拉階段采用全站儀對(duì)被測(cè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行三維坐標(biāo)測(cè)量。以胎模張拉前被測(cè)節(jié)點(diǎn)的三維坐標(biāo)值作為初始值，胎模拆除后被測(cè)節(jié)點(diǎn)的三維坐標(biāo)值作為檢測(cè)值，檢測(cè)值與初始值間X、Y、Z變化量既為節(jié)點(diǎn)在X、Y、Z三個(gè)方向的位移量。2)安裝張拉階段采用全站儀對(duì)被測(cè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行三維坐標(biāo)測(cè)量，以得到屋架、檁條安裝就位，調(diào)整性張拉前六榀屋架初始狀態(tài)。通過(guò)計(jì)算求出六榀屋架被測(cè)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)坐標(biāo)值，設(shè)計(jì)坐標(biāo)值與初始狀態(tài)坐標(biāo)值間的差值既為張拉所須的調(diào)整值。張拉后通過(guò)對(duì)被測(cè)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的復(fù)測(cè)，檢查張拉是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。鋼屋架桿件、鋼索內(nèi)力:1)鋼屋架桿件：在被測(cè)鋼屋架桿件同一截面表面對(duì)稱的兩個(gè)方向上貼4片應(yīng)變片，通過(guò)對(duì)4片應(yīng)變片測(cè)試，得到被測(cè)截面的平均（或不同方向）的應(yīng)變量，由此計(jì)算得到鋼屋架桿件的內(nèi)力。2)鋼屋架鋼索：在鋼索兩端的支座處與螺母間安裝電阻式壓力傳感器