多跨连续张弦梁钢管桁架施工技术

2011-05-04杨振江

铁道建筑 2011年8期

杨振江

(中铁六局集团有限公司，北京 100036)

1 工程概况

天津站改扩建无站台柱雨棚工程为多跨连续张弦梁钢管桁架结构形式，由五跨连续张弦梁结构组成，跨度总长213 m，雨棚覆盖总面积为80 450.7 m2;钢结构工程是由108根钢立柱、94榀张弦梁钢管桁架及檩条组成空间稳定结构;钢立柱由φ750 mm×30 mm、φ700 mm×30 mm钢管制作而成;张弦梁钢管桁架由 φ377 mm ×14 mm、φ159 mm ×10 mm 钢管及 φ5 mm ×139 mm拉索制作而成;钢立柱利用4根φ24 mm地脚螺栓及栓钉与承台进行固定，南北向为A-F轴，东西向为20-1轴。

张弦梁钢管桁架上弦为平面桁架，下弦为拉索，中间为两侧斜撑杆，撑杆与拉索通过索球连接。张弦梁钢管桁架为五跨连续结构，柱距从18.00～23.99 m共15 种，跨度分别为 48.525，41.100，41.950，39.500 m四种。张弦梁钢管桁架跨中总高度为4.5 m，上弦平面桁架起拱高度为3.0 m，总垂度为4.5 m，两端落在钢管混凝土柱的分叉钢柱顶，柱顶高程12.8 m。立体钢桁架的支撑体系布置于结构的上弦平面，通过纵横向布置十字型交叉支撑和刚性檩条，以确保结构具有较高的整体稳定性和良好的抗震性能，五跨连续张弦梁钢管桁架见图1，单榀张弦梁钢管桁架实体见图2。

2 主要工程项目施工工艺及施工方法

多跨连续张弦梁钢管桁架由上弦的钢管桁架和下弦的高强度索以及连接两者的撑杆组成，由单跨张弦梁空中连接形成多跨式结构。施工工艺流程的制订，紧紧围绕多跨连续张弦梁结构的顺利实现为中心，根据工程的特点，并结合以往的施工经验进行确定，形成的施工工艺如下:张弦梁结构验算和施工模拟——钢管桁架的整体拼装——分段运输至安装现场——张弦梁二次拼装(钢管桁架、高强度索、索球、撑杆安装)——张弦梁地面张拉——单榀张弦梁吊装——张弦梁空中连接形成多跨式张弦梁钢管桁架结构。

其中关键的实施内容包括:① 结构的验算分析，确认结构施工中的方法及施工过程中的各种受力状态，保证施工的合理性和结构安全性;②钢立柱的安装，天津站雨棚钢立柱采用分段制作安装，将立柱分为柱身和柱头两部分，由于柱头是树状分叉结构，安装过程中必须保证其安装精度;③构件节点的新型结构型式，施工中采用的新型构件节点，既保证施工的顺利进行，又确保了结构的安全性及建筑美观的实现;④采用地面一次张拉成形，天津站雨棚张弦梁采用地面一次一端张拉的施工工艺，打破了以往工程中地面张拉一次，待檩条及连接系统安装完成后空中进行二次张拉的施工方法，避免了高空作业、减小了张拉的施工难度。

图1 五跨连续张弦梁钢管桁架

图2 单榀张弦梁钢管桁架实体

2.1 张弦梁结构验算和施工模拟

由于张弦梁结构为一个混合结构体系的新型结构体系，它的施工准备工作有别于其它常理结构，除进行常规的人员、设备、机具、材料、技术准备之外，在技术准备上应在设计文件的基础之上，对结构进行分析计算，结合施工方案的要求对节点进行细化。并根据张弦梁的跨度、位置、受力状况不同，进行每榀桁架施工阶段验算，应用计算机施工模拟技术，分别计算出钢管桁架的原始拼装形态、地面拼装形态、一次张拉后的形态、最终形成满足设计要求的多跨连续后的形态。计算机模拟计算过程完成，形成施工阶段技术文件并经设计院签认后，方可进行下一步施工。张弦梁结构的施工有别于其它结构的施工，还必须进行施工阶段的验算并形成施工阶段文件方可施工。

2.2 钢管桁架的拼装

钢管桁架的拼装在施工现场以外设置的拼装场地内进行，其工作内容为:将组成钢管桁架的钢管、钢板及其它材料通过划线、下料、切割、矫正、弯曲成型，在胎架上拼装、焊接、无损检测等工序拼装成整体结构的钢管桁架结构。钢管桁架拼装的形态，按施工验算确定的原始形态进行拼装。

钢管桁架的主弦管采用液压弯制成形，在弯制过程中要控制好弧形尺寸和钢管的椭圆度;幅杆必须采用数控相贯线切割机进行切割成形，否则难以保证相贯口的连接质量;拼装过程必须在拼装胎架上进行，拼装胎架完成后必须组织技术、质检和作业班组联合对胎架进行验收，验收合格后方可进行下一步拼装，拼装胎架上需考虑防止桁架组装和焊接过程中变形的措施。拼装时相邻跨的张弦梁结构一块拼装并保留匹配段，以确保多跨钢管桁架的连续性。钢管桁架拼装完毕后，根据现场路径情况结合运输条件确定最大构件的运输尺寸进行分段，分段后的构件要尽量保证构件单元的完整性，以利于构件的二次拼装。

2.3 张弦梁二次拼装

张弦梁二次拼装是将在场外拼装完成分段运输至安装现场的钢管桁架，下弦的高强度索、撑杆、索球、钢棒、节点板等组成张弦梁的构件在设置的二次拼装胎架上进行组装形成单榀的张弦梁结构。具体的施工步骤如下:

1)搭设拼装胎架:按图纸架设胎架，用仪器调整工装支撑点位置的相对高差和水平，保证桁架工装的架设精度，防止桁架在现场二次拼装中产生不必要的变形。由于张弦梁跨度一般都将近40 m，整片梁难以运输，因此在加工基地一次拼装时一榀分为两个半榀进行拼装，运输到现场再进行整体拼装。

2)钢管桁架架设:当把半榀桁架架设在现场胎架上后，测量人员用经纬仪把半榀桁架的轴线对好后(以桁架端头的直腹杆的中点和桁架靠近跨中的直腹杆的中点为基准轴线)贯穿对应的另半榀桁架。当把另半榀桁架也架设在现场工装(马凳)上时，以架设好的半榀桁架的轴线为基准，用经纬仪调整后架的半榀梁与先架的半榀梁的轴线重合，两半榀桁架的轴线偏差不大于2 mm，对接口错边不大于2 mm。

3)钢棒及连接板安装:当桁架现场整体拼装完成后，进行钢棒安装，钢棒安装前对钢棒孔中心的位置按给定尺寸进行精确调整，以利于棒索连接板位置的准确固定。钢棒与棒索连接板连接准确后，调整好第一根撑管的位置，利用倒链、吊带将棒索连接板与第一根撑管进行焊接固定。

4)V型撑杆安装:钢棒、棒索连接板和桁架端头撑杆全部准确安装定位好后，对桁架中间的V型撑管中心进行标记。标记完后可进行吊车、倒链配合安装作业。撑管与销轴、连接板整体安装时，利用线锤保证撑管的中轴线与对应直腹杆的中轴线在同一垂直面上，并用水平尺来控制使撑管垂直后进行连接板与φ377 mm管的焊接，保证V型撑杆的定位安装精度。

5)索及索球安装:在V型撑杆全部准确安装定位焊接后，进行布索、挂索和安装固定索球:①布索前必须根据附图对索上的标记点进行检查，同时将标记点返到连接球边，以利于索球的准确定位。②索上标记点标定后，利用倒链及吊带进行挂索。③根据索上标记点，安装并固定索球。索球固定完成后，将索球按标定点与索进行卡紧固定。使索球的上半部分与撑管进行点焊固定，以保证与索同心。④索球上半部分与撑管点焊固定完成后，将索球下半部分松开，使钢索与索球上半部分保持一定的距离。以利于索球上半部分跟撑管焊接时防止烫伤索的PE保护层，待焊接完成索球自然空冷后将索上提，同时按标记点位置调整好索球张拉偏移量固定好索球。⑤挂索时必须加强对锚头以及索体的保护，不得使其划伤，挂索时将张拉端的螺杆移动量调整到最大，以利于张拉时螺杆的调整。

以上所有构件安装完毕后即完成了张弦梁地面拼装的工作。

2.4 张弦梁地面张拉

张弦梁现场完毕后，在吊装前需进行地面张拉，由于本工程的钢索的自重很轻(不足30 kg/m)，张拉阶段钢索间的摩擦很小，而且为避免高空二次张拉索带来的诸多不利因素，因此张拉方案确定为地面一次一端张拉，考虑到安装过程中的应力损失，按照计算的张拉力张拉到位后超张拉5 kN，确保张弦梁桁架吊装到位后的受力状态与设计工况相吻合。张拉工装结构图及张拉过程实施示意图见图3。

本工程的张弦梁在胎架上一次张拉到位，此时张弦梁只受自重作用，张拉力不大，不考虑摩擦力，张拉力约为170～240 kN(根据跨度，GJ1～GJ5各榀张拉力各不相同)，故选用两台YDCN250型前夹持千斤顶和两台ZB2X2/50电动油泵，千斤顶的技术参数见表1。

图3 张拉工装结构和张拉过程实施示意

表1 千斤顶的技术参数

张拉前，油泵、油表等必须配套进行标定，确保张拉过程中的应力变化准确无误。张拉时按标定的数值进行张拉，用钢绞线伸长值和油压传感器数值进行校核。预应力大小:由油压表读数进行记录(通过回归方程将预应力转换为兆帕读数，注意千斤顶与油压表的配对)。认真检查张拉工装和与张拉工装连接的钢索，保证张拉安全、有效。张拉时严格按照操作规程进行张拉，确保同步。通过调节油泵给油速度解决同步问题。张拉工装型心必须保证与钢索处于同心。

2.5 张弦梁吊装

根据张弦梁的结构特点以及施工计算时确定的吊点进行吊装。该吊装方案采取在张弦梁两端位置布置两台50t吊车进行抬吊作业，将张弦梁安装就位。没有采用单台吊车和专用吊装支架配合吊装的方案，减少了设备及材料的投入，降低了施工成本。钢丝绳的吊装点选择在张弦梁的节点位置，即吊点选择在支撑杆、钢棒及钢索的交点位置。如图4所示，这样就解决了张弦梁在吊装过程中的失稳问题，不仅确保了吊装安全，而且安装工况接近设计工况，受力合理。

图4 单榀吊装吊点设置

2.6 张弦梁空中连接

张弦梁的空中连接采用先简支后连续的施工方法。根据设计图纸，天津站无站台柱雨棚的五跨连续张弦梁结构为连续受力结构，各跨张弦梁结构之间内力相互影响，如果将五跨张弦梁结构整体制作、吊装到位，在现场施工中是难以实现的，主要有以下几个因素:一是本工程的主体结构为五跨连续张弦梁结构，总跨度为213 m，整体吊装存在诸多难以解决的问题;二是现场多家施工单位均在施工，不具备整体拼装吊装的条件;三是由于吊装难度大，吊装过程中稍有失误，就可能会给结构造成永久性损伤，威胁到结构安全;四是跨度太大，整体吊装安装精度无法保障;五是若按整体吊装方案实施，施工中所涉及的人、机、料投入多，工程造价很高。施工过程中，临时滑动支座的上下两个面可能会发生不完全接触的情况，造成支座滑动效果难以实现，因此在滑动面增加了一种保证临时滑动支座可以正常滑动的装置。如图5～图7。

图5 支座结构 (可滑动释放内力)

图6 支座结构(焊接后成为连续梁节点)

当滑动支座的上半部分(即张弦梁的端部)不能与柱头连接位置完全接触时，就与构件采用螺栓固定在一起，而构件可以与滑动支座下部分完全接触，保证其能正常滑动。

图7 临时滑动支座结构

为了确保先简支后连续，施工过程中必须做到:由于施工精度要求高，在张弦梁钢管桁架的零状态时，构件的加工尺寸必须精确，拼装时严格控制拼装尺寸，钢索张拉过程的工况要与仿真计算的工况相符，如有不同应及时进行矫正;确保张弦梁安装必须有序进行，不得连续安装相邻连续跨的张弦梁，例如安装完BC跨后，安装DE跨，然后再安装CD跨;安装的时间必须控制好，不在气温最高和最低的时间段进行安装作业，防止由于气温的因素引起结构内力发生过大的变化。

当五跨连续安装完成后，由于在外荷载、温度及地震的作用下，五跨连续的张弦梁钢管桁架结构的内力会不断发生变化，为了确保结构的安全稳定，在整体结构的C轴钢立柱顶部设计永久性滑动支座，使得整体结构的内力发生变化时有一个释放点。