预应力穹顶钢结构安装施工实践

孟向惠 王 荣 卢 敏 王 成

正威科技集团有限公司 江苏 泰州 225500

1 工程概况

某工程总建筑面积约20 000 m2，屋顶采用索杆预应力穹顶结构体系，穹顶半径为29.5 m，穹顶顶标高为17.5 m。幕墙穹顶工程量约3 300 m2，玻璃采用8＋2.28PVB＋8＋12A＋10双钢化夹胶中空LOW-E玻璃。立面幕墙工程量约620 m2，玻璃采用12＋12A＋12双钢化中空LOW-E玻璃。

2 方案选择

利用计算机辅助控制在工厂内进行构件的切割制作，并将其运至现场施焊成钢管桁架。根据结构荷载和施工荷载设计工装支架基础及工装支架，将穹顶顶部的中心环形桁架架设到工装支架上，并满足设计标高及轴线要求，再对称将每榀主桁架依次吊装焊接到支座及环形桁架上，施工过程中对每榀主桁架上的预应力索预加部分应力，减轻工装支架的荷载，主桁架完成后进行次桁架安装，最后对预应力索施加剩余的应力，并反复调校，达到应力及变形协调要求后，拆除工装支架。

3 施工工艺流程及操作要点

3.1 施工工艺流程

厂内穹顶构件制作→支座安装施工→现场构件焊接→中心支撑工架搭设→中心环形桁架安装→主桁架安装→预应力索安装及初张拉→次桁架（支撑）安装→预应力索最终张拉→防腐油漆涂装→支撑工架拆除

3.2 支座安装施工

确认控制坐标点、高程点准确无误后，使用全站仪对支撑16榀主桁架的混凝土柱进行定位，测出其轴线、控制线以及标高并安排专人对其进行校对，确保测量精度。混凝土浇筑至支座标高处应及时布置支座预埋件，用全站仪每隔0.5 h校核一次预埋件的控制线和标高，直至混凝土终凝，确保支座安装精度。

3.3 现场构件焊接

1）构件焊接时先焊接主桁架，后焊接次桁架。考虑到施工现场小的问题，主桁架焊接共分3次集中进行，先焊接部分主桁架，验收合格后立刻安装主桁架。桁架钢管在专用胎具上进行焊接，胎具使用20号槽钢以上的型钢作立柱和横梁，胎具按照实际钢管间距进行放样点焊固定，柱角满焊设置。使用手拉葫芦将桁架钢管架设至胎具上，每榀主桁架设置6个胎具，次桁架设置3个胎具并均匀布置（图1）。

2）根据工程特点和设计要求编制详细的焊接专项施工方案，并严格按方案进行施工[1-3]。

3.4 中心支撑工架搭设

穹顶中心支撑工架的数据经过详细的计算，并结合了专家组的评审意见。工装支架采用φ48 mm×3.6 mm的钢管扣件式脚手架系统支撑，平面尺寸为9 000 mm×9 000 mm，立杆纵距、横距均为500 mm，步距1 200 mm。立杆顶端（环形桁架底）单向通长设置[10型钢作为圆形桁架的承载面，间距500 mm，并反向固定于立杆顶端。

3.4.1 地基处理

地面采用砖渣回填，每次填铺厚200 mm，采用压路机逐层压实，中心搭设脚手架处回填深度为1 000 mm。在搭设脚手架范围内用C30混凝土进行硬化，厚度为220 mm，设置钢筋网双向φ14 mm，立杆底座下设置厚50 mm脚手垫板，布设平稳。

3.4.2 立杆

立杆间距严格按照方案中的技术参数和规范中关于立杆接头的有关规定搭设。接头交错布置，各接头中心距主节点的距离不大于400 mm。

3.4.3 横杆

横杆必须纵横双向连续设置，同一步横杆四周交圈，接头交错布置，相邻接头水平距离不小于500 mm，本工程接头距立柱距离不大于150 mm，横杆纵向水平高差不超过30 mm。扫地杆按规范要求设置。

3.4.4 剪刀撑

水平剪刀撑从扫地杆算起，每6步设1道，本工装支架共设置3道水平剪刀撑；竖向剪刀撑在工装支架四面连续布置，支架内纵横方向每6排设1道（图2）。剪刀撑与立杆或横杆固定好，固定点距主节点距离不大于150 mm，斜杆最下端与垫板抵紧。

图1 焊接胎具示意

图2 工装支架立面示意

3.4.5 防护设施

整个工装支架外侧挂密目式安全网；工装支架顶部，既要支撑穹顶环形管桁架，同时也是屋面的拼装作业平台，因此设临时楼梯到达工装支架顶部，在顶部四周设高1 000 mm护栏，并满铺脚手板。

3.5 中心环形桁架安装

穹顶中心2个环形桁架均采用30 t吊机吊装至工装支架上，同时配合全站仪定位中心环形桁架，并注意对工装支架顶端[10型钢平台进行水平平整度和垂直度的复核，确保中心环形桁架空间就位准确。

3.6 主桁架安装

主桁架安装时采用综合节间法，即对称安装成对主桁架，同时将主桁架下的预应力索安装就位并完成初步张拉。成对安装主桁架时采用双吊机（2台130 t）同时各吊起1榀主桁架，缓慢提升至环形桁架位置，与顶层环形桁架连接并进行焊接，同时另一端在柱头支座就位，安装高强螺栓并紧固。其间吊机一直处于起吊状态，直到高强螺栓紧固完毕以及焊接结束后，吊机方可松钩。依此类推，逐片形成索拱张弦结构，直至所有主桁架全部安装完毕（图3～图5）。

图4 环形桁架与主桁架连接立面示意

图5 环形桁架与主桁架连接平面示意

3.7 预应力索安装及初张拉

桁架安装前，对桁架（包括主桁架和底层环形桁架）上预应力索节点进行编号，在地面上将预应力索提前打开，用吊机将预应力索按照编号安装到桁架预应力索节点处，配合手拉葫芦拉紧预应力索。其中底层环形桁架的预应力索仅一端安装在节点上，而主桁架下的预应力索两端均安装在节点处。

主桁架安装完毕后对预应力索进行初步张拉。预应力索张拉分初步张拉和最终张拉，其预应力值分别为设计值的70%和100%。底层环形桁架的平衡预应力索的另一端用吊机对称吊至索节点处，配合手拉葫芦拉紧预应力索，插入钢销，进行初步张拉。初步张拉的应力值均为设计值的70%，初步张拉为对称张拉[4-6]。

3.8 次桁架（支撑）安装

次桁架安装时也采用综合节间法（图6）。采用双吊机（2台130 t）同时对称吊起一跨次桁架，缓慢提升至两主桁架之间，与主桁架连接并进行焊接。等对称两跨次桁架焊接完毕后，吊机才可松钩。依此类推，逐步对称焊接次桁架。

3.9 预应力索最终张拉

3.9.1 预应力索张拉

图6 次桁架安装示意

待所有的主桁架和次桁架均安装完毕，并在拉索按设计尺寸调整完毕后，按照前拉索、后拉索、稳定索的顺序，对预应力索进行最终张拉，最终张拉力为设计值的100%，并对每个预应力索进行检测，必要时对个别进行调整张拉，确保所有需控制的内力及变形满足设计要求。

3.9.2 预应力张拉监测

1）为保证预应力索张拉与设计相符，本工程对预应力索的受拉应力和穹顶桁架结构的变形监测主要为：索力P、杆件内力、跨度L、控制节点和矢高f。

2）采用压力传感器和DH3818数据采集仪器。压力传感器安装于液压千斤顶下方，通过专用传感器显示仪器实时监测预应力钢索的拉力，每根预应力钢索上安装3个振弦式应变计，应变计分别安装在预应力索的两侧和中间，以监测预应力索中实际的应力，从而保证施加在预应力索上的应力与设计单位要求的应力相吻合。

3）采用水准仪以及百分表对穹顶结构进行变形监测，水准仪的测点位于每个桁架跨中上侧，百分表放置到两端支座处用于监测桁架水平位移[7-9]。

3.9.3 张拉注意事项

1）张拉设备采用YCQ50S型液压千斤顶（图7）。

图7 YCQ50S型液压千斤顶示意

2）控制给油速度，给油时间不低于0.5 min。

3）每阶段张拉时预应力索系均整体对称张拉。

3.10 防腐油漆涂装

清除安装焊缝焊药后，对被烧去或碰去漆的构件事先补漆，再对其表面进行涂装。

4 质量、安全及文明施工主要保证措施

1）焊接设备采用直流电焊机，不允许使用交流电焊机。

2）工装支架基础混凝土强度必须达到设计强度的75%以上时才允许搭设脚手架，并严格按照规范进行搭设和验收。

3）主、次桁架的吊装以及预应力索的张拉均对称施工，吊机在预应力索张拉完毕，形成能够承受自身质量的索拱张弦结构后才允许松钩。

4）吊装过程中，松钩时注意监控拱架及工装支架变形，确保无误后才可完全卸载并拆钩。

5）严禁超载吊装和歪拉斜吊，尽量避免起重机满负荷行驶，起吊荷载质量不允许大于起重机额定起重能力的80%。

6）在工装支架第1层铺设安全平网。

5 实施效果

该工程穹顶结构安装完成后，经检测各项指标均符合设计和规范要求，施工过程安全，先后获评江苏省“扬子杯”优质工程、江苏省安全文明标准化工地、江苏省新技术应用示范工程，社会和经济效益显著。