大跨度曲線型懸垂鋼梁及預應力斜拉索安裝工法

大跨度曲線型懸垂鋼梁及預應力斜拉索安裝工法1.前言北京南站雨棚的建筑造型給結構設計及施工帶來了極大的難度。結構設計師根據(jù)扇形屋面的幾何形狀及大跨度、大面積的屋頂特性，選用了美觀，輕巧和獨特的懸垂梁的結構形式，既保證了結構體系的安全可靠，同時滿足了建筑美學的需要。中鐵建工集團有限公司在施工中針對屋面懸垂梁鋼結構的特點，進行分析研究，制訂先進合理、安全可靠的施工技術措施，取得了成功經(jīng)驗。其關鍵技術通過了中國中鐵股份有限公司有關專家的評審，并獲得了中國鐵路工程總公司科技進步特等獎。09年3月通過了中國鐵道工程建設協(xié)會組織的評審，因此，總結形成本工法。2.工法特點2.1利用懸垂H型鋼梁的抗拉剛度，使其像拉索一樣以拉力來承受荷載，提高了結構承載能力，且比傳統(tǒng)的直線或拱形鋼梁節(jié)省用鋼量約20％。2.2斜拉索用以減小懸垂梁計算長度，以確保其平面內的穩(wěn)定性，只承受較小的拉力，直徑很小，不會影響站場內景觀。2.3斜2.6鋼結構安裝采用機械化作業(yè)，提高工效，保證質量。2.7本項技術的應用保證了雨棚雙曲屋面的建筑效果，優(yōu)化了整體結構的用鋼量，實現(xiàn)了大跨度大空間的使用功能。3.適用范圍本工法適用車站站房、車站雨棚、展覽館、體育館等有大空間要求的公共建筑物,尤其適用于大跨度大空間鋼結構屋面體系的安裝施工。4.工藝原理北京南站雨棚結構屋面設計建筑造型為雙曲面，屋面各類荷載通過H型圖4-1拉索及懸垂主梁結構大樣圖懸垂梁分段加工制作，確保運輸?shù)恼＿M行，到施工現(xiàn)場后地面拼裝成2-3個吊裝分段，減少高空對接、焊接工作量。利用臨時支撐托架安裝懸垂梁，確保了在高空對接和焊接的施工質量，同時也保證了施工安全。利用固定在A塔上拉索耳板處的張拉裝備，通過液壓千斤頂將索緩緩拉緊，同時調節(jié)拉索自帶的套筒來抵消索的伸長量，當索完全達到預張拉力設計值時，索的張拉長度也達到了設計值。以結構單元為施工單元按照制定的施工順序進行施工，保證了懸垂梁及斜拉索結構受力性能及安裝質量，滿足設計及規(guī)范要求。5.施工工藝流程及操作要點5.1工藝流程懸垂梁地面拼裝→臨時支撐托架安裝→懸垂梁分段吊裝及空中對接→吊裝次梁和斜撐→鋼結構各節(jié)點坐標復核→調整斜拉索初始設計值→斜拉索吊裝→斜拉索預緊、張拉→索力及結構變形同步檢測→安裝屋面板→索力及結構變形復測→拉索微調→鋼結構桿件防腐處理。5.2施工要點：懸垂梁地面拼裝：懸垂梁跨度較大，整體制作體型龐大，不便于運輸，同時懸垂梁整根吊裝撓度大，且對起重機功能要求高。為此根據(jù)每根懸垂梁的長度和重量，將每根懸垂梁進行分段制作，運輸?shù)浆F(xiàn)場后在地面拼裝胎架上，將小段鋼梁拼裝成可吊裝的分段，一般每根懸垂梁分為2～3個吊裝段，再進行分段吊裝。圖懸垂梁地面拼裝分段示意圖臨時支撐設置：在分段吊裝的接口部位根據(jù)接口處懸垂梁的標高設置臨時支撐托架，作為吊裝時的支撐及懸垂梁的高空定位拼接平臺。臨時支撐托架采用型鋼或鋼管格構柱結構，在安裝前要進行相應的工況分析，驗算變形及承載力，確保支撐托架的質量和安全。懸垂梁臨時支撐托架在設置時與懸垂梁下表面應采取必要的構造措施：如端頭鋼板等，以利于荷載分散及懸垂梁此分段點處標高的控制，避免對結構造成影響。具體見圖：圖—1臨時支撐托架頂部構造圖為防止支撐托架沉降，其支撐應設在混凝土面上，如遇軟土地基要進行加固處理并在支撐下端鋪墊比支撐截面稍大的路基箱板等設施。圖—2圖—3臨時支撐托架底部構造圖現(xiàn)場設置好的臨時支撐懸垂梁及次梁、支撐結構單元吊裝：懸垂梁安裝根據(jù)結構受力特點劃分成安裝單元，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與此三根梁之間的次梁等構件組成。以一個標準單元說明吊裝的流程，首先完成本單元及下一個單元的塔架安裝，同時在塔架間的環(huán)梁及邊桁架也已安裝完成；而后進行主梁吊裝臨時支撐托架的設置。安裝流程見下圖圖——2懸垂梁吊裝臨時支撐托架設置（圖一）分段吊裝單元內中間兩根主梁（圖二）圖——4按同樣方式安裝其余四根主梁（圖三）安裝懸垂主梁間的次梁及支撐（圖四）懸垂主梁吊裝技術要點：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-5采用履帶吊分段吊裝兩端銷接分段吊裝屋面鋼結構卸荷及測試為防止臨時支撐托架拆除時,對懸垂梁結構體系產(chǎn)生變形影響，采取依次按單元拆除支撐的方式，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，開始進行第三個單元安裝時方可拆除第一個安裝單元下的支撐托架。為了保證結構體系的安全及變形量，拆卸時由一位現(xiàn)場總指揮負責拆卸過程的指揮與協(xié)調，現(xiàn)場工程師、監(jiān)測人員、安全員、調度員等要緊密配合。在拆除臨時支撐托架過程中應監(jiān)測以下內容：1、臨時支撐托架自身的變形監(jiān)測；2、支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計算懸垂梁下?lián)舷禂?shù)，作為后續(xù)工作的數(shù)據(jù)指導。表：一個安裝單元內懸垂主梁中心點坐標實測值(單位mm)部位理論坐標臨時支撐拆除前實實測坐標臨時支撐拆除前實實測坐標差值（支撐拆除后與理理論值差值）XYZXYZXYZXYZZL21a90767-1256981620590767-1256991632290767-125700162160-111ZL22a90767-1772161552890766-1772171561290764-17721515535317ZL23a83900-1288741634683900-1288731645083900-128872163560210ZL24a83900-1820591549683902-1820591557483903-182060155113-115ZL25a77033-1337491645177033-1317501656077033-131750164600-19ZL26a77033-1864041545377034-1864031554377035-186402770462212斜拉索張拉1、斜拉索張拉裝置每根拉索需要一套張拉裝置。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。張拉裝置通過拉桿抱箍在拉索耳板上，抵抗張拉產(chǎn)生的上拔力。張拉裝置圖圖5.2.5—1拉索張拉工裝圖2、斜拉索張拉順序每榀懸垂梁單元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%σcon；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%σcon。將結構內拉索全部張拉完畢并待屋面板安裝完畢后，對個別拉索進行微調。圖5.2.5—2拉索張拉施工3、預應力鋼索張拉測量數(shù)據(jù)的記錄每次張拉，都需記錄索力動測儀的讀數(shù)和每組張拉設備中讀數(shù)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%σcon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Lt之間的差值△L應在理論伸長值Lt的允許范圍內。4、斜拉索張拉控制斜拉索張拉采用雙控：控制結構變形和內力，既保證在結構中建立有效的設計預應力，又控制關鍵節(jié)點變形，考慮到本結構整體剛度較大，并結合張拉方案，應以控制拉索應力為主。5、拉索張拉監(jiān)測1）監(jiān)測內容：施工階段監(jiān)測包括兩部分內容，以預應力鋼索的受拉應力監(jiān)測為主，結構變形監(jiān)測為輔。2）監(jiān)控方法：采用油壓傳感器和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。鋼索完成張拉后用索力動測儀再次檢測鋼索受力，所測得的數(shù)據(jù)可為鋼索預應力張拉提供輔助校核；同時用全站儀對鋼結構的變形進行檢測，用位移檢測數(shù)據(jù)推算出預應力鋼索的應力，結合施工仿真計算結果，為鋼索預應力張拉提供輔助校核，以保證預應力施加滿足設計要求。5.3勞動組織每個結構單元應配備一個作業(yè)班組，根據(jù)鋼結構安裝作業(yè)面和施工順序，現(xiàn)場配備若干個作業(yè)班組。以拼裝及焊接等高空作業(yè)為主，特殊工種需持有操作證，拉索張拉及檢測由專業(yè)人員完成。每個班組作業(yè)人員配備如下表表5.3-1勞動力組織情況表序號工種職務人數(shù)職責1裝配工8懸垂垂梁地面拼裝裝及高空安裝裝1安裝工6拉索安裝2起重工4所有構件吊裝3焊工4懸垂梁等鋼構件焊焊接4張拉工6拉索張拉5檢測人員4索力檢測6測量人員2安裝測量7電工1現(xiàn)場用電管理合計356.材料與設備雨棚懸垂梁采用焊接H型鋼梁，其它連接桿件均為焊接型鋼，鋼材材質均為Q345C；斜拉索索體采用兩種規(guī)格：一種規(guī)格強度等級為1570MPa鋼絲繩；另一種規(guī)格強度等級為1670MPa鋼絲繩。均外包PE保護層。材料進場時必須提供合格的材質證明書。表6-1懸垂梁及斜拉索施工及測量機具設備表機械或設備名稱型號/規(guī)格數(shù)量用于施工部位備注155T履帶吊撫挖3懸垂梁吊裝265T汽車吊QU651懸垂梁拼裝325T汽車吊QU256次梁及支撐吊裝4炮臺車10-30噸4構件運輸5CO2焊機CPX-35030現(xiàn)場焊接6交直流、兩用焊機機ZXE1-3*5500/400020組高空焊接7全站儀TOPCON3臺測量8超聲波探傷儀EPOCHLTT3臺焊縫探傷9調頻通話機5km通話能力40部協(xié)調施工10千斤頂及配套油泵泵230kN/3880v/7550w6組包括6個千斤頂、6臺手手壓油泵11鋼-4套張拉工裝設備12專用反力架-4套張拉工裝設備13專用加工扳手-4套用于擰緊索體上螺螺帽14套-6套用于控制張拉力15索力動測儀JMM-2681套監(jiān)測鋼拉索應力7.質量控制7.2在施工場地內設置的懸垂梁拼裝胎架，在拼裝前應根據(jù)構件的尺寸形狀由測量人員對胎架進行測量抄平。7.3各構件焊接現(xiàn)場時應根據(jù)各類構件吊裝前后順序及構件在整個結構體系中的位置，采取合理的焊接順序，避免焊接應力產(chǎn)生的變形。7.4斜拉索張拉時按標定的數(shù)值進行張拉，用伸長值和油壓傳感器數(shù)值進行校核。7.5拉索張拉時嚴格按照操作規(guī)程進行，控制給油速度，給油時間不應低于0.5min。7.6張拉設備形心應與預應力鋼索在同一軸線上。7.7實測伸長值與計算伸長值相差超過允許誤差時，應停止張拉，報告工程師進行處理。8.安全措施8.1在施工作業(yè)前，要進行安全技術交底、安全培訓，特殊工種必須持證上崗等；現(xiàn)場吊裝、焊接、切割、打磨等各道工序要嚴格執(zhí)行安全操作規(guī)程；進入現(xiàn)場必須佩帶好安全帽，高空作業(yè)人員必須系好安全帶，并應佩帶工具袋，工具應放在工具袋中不得放在鋼梁或易失落的地方，所有手工工具（如手錘、扳手、撬棍），應穿上繩子套在安全帶或手腕上，防止失落傷及他人。8.2作業(yè)前必須檢查作業(yè)環(huán)境、吊索具、防護用品。必須確定吊裝區(qū)域，并設警戒標志，派人監(jiān)護。確認安全后開始作業(yè)。吊用工具和鋼絲繩，必須有足夠的安全系數(shù)，一般不得小于5-6倍。安裝大型構件時，風力六級以上(含六級)等惡劣天氣，必須停止吊裝作業(yè)。8.3鋼結構桿件接頭高空連接時，在接頭處應搭設防護作業(yè)平臺或腳手架，并配備三防布用于防風、防雨，高空作業(yè)平臺搭設的腳手板要牢固扎緊。如果桿件有足夠的寬度，可在兩側設置防護欄桿，作為操作人員施工通道。8.4嚴格執(zhí)行各類防火防爆制度，在焊接作業(yè)區(qū)，必須配備足量的消防器材，還應設置接火盆。電焊、氣割作業(yè)應按辦理動火審批手續(xù)，嚴格遵守十不燒規(guī)定。8.5工地電氣設備，在使用前應先進行檢查，如不符合安全使用規(guī)定時應及時整改，合格后方可使用，嚴禁擅自亂拖亂拉私接電氣線路。8.6在四外臨空的高空作業(yè)時，可搭設挑腳手架，嚴格控制施工荷載不得超過1kN/m2,并設置防護欄桿，操作面下方按規(guī)定搭設水平安全網(wǎng)。8.7預應力鋼索吊運時應按工地塔吊的吊裝規(guī)定，將預應力鋼索綁扎牢靠，體積重量不得超載；預應力鋼索解捆時，應防止鋼索彈開傷人。8.8張8.9油泵與千斤頂?shù)牟僮魅藛T必須緊密配合，只有在千斤頂就位妥當后方可開動油泵。油泵操作人員必須精神集中，平穩(wěn)給油、回油，密切注視油表讀數(shù)，張拉到位或缸體到最大行程時，需及時回油，避免油壓瞬間增大，造成缸體爆裂傷人。9.環(huán)保措施9.1粉塵控制措施場區(qū)未硬化的地面，要壓實地面和定期灑水，減少灰塵對周圍環(huán)境的污染。禁止在施工現(xiàn)場焚燒有毒、有害和有惡臭氣味的物質。嚴禁向建筑物外拋擲垃圾，所有垃圾裝袋或裝桶投入指定地點并及時運走。運輸車輛必須沖洗干凈后方能離場上路行駛；駛離現(xiàn)場前必須對車廂進行檢查防止裸露現(xiàn)象。9.2噪音控制措施編制施工方案時，應采用低噪音的工藝和施工方法，施工方案實施前必須經(jīng)過環(huán)境保護小組的審核。合理安排施工工序，晚間十點以后禁止進行產(chǎn)生噪音的建筑施工作業(yè)。進入施工現(xiàn)場內的車輛、所有場內施工用機械設備不允許鳴笛；地面和高層的聯(lián)系采用對講機；工人施工時禁止大聲喧嘩。在鋼錘等打擊工具上加設橡膠墊，以減少鋼結構施工中拼裝、對接等工序的噪聲釋放；起重工指揮到位，起重設備駕駛員按指揮信號輕起輕放，避免構件吊裝時的噪聲過大。施工場地外圍進行噪音監(jiān)測，對于一些產(chǎn)生噪音的施工機械，應采取有效的措施，減少噪音，如切割金屬和鋸模板的場地均搭設工棚、設置隔音屏以屏蔽噪音。9.3光污染控制措施電焊、金屬切割產(chǎn)生的弧光必須采用圍板與周圍環(huán)境進行隔離，防止弧光滿天散發(fā)?，F(xiàn)場圍墻上布設的燈具原則上不得超過圍墻高度；塔吊及周圍場地照明的大鏑燈必須調整照射方向向場內，不得直接照射到居民住宅區(qū)，施工場地外圍的照明采用柔光燈，不可采用強光燈具。9.4現(xiàn)場防污染控制措施現(xiàn)場使用的油料必須設置專人進行保管，防止產(chǎn)生油料擴散現(xiàn)象；現(xiàn)場擺放的易擴散油料或施工用料必須進行密閉儲存，防止擴散。機械修理等地方必須于地面上采取木板等進行鋪墊，防止污染地面。現(xiàn)場垃圾實行分類管理，設置足夠的垃圾池和垃圾桶，建筑垃圾集中堆放并及時清運?，F(xiàn)場禁止焚燒油氈、橡膠等會產(chǎn)生有毒、有害煙塵和惡臭氣體的物質?；瘜W物品，外加劑等要妥善保管，庫內存放，防止污染環(huán)境。10.經(jīng)濟效益等分析懸垂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)場施工的諸多技術難點，產(chǎn)生了良好的社會及經(jīng)濟效益。10.1經(jīng)濟效益方面：雨棚懸垂梁鋼結構與傳統(tǒng)曲線型鋼桁架結構相比，節(jié)約用鋼量約20％；與同類鋼結構安裝方法相比，臨時工裝支撐用量節(jié)約11％；通過采用先進合理的施工技術，使北京南站鋼結構提前十天完成封頂工作，降低了成本，經(jīng)測算本工法累計節(jié)約各項工程費用逾400.0萬元。10.2環(huán)保和節(jié)能效益方面：1、環(huán)保方面：曲線型懸垂鋼梁及斜拉索由鋼材材質制作，符合國家綠色建筑的要求，工程建設時減少了對當?shù)丨h(huán)境的影響。2、節(jié)能方面：曲線型懸垂鋼梁及斜拉索技術實現(xiàn)了大跨度空間的要求，相比同等條件下的其他結構形式的建筑，在用材、通風、照明等方面更加節(jié)省能耗。10.3社會效益方面：由于曲線型懸垂鋼梁及斜拉索技術集裝飾性、實用性于一體，在保證結構受力的同時，也很好的體現(xiàn)了北京南站雨棚結構扇貝建筑造型的