关于张弦梁结构屋盖的施工方案的探讨和研究

谢双元

中国新兴建设开发有限责任公司 北京 100039

1 工程简介

本工程由三个结构单体构成，钢结构施工内容为三个单体的屋盖结构。其中A和B结构单体屋盖采用张弦梁屋盖，C单体采用轻型钢结构屋盖。

重点介绍B单体，该单体长度96m，跨度42m。共三层，大跨度钢梁共计15榀，截面形式为箱型，单榀长度为43.68m。重量为8.5吨，标高为23.05米，下方楼层面标高9.350m。B单体共有10根拉索，规格为φ7X211(等效直径101)

拉索表面均采用双层PE护层，采用高强钢丝束FK=1670MPa，索头为双插耳形式、单端可调

2 重点难点分析

本工程所涉及的预应力工程为预应力钢结构。

张弦结构的施工技术设计的主要内容就是确定预应力过程的次序、步骤、采用的机械设备、每次预应力过程的张拉量值，同时控制结构的形状变化[1]。

对张弦结构的变形和预应力钢索的张拉力进行监测，以确保结构施工期的安全，保证结构的初始状态与原设计相符。

3 施工部署

3.1 施工方案确定

总体吊装顺序：钢结构安装随土建施工进度， A、B区钢结构同时安装，再进行C区的安装。A、B区大跨度主向构件分为重量相近的三段。通过设置在每榀大梁下方的承重平台进行对接，主次构件安装焊接完成后进行索的张拉。张拉完毕后对结构进行卸载。

承重架体搭设区域如平面图所示，承重架体横竖干间距为1.2m，阴影部位为承重平台区域，承重平台是在承重点下方的承重架2mx2m区域内对立杆进行加密，立杆间距为400mm。支撑平台部位采用支撑杆承托双向100x100木方，木方上方铺设20mm厚钢板，钢梁采用H200钢梁支撑。

承重架全部区域设置防护网，支撑平台四周设置水平栏杆，四周4mx4m区域设置硬防护。

根据预应力索张拉计算结果，A区屋盖在张拉完毕后起拱值为40mm；B区屋盖在张拉完毕后起拱值为29mm。所以在预应力索张拉完毕后，构件已向上离开支撑点标高，故随着预应力索张拉完毕，支撑点也完成卸荷。钢构件与拉索安装需在环境温度5摄氏度以上进行。

3.2 吊装设备

现场塔吊型号为K30/30，臂长70m，端部吊重为3吨。塔吊起重能力覆盖范围以外区域采用200吨汽车吊进行吊装。

4 施工方法

4.1 安装测量

（1）建立矩形平面控制网：

（2）由专人将地脚螺栓群上的水泥砂浆清理干净；

（3）将经纬仪架在硬质的地面上调整校正；

（4）通过土建提供的标高控制网（50线）用钢卷尺测量牛腿的安装高度，并在预埋件上划高度控制线。

4.2 地脚螺栓安装

本工程中钢柱柱脚做法如图所示，地脚螺栓规格为M30x750，每个柱脚地脚螺栓数量为4根。地脚螺栓在柱脚混凝土模板支设完毕后安装。

地脚螺栓安装程序

测量放线→安装地脚螺栓→定位板稳固→调校合格→浇注砼（土建）→初凝前复校→混凝土养护→拆除定位板。

地脚螺栓安装方法

（1）准备工作：①严格按照图纸尺寸，对进场的地脚螺栓及地脚螺栓定位板进行验收，尤其是螺栓孔的相对位置不得超过2mm。②根据设计提供的深化图纸和定位板图纸，制定切实可行的测量方案。③仪器工具准备工作，结合本工程的特点，地脚螺栓的埋设需要的主要工具如下：全站仪1台、电子经纬仪2台、水准仪1台、50m钢卷尺2把、2m钢尺3把、1m钢板尺3把、直角尺3把。各测量仪器均经过检测并在有效期内。

（2）测量放线。根据设计要求，用经纬仪和全站仪放线，将轴线和钢柱轮廓线弹在基础底板垫层上，根据轴线和钢柱轮廓线初步确定地脚螺栓的位置。

（3）地脚螺栓安装。第一步，考虑本工程地脚螺栓埋设深度和避免底板钢筋绑完后无法插入地脚螺栓等因素，地脚螺栓在楼板钢筋绑扎过程中进行埋设（埋设标高根据楼板钢筋位置适当调整）；第二步，地脚螺栓插入到柱钢筋内；第三步，利用定位板将地脚螺栓群绑定整体，与周围钢筋可靠固定；第四步，地脚螺栓安装就位和楼板钢筋绑扎过程中用水准仪和全站仪控制钢柱中心位置和标高。

4.3 两侧支座短钢柱安装

本工程中支座短钢柱为H型柱，规格为600×16×200×22。短柱长度为：1.6m，重量约2.5t，混凝土达到强度后进行安装。

钢柱吊装到位后要进行标高、柱身扭转、垂直度的校正。

（1）柱底标高调整：钢柱加工时，以柱顶面为基准面确定柱身长度及其它部件的位置，安装前以柱顶面为为基准面分别下返300mm和L-300mm（距离柱底的距离为l-L+300）作标记，如下图所示，L为钢柱设计总长度，l为钢柱的实际测量总长度，标记作为钢柱校正时的辅助[2]。

标高调整具体做法如下：钢柱安装时，在柱底板下的地脚螺栓上加一个调整螺母，螺母上表面的标高调整到与柱底板标高齐平，放上柱子后，利用底板下的螺母控制柱子的标高，精度可达±1mm以内。

（2）柱身扭转调整：钢柱吊装前，并在柱底板侧面和混凝土基础上分别做好中心线标记。钢柱吊装时，起重机不脱钩的情况下，将柱底板上的中心线标记与柱基混凝土上的标记重合即可。

（3）柱身垂直偏差调整：利用调整地脚调整螺母进行垂直偏差校正，以基础的轴线标记与柱顶中心线标记作为基准线，至少用两台经纬仪从两个不同方向进行测控。如果两条基线不在同一直线上，则说明柱子不垂直。调整螺母使垂直度满足要求。

4.4 屋盖钢梁安装

本工程B区相对复杂，所以以B区安装进行说明。

安装顺序：构件自B-17向B-1轴方向进行安装

B-5、B-10～B-17/B-A～B-E 范围采用塔吊进行吊装，其余构件采用200t汽车吊吊装。构件单重最大为3.0吨，塔吊在60m半径内起重能力为3.65吨，汽车吊在40m范围内起重能力为4.6吨。起重设备满足构件吊装要求。

汽车吊站位如下图：

具体吊装方法：

吊装钢梁之前，将四周短柱安装完毕。

1.首先，安装B-17轴混凝土框架梁上方钢梁

2.然后，安装B-16、B-17轴主向短跨钢梁，并安装次构件

3.在拼装平台上精确放线，定位钢梁安装位置，并调整好支撑点标高。然后吊装大跨度钢梁两侧钢梁，随即吊装次构件

4.吊装大跨度钢梁中间段钢梁，完成主向钢梁的组拼，随即吊装次向构件

5.按照第3、4步完成剩余主向钢梁及次向钢梁的吊装

4.5 拉索安装和张拉施工方案

4.5.1 预应力拉索施工总体思路

屋盖钢结构和周围其他构件安装完成后进行拉索的安装和张拉。拉索的张拉施工总体思路为：钢结构安装就位后，搭设拉索安装张拉操作平台，安装完拉索之后对拉索分级分批进行张拉，B单体结构张拉分2级，每次张拉一榀拉索。

4.5.2 具体施工流程

4.5.3 预应力拉索安装和张拉实施方案

拉索进场后的检查内容：1、拉索的外层保护良好，没有明显的摩擦损伤痕迹；拉索的标记点位置准确。

4.5.3.1 拉索地面展开

为了在现场施工方便，在索体制作时，每根索体都单独成盘，在加工厂内将索体缠绕成盘，到现场后吊装到事先加工好的放索盘上，放索盘的示意图见下图。

索在地面开盘，放索可采用卷扬机或者吊车牵引放索。放索前将索盘吊至该索所在榀一端端头，借助放索车，由一端向另一端牵引。在放索过程中因索盘自身的弹性和牵引产生的偏心力，索盘转动会使转盘时产生加速，导致散盘，易危及工人安全，因此对转盘设置刹车和限位装置。为防止索体在移动过程中与地面接触，损坏拉索防护层或损伤索股，索头用布袋包住，将索逐渐放开，在地面沿放索方向铺设一些圆钢管，以保证索体不与底面接触，同时减少了与底面的摩擦力，圆钢管的长度不小于1米，间距为2.5m左右。由于索的长度要长于跨度，索展开后应与轴线倾斜一定角度才能放下，因此牵引方向要与轴线倾斜一定角度，牵引时使索基本保持直线状移动。

4.5.3.2 拉索安装

本张弦梁屋盖结构为单向张弦体系。拉索在屋面壳体下方放开以后，利用卷扬机和倒链进行安装，具体思路如下：安装时借助卷扬机和导链等工具整体同步提升拉索，当拉索提升到一定高度（索头距耳板1.5m左右），先安装拉索两端索头，再安装索夹节点，即先借助倒链牵引索头，通过销轴将索头固定到对应耳板上，拉索两端索头安装完毕后，根据拉索上的标记点，将拉索和索夹相连，在所有拉索和节点连接完毕以后，盖上节点盖板拧紧螺栓，

4.5.3.3 拉索张拉工艺

（1）张拉前需具备的条件。a.钢结构焊缝经探伤达到设计要求；b.测量非张拉端一侧拉索两锚固点之间的距离，按照与理论长度之间的差值，调整好非拉索调节端的螺杆外露长度，消除钢结构误差影响；c.张拉设备经过标定。

（2）张拉位置。采用调节端单端张拉的方式进行张拉。

（3）张拉工装设计。根据钢结构施工图纸，仅在自重作用下，A单体、B单体结构中拉索的最大张拉力为743kN，每次最多同时张拉2根拉索，因此选用2套张拉设备进行张拉，即2个60t千斤顶、2台油泵及配套张拉工装等。张拉过程中1台油泵带2个60t千斤顶同时工作。

4.5.3.5 B轴张拉分级及分批

考虑预应力施加过程中结构的变形、应力变化等因素，采用分级分批、同步对称张拉的方法进行预应力拉索张拉。整个张拉过程分2级进行，第一级张拉至设计张拉力的40%，第二级张拉至设计张拉力的100%，最后根据实测的索力进行局部调整。拉索张拉从一边向另一边依次张拉，每次张拉一根拉索，第一步先张拉LS11，第二步张拉LS12，第三步张拉LS13，第四步张拉LS14，最后张拉LS15，第二级张拉从LS15依次到LS11。

4.5.3.6 预应力拉索张拉施工工艺

（1）预应力钢索张拉前标定张拉设备。根据设计提供的拉索预应力值，进行施工仿真计算，张拉力最大为74t左右，采用2个60t千斤顶、油泵及张拉工装等设备。根据设计和预应力工艺要求的实际张拉力对千斤顶、油压传感器进行标定。

（2）预应力钢索张拉采用双控，以索力控制为主、变形控制为辅。预应力钢索张拉完成后，应立即测量校对。如发现异常，应暂停张拉，待查明原因，并采取措施后，再继续张拉。

（3）张拉操作要点：张拉设备安装：由于本工程张拉设备组件较多，因此在进行安装时必须小心安放，使张拉设备形心与钢索重合，以保证预应力钢索在进行张拉时不产生偏心；预应力钢索张拉：油泵启动供油正常后，开始加压，当压力达到钢索设计拉力时，超张拉5%左右，然后停止加压，完成预应力钢索张拉。张拉时，要控制给油速度，给油时间不应低于0.5min。

（4）预应力钢索张拉测量记录。对压力传感器测得压力和全站仪测得钢结构变形记录下来，以对结构施工期行为进行监测。

（5）张拉质量控制方法和要求。①钢结构就位后进行钢结构的尺寸复核检查；②张拉力按标定的数值进行，用压力传感器数值进行校核；③避免在日温差较大的时期进行张拉施工，减小温度对索力的影响；④认真检查张拉设备及与张拉设备相接的钢索，以保证张拉安全、有效；⑤张拉严格按照操作规程进行，控制给油速度；⑥张拉设备形心应与预应力钢索在同一轴线上；⑦实测变形值与计算变形值的差值超过允许偏差时，应停止张拉，报告工程师进行处理。

4.5.4 张拉注意事项

（1）在张拉之前，钢构方应提供节点及支座等的焊接检测报告，在保证焊接质量合格的前提下，方可进行拉索的张拉施工。

（2）张拉设备安装：由于本工程张拉设备组件较多，因此在进行安装时必须小心安放，使张拉设备形心与钢索重合，以保证预应力钢索在进行张拉时不产生偏心；

（3）预应力钢索张拉：油泵启动供油正常后，开始加压，当压力达到钢索设计拉力时，超张拉5%左右，然后停止加压，完成预应力钢索张拉，张拉时，要控制好给油速度。

（4）由于索体的安装要求精度较高，索体有一定调节长度，但调节量比较小，并且考虑预应力张拉过程中拉索自身伸长值，因此为了保证整个结构的安装精度，对钢梁在安装时要求精度比较高。钢结构焊接过程中注意保护索体，张拉过程中，四周严禁电焊作业。

4.5.5 预应力补偿措施

结构全部张拉完成后，对索力进行检测，根据实测的索力值，确定是否进行索力的调整。若需调整，应根据实测的拉索拉力值建立结构计算模型，通过仿真计算确定索力的调整顺序和调整值，以避免相邻拉索索力的相互影响。

4.6 测量监控

为保证钢结构的安装精度以及结构在施工期间的安全，并使钢索张拉的预应力状态与设计要求相符，必须对钢结构的安装精度、张拉过程中钢索的拉力以及结构的变形进行监测。

4.6.1 结构变形监测

在预应力钢索进行张拉时，钢结构部分会随之变形。在预应力钢索张拉的过程中，结合施工仿真计算结果，对钢结构变形监测可以保证预应力施工安全、有效，（监测时只针对结构变形较大，最敏感部位进行监测）。对变形的监测采用全站仪和反光片（实际检测时，在每个检测点上粘贴反光片，以便于观测定位和采集数据）。

4.6.2 张拉预警

在施工过程中，为保证更高的施工质量，特此对结构进行施工监测。在整个施工过程中，监测以拉索索力控制为主，结构位移控制为辅，其中索力监控预警值为理论值的±10%，位移监控预警值为理论变形的±15%。

在张拉过程中将测量数据与计算的理论值进行比较，如果出现较大异常应停止张拉，待找到原因并确定解决方案后再继续张拉。

4.7 施工仿真分析

计算软件采用通用有限元分析软件MIDAS/GEN，计算模型结果如下所示：（1）结构成型以后，最大起拱29mm；（2）结构成型以后，最大应力84Mpa，最小应力-80Mpa；（3）结构成型以后，索力最终计算结果与设计力值一致；从以上的计算结果可以看出，该预应力拉索施工方案是可行的。

5 结语

钢梁分段安装及焊接，考虑到“对称安装、消除误差、应力分散”的施工原则，有效地减小钢结构安装时产生的误差。且考虑到起重机的起重性能达不到要求的问题，从而保证了工程的安全。钢结构施工监测施工技术，保证钢结构的安装精度以及结构在施工期间的安全，并使钢索张拉的预应力状态与设计要求相符。