秦皇岛经济技术开发区预应力专项施工方案.docx
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秦皇岛经济技术开发区预应力专项施工方案
秦皇岛经济技术开发区预应力专项施工方案
北京市建筑工程研究院有限责任公司
2013-7-1
编制：
审批：
审核：
一、工程概况及技术特点
1.工程概况
结构钢梁为箱型截面，尺寸为800*1600*32*32，共六榀，跨度为47.5m-74.3m，钢梁一端固定一端可滑。
在每根钢梁内预埋两根Φ203*6无缝钢管，每根钢管内穿体一束（18根∅15.2）预应力钢绞线，张拉力为1921-2183kN。
梁侧俯视图
梁立面图
梁端部位剖面三维图
2.工程实施重点及难点分析
1）预应力钢结构从结构的拼装，到预应力张拉完成以及最后支撑架的拆除，其间经历很多受力状态，为了保证工程质量能够符合设计要求，必须进行大量的施工模拟计算；
2）对制作和安装的精度要求比较高，钢绞线的下料长度必须根据节点及结构的工作载荷进行精确计算，并在制作过程中严格控制，刚结构的安装精度也必须在施工过程中进行监控，只有制作和安装的精度满足要求，张拉完成后的工程质量才能达到设计要求的预应力状态；
3）节点深化设计及关键节点的有限元分析
钢绞线端部节点受力大，构造复杂，受力部位非常关键，节点的深化设计级有限元分析具有一定的难度。
对于本工程我们将采用三维建模软件对整个工程和所有节点进行详细建模，以保证钢绞线下料长度及节点加工制作的精确性，并对关键节点进行有限元分析，以保证节点受力的安全性，在可能的情况下对节点构造和外形进行优化；
4）施工过程的索力、应力及变形监测
对于预应力钢结构体系，在施工的每一个阶段，其刚度和平衡状态均会发生改变，结构都会经历一个自适应的过程而使内力重分布，形状也随之改变，为了保证施工质量和施工完成后的预应力形态符合设计要求，对施工过程的监控十分重要。
本工程中将采取可靠的监测手段，对钢结构的变形和预应力钢索的受力进行实时监测，以确保结构施工期安全，保证结构的初始状态与原设计相符。
可以看出，预应力钢结构工程施工前期准备工作量大、施工过程复杂的特点。
3.重点、难点解决措施
1）针对需要进行大量施工仿真计算的原则，我们拟对实际工程施工过程中的每一个施工工况，包括拼装、吊装、安装、张拉的工况，都进行施工仿真计算，施工仿真计算采用目前通用的大型有限元软件Midas进行分析，并采用Ansys进行校核计算，并积极与设计院进行沟通配合，达到施工中的每一个工况都做到在设计要求的应力及变形控制范围之内，并且在最后张拉完成后保证与设计院的计算模型相吻合。
2）针对钢绞线下料长度需要精确计算，我们也会按照事先确定好的张拉工况通过Midas计算出张拉后的结构受力情况，根据这一状态，给出钢绞线的精确下料长度。
同时针对预应力钢结构需要在施工过程中进行严格控制的要求，我们将在整个施工过程中采用全站仪、振弦应变计、百分表等随时检测钢结构的变形及应力情况，做到施工与计算相吻合。
3）针对节点深化设计及关键节点的有限元分析，我们将采用三维建模软件对整个工程和所有节点进行详细建模，以保证钢绞线下料长度及节点加工制作的精确性，并对关键节点进行有限元分析，以保证节点受力的安全性，在可能的情况下对节点构造和外形进行优化；
4）针对施工过程的索力、应力及变形监测，本工程中将采取可靠的监测手段，对钢结构的变形和预应力钢索的受力进行实时监测，以确保结构施工期安全，保证结构的初始状态与原设计相符。
4编制依据
（1）工程文件
1）本工程相关施工图纸；
2）施工各相关单位的进度情况及工程总体施工进度计划；
（2）遵循的标准和规范
1）《钢结构设计规范》（GB50017-2003）
2）《钢结构工程施工质量验收规范》GB50205—2001
3）《建筑施工安全检查标准》（JGJ59—99）
4）《建筑施工高处作业安全技术规范》
6）《预应力钢结构技术规程》CECS212：
2006
7）《建筑缆索用钢丝》CJ3077-1998
8）《塑料护套平行钢丝拉索》CJ3058-1996
二、机械设备及劳动力计划
1.劳动组织及劳动力计划
预应力劳动力需用量计划
工种
工长
预应力钢绞线安装
预应力张拉
设备维修
人数
1人
6人1组
4人2组
1人
其中每台泵顶配备4人。
3人操作千斤顶，1人操作油泵。
现场配备专门机具维修人员，设备出现故障，立即修理或更换，不能耽误张拉。
工长在现场负责人员设备组织调配，抓好质量进度与安全，协助工程师处理有关技术问题。
各相应部位配备相应质检员，负责相关部位的质量。
工程师在现场巡回检查，出现问题，及时处理。
土建配备辅助人员主要是准备好工作面。
2.主要施工机械准备及需用量计划
表1：
主要设备需用量计划
分类
名称
规格
单位
数量
备注
住宿
床及床板
上下床
套
5
门锁
把
2
电风扇
台扇
台
6
3个宿舍
厨房
炊具
套
1
用徐州一套
通讯设备
对讲机
带充电器
个
5
插线板
个
4
电力设备
电箱
380V
个
5
带漏电保护器
220v
个
2
带漏电保护器
电工胶带
卷
2
尖嘴钳
把
1
壁纸刀
把
3
电工用
壁纸刀刀片
盒
1
一字螺丝刀
电箱上用
把
2
十字螺丝刀
电箱上用
把
2
老虎钳
把
2
手电筒
个
2
电笔
支
2
搭脚手架设备
19-22梅花扳手
把
5
搭设脚手架
铁丝
公斤
10
安全绳
6厘安全绳
米
300
6厘安全绳U型卡
个
100
钢绞线安装
工作锚
套
24
含夹片，夹片富余5套
工作锚
套
2
含夹片，夹片富余5套
牵引工装
套
1
预埋钢丝绳
Φ6
m
1000m
卷扬机
3T,绳长>120m
台
1
滑轮
5T
个
4
闭口
卸扣
5T
个
5
吊装带
5T
条
10
3m
3T
条
15
3m
大绳
50m
条
4
手拉葫芦
5T
个
3
3T
个
5
卷尺
5m
把
4
记号笔
黑色
支
4
棉纱
公斤
5
活动扳手
350
把
4
张拉设备
张拉工装
套
2
含2个锥形筒，2个限位板
放索用滚轴
个
10
油泵
套
2
一拖一使用
铜垫密封圈
和油管油头对应
套
10
主油管
25米以上
根
5
液压油
够2台泵使用
千斤顶
250吨
个
2
传感器显示器
套
1
一拖1个250T，标定
油表
个
1
一拖1个250T，标定
大锤
把
1
小锤
把
1
角磨机
把
1
Φ100磨片
片
10
Φ100切片
片
30
工具箱
个
1
工具包
个
6
灌浆设备
水泥
计算确定
灌浆料
计算确定
搅拌桶
3
灌浆机
套
1
含管子
丝攻
攻30的孔
端头封堵
件
24
搅拌器
5
小管钳
1
标准桶
大于30L
其他
黄胶带
卷
5
三角锉
把
1
中心磨
配4个中心磨头
把
1
焊接设备
电焊机
台
1
配焊把、30m焊把线
焊工手套、焊帽
套
1
电焊条
把
3
劳保
安全带
副
8
双钩
手套
线手套，手掌涂胶
副
50
监测设备
振弦应变计
带数据线、端块
套
6
振弦应变计采集仪
个
1
3.施工工期安排
三、施工技术措施
1.技术准备
1）根据设计要求编制预应力施工方案；
2）根据设计图纸编制施工预算，准备有关合同资料；
3）准备有关材质检验试验资料；
4）报送有关施工资料；
5）组织有关人员熟悉图纸，学习有关规范，向作业人员进行技术安全交底。
2.预应力施工材料的加工、运输、储存
1.预应力钢绞线按照施工图纸规定在专业预应力制作工厂进行下料。
按施工图上结构尺寸和数量，每根预应力钢绞线的每个张拉端预留张拉长度进行下料。
预应力钢绞线下料应用砂轮切割机切割，严禁使用电焊和气焊。
2.预应力钢绞线及配件运输及吊装、运输过程中尽量避免碰撞。
3.预应力钢绞线及配件在铺放使用前，应妥善保存放在干燥平整的地方，下边要有垫木，上面采取防雨措施，以避免材料锈蚀；切忌砸压和接触电气焊作业，避免损伤。
3.预应力钢绞线张拉技术要点
1）预应力钢绞线张拉前标定张拉设备
张拉设备采用相应的千斤顶和配套油泵。
根据设计和预应力工艺要求的实际张拉力对千斤顶、油泵进行标定。
实际使用时，由此标定曲线上找到控制张拉力值相对应的值，并将其打在相应的泵顶标牌上，以方便操作和查验。
2）张拉控制应力
根据设计要求的预应力张拉控制应力取值。
3）预应力钢绞线张拉采用双控，即预应力钢绞线的拉力及钢结构变形。
预应力钢绞线张拉时，应实时测量校对结构变形，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。
4）张拉操作要点：
a.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，使张拉设备形心与绞线重合，以保证钢绞线在进行张拉时不产生偏心；
b.钢绞线张拉：
油泵启动供油正常后，开始加压，当压力达到钢绞线设计拉力时，超张拉5％左右，然后停止加压，完成预应力张拉。
张拉时，要控制给油速度，给油时间不应低于0.5min。
5）预应力钢绞线张拉测量记录
应该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。
6）张拉质量控制方法和要求
a）张拉力按标定的数值进行张拉；
b）认真检查张拉设备及与张拉设备相接的钢绞线，以保证张拉安全、有效；
c）张拉严格按照操作规程进行，控制给油速度，给油时间不应低于0.5min；
d）张拉设备形心应与预应力钢绞线在同一轴线上；
e）每次张拉为了保持同步，将每次张拉力分成10小级，逐级进行张拉；
f）实测变形值与理论计算值相差超过允许误差时，应停止张拉，报告工程师进行处理。
7）张拉时采取双控原则：
张拉力控制为主，结构变形控制为辅助。
4.预应力张拉设备
结构张拉采用250T张拉千斤顶，每次张拉一榀两根钢绞线，即共需2只250T千斤顶。
每榀的2束每束18根钢绞线索同步张拉完成。
其中张拉设备中的圆锥形张拉工装均有限位装置，可以保证千斤顶与钢绞线束，与千斤顶同心，从而避免了张拉偏心的情况。
张拉设备示意图
实际工程照片
四、节点有限元分析
1、计算说明及计算软件
分析软件采用美国ANSYS公司开发的大型通用有限元分析程序ANSYS，选用的单元为ANSYS程序单元库中的三维实体单元SOLID45，每个单元有8个节点，每个节点有3个自由度。
分析时采用的单位制为国际单位制：
N，m。
网格划分采用的是ANSYS程序的单元划分器中的自由网格划分技术，自由网格划分技术会根据计算模型的实际外形自动地决定网格划分的疏密。
加载方式采用压应力加载，根据荷载大小和承载面积，计算出压应力施加于节点上。
在拉索锚具和节点之间建立接触对，保证施加于锚具上的压应力能够准确地传递到节点上。
2、端部节点
1）计算模型
单束钢绞线张拉力为2183kN，锚板承载面积为57226.5mm2，每个锚板上的压应力为69.9MPa，梁两端全部约束，计算模型如下图所示：
三维示意图
有限元模型及施加荷载
2）计算结果
位移云图（单位：
mm）：
Von-mises应力云图（单位：
MPa）：
3、中部节点
1）计算模型
拐弯处节点主要承受向上的荷载，大小为69t，施加压应力为1.9MPa，梁两端全部约束。
三维示意图
有限元模型及施加荷载
2）计算结果
位移云图（单位：
mm）：
Von-mises应力云图（单位：
MPa）：
从上图可以看出，节点的变形均不到1㎜，说明节点的刚度很好。
除张拉端锚板处最大等效应力达到250MPa外，其他区域的等效应力基本在100MPa以下，节点承载力能满足要求。
4、结构开洞位置
因结构张拉空间需要故在保证结构受力合理的前提下对结构进行开洞，开洞部位于结构张拉施工完成后方可焊上。
因结构钢梁较窄，一侧无法容纳两套张拉设备，同一根梁内两根钢绞线需分别在梁两侧张拉。
另外结构加劲板强度需满足张拉设计要求。
结构所需开洞部位如下：
梁两端张拉部位在加劲板一侧距离300mm处预留1500*736mm（每根梁上两个）洞口布置张拉设备。
洞口三维示意图
梁顶面洞口位置平面图
五、结构施工步骤
1.概述
钢结构拼接完成后，采用特殊设计的牵引装置在钢结构中穿预应力钢绞线。
当结构形成稳定的受力单元后，接下来可以进行预应力张拉。
本结构钢梁最大跨度接近75米施工难度较大，施工过程中对每一榀梁中两根索同步张拉，逐榀进行。
初步预计结构张拉分三级，第一级张拉至控制应力的20%，第二级张拉至控制应力的90%，第三级张拉至控制应力的100%。
2.施工过程
第一步：
在钢梁对接前在钢梁内预置90mΦ8牵引用钢丝绳，通长穿过预置钢管。
第二步：
将18根钢绞线用细钢丝绳编制的网套捆在一起，网套外套牵引端头，
通过预置的Φ8牵引用钢丝绳对钢绞线进行牵引。
（见下图）
第三步：
使牵引钢绞线一端连接2T卷扬机，另一端连接待穿钢绞线，用卷扬机将钢绞线一次牵引到位。
牵引示意图
第四步：
安装锚板，同时安装张拉设备，对钢绞线进行预紧。
一束钢绞线张拉方法为张拉一端，另一端锚固。
因同一根钢梁上有两根钢绞线，张拉空间狭小无法在一端同时安装两套张拉设备，故选择在钢梁两端各安装一套张拉设备。
张拉设备具体构造见下图。
张拉设备三维图
第五步：
对钢梁进行分级张拉，第一级张拉到控制应力的20%，进行第二级张拉至90%，第三级张拉到控制应力的100%，每级张拉完成停顿30分钟。
第六步：
待有张拉完毕后现在预置钢管透气口处沿钢管通长灌入发泡剂，待发泡剂凝固后进行灌浆。
灌浆具体时间在现行规范中无明确要求，在张拉完成后12小时且经总包、监理验收合格后方可进行该梁的灌浆工作。
第七步：
将灌浆处锚具用加工好的保护罩密封。
第八步：
依次对其他梁进行张拉。
类似工程照片
六、仿真计算
1.计算简图
支撑胎架搭设位置
2.计算结果
在仅考虑梁自重荷载工况下，对有预应力的六榀梁张拉过程进行仿真分析计算，初步将结构分为三级张拉，第一级张拉至初始张拉力的20%，第二级张拉至90%，第三级张拉至100%。
计算结果如下：
张拉之前结构位移（mm）
张拉之前结构应力（MPa）
第一级张拉完成后结构位移（mm）
第一级张拉完成后结构应力（MPa）
第二级张拉完成后结构位移（mm）
第二级张拉完成后结构应力（MPa）
第三级张拉完成后结构位移（mm）
第三级张拉完成后结构应力（MPa）
结构单榀梁在张拉完成后仅在自重作用下最大竖向位移为326mm，结构最大应力为118MPa，满足梁的变形和应力需求。
七、测量与监控
为保证预应力钢结构的安装精度以及结构在施工期间的安全，并使张拉完成后的预应力状态与设计要求相符，必须对张拉过程中钢绞线的拉力和钢结构应力进行监测，下面分别对这3方面的监测设备和监测方案进行介绍。
1.变形监测
在预应力张拉的过程中，结合施工仿真计算结果，对结构的整体变形进行监测可以保证预应力施工期间结构的安全以及预应力施加的质量。
对变形的监测采用全站仪，全站仪如下图所示：
变形测点需根据设计要求进行监测
变形测点位于桁架的跨中位置，对每榀梁都进行监测。
变形测点的分布如下图所示：
2.钢绞线张拉力监测
钢绞线的拉力可以通过油压传感器进行监测。
油压传感器安装于液压千斤顶油泵上，通过专用传感器读数仪可随时监测到预应力钢绞线的拉力，以保证预应力施工完成后的应力与设计单位要求的应力吻合，如下图所示：
油压传感器
3.钢结构应力监测
对钢结构的应力监测采用振弦式应变计进行。
应力监测仪器
BGK－4000应变计用于安装在钢结构及其它建筑物表面，测量结构的应变。
仪器与待测钢结构的温度膨胀系数相同，与混凝土的温度膨胀系数也非常接近。
所以很少需要温度校正，需要时，内置的温度传感器可以同时监测安装位置的温度。
采用不锈钢制造的振弦式应变计，具有很高的精度和灵敏度、卓越的放水性能、耐腐蚀性和长期稳定性。
由专用的四芯屏蔽电缆传输频率和温度电阻信号，频率信号不受电缆长度的影响。
BGK－4000应变计结构示意图
BGK－4000系列应变计通常用于测量结构表面的应变。
在钢结构上安装时，通常采用粘贴安装块的方式，安装块是成对提供的，其中带有锥尖固定螺钉，粘贴表面应清理干净。
在安装时，可以先确定安装杆的长度后，在钢结构上粘贴安装块，等到张拉之前将安装杆装上即可。
下图为实际安装后的示意图：
振弦式应变仪
振弦式应变仪质量稳定、精度高、具有很好的耐候性，且其数据可输送到数据采集系统进行实时监测。
已成功应用于多项大型工程的长期监测，非常适合于关键构件应力施工阶段监测要求。
监测采集设备位
数据采集采用BGK－408振弦读数仪，所需数据可以随时人工采集。
BGK－400操作面板布局
应力测点的布置需结合施工过程模拟计算的结果进行，并能反应结构的应力分布规律。
本工程选择跨度最大梁榀梁进行应力监测，监测点布置在梁中心以及梁两端张拉锚具附近。
应力测点位置如下图所示：
八、质量保证体系
1.工程质量控制程序
2.质量管理程序
人员
基本要素质量
人员素质保证
材料
原材料、半成品检验
原材料质量保证
操作
按工艺保证的要求
操作过程保证
机具
检验合格方可使用
机具质量保证
方案
经审批方可实施
方案保证
3.质量保证措施
1）加强技术管理，认真贯彻国家规定、规范、操作规程及各项管理制度。
2）建立完整的质量管理体系，项目管理部设置质量管理领导小组，由项目负责人和总工程师全权负责，选择精干、有丰富经验的专业质量检查员，对各工序进行质量检查监督和技术指导。
3）严格执行质量目标管理，把质量与效益严密挂钩，实行优质优价，质量目标责任制。
质检员认真行使质量否决权，使质量管理始终处于受控状态。
4）项目部每天要开好现场生产的质量碰头会，每周对工程进行全面检查，进行三分析活动，即：
分析质量存在的问题，分析质量问题的原因，分析应采取的措施，查出问题及时整改。
5）预应力张拉操作人员，必须经过培训，持证上岗。
6）应严格执行“三按”、“三检”和“一控”。
“三按”：
严格按图纸、按施工方案和施工工艺、按国家现行规范和标准施工。
“三检”：
自检、互检、交接检。
“一控”：
自控准确率、一次验收合格率。
7）应加强施工全过程中的质量预控，密切配合建设、监理、总包三方人员的检查与验收，按时作好隐蔽工程记录。
8）加强原材料的管理工作，严格执行各种材料的检验制度，对进场的材料和设备必须认真检验，并及时向总包单位和监理方提供材质证明、试验报告和设备报验单。
9）优化施工方案，认真作好图纸会审和技术交底。
每层、段都要有明确和详细的技术交底。
施工中随时检查施工措施的执行情况，作好施工记录。
按时进行施工质量检查掌握施工情况。
10）认真作好工程技术资料，及时准确完整收集和整理好各种资料，如合格证、试验报告、质检报告、隐蔽验收记录等，及时办理各种签证手续，由资料员负责各种资料的收发由技术负责人负责资料的内涵管理、整理和保管等外延管理。
4.质量评定
按照中华人民共和国国家标准《钢结构结构工程施工质量验收规范》的规定进行质量评定，工程质量必须符合上述标准的要求。
5.质量回访
在工程结构封顶和工程竣工后对施工质量进行回访，请建设单位、设计单位、监理单位和总包单位对预应力的施工质量服务态度相互配合等方面进行评定，并认真作好回访记录。
九、工期保证体系
1）预应力钢绞线生产加工
预应力钢绞线及配件均按照设计图纸要求，确保生产加工周期满足工期要求；
2）预应力钢绞线张拉
根据总体施工进度要求，合理有序的安排预应力张拉进度。
3）计划管理保证
在总包工期的宏观控制下，确定预应力钢结构施工进度；
4）劳动力安排保证
根据总包工期要求，适时调整劳动力，并保证作业人员按时进场，做到不窝工，不延误工期。
5）物资设备保证
保证材料供应，确保各种机械设备的正常运转，不因材料机械耽误施工，有足够的各类机械以保证生产的需求。
6）技术措施保证
根据总包确定的施工流水段，组织切合实际的交叉作业，编制可行而又高效的施工方案和技术措施，采用合理的工艺流程，及时作好针对性的技术交底，使施工人员深刻领会，做到熟能生巧。
十、安全管理措施
1）与总包单位安全生产管理体系挂钩，同时建立自身的安全保障体系，由项目负责人全面管理，每个班组设安全员一名，具体负责预应力施工的安全。
2）在进行技术交底时，同时进行安全施工交底。
3）张拉操作人员必须持证上岗。
4）张拉作业时，在任何情况下严禁站在预应力钢绞线端部正后方位置。
操作人员严禁站在千斤顶后部。
在张拉过程中，不得擅自离开岗位。
5）油泵与千斤顶的操作者必须紧密配合，只有在千斤顶就位妥当后方可开动油泵。
油泵操作人员必须精神集中，平稳给油回油，应密切注视油压表读数，张拉到位或回缸到底时需及时将控制手柄置于中位，以免回油压力瞬间迅速加大。
6）油管接头处和张拉油缸端部严禁手触站人，应站在油缸两侧。
7）预应力施工人员进入现场应遵守工地各项安全措施要求。
8）高处作业的安全设施必须经过验收通过方可进行下道工序的作业。
9）高处作业人员必须经过体检，作业时必须系挂好安全带。
10）吊装作业应划定危险区域，挂设安全标志，加强安全警戒。
11）登高用爬梯必须牢牢固定，不得晃动。
12）高空作业人员务必系挂安全带，并在操作、行走时即刻扣挂于安全缆绳上。
13）高处作业中的螺杆、螺帽、手动工具等必须放在完好的工具袋内，并将工具袋系好固定，以免通行时将物件踢下发生坠落打击。
14）禁止在高空抛掷任何物件，传递物件用绳拴牢。
15）施工人员使用钢梯、绳梯、吊栏等要与钢构件连接牢固。
16）高空作业人员携带的手动工具、螺栓等必须放在工具包内。
上下传递时要用绳子绑牢，严禁扔掷。
17）风力大于5级及雨天停止高空钢结构安装作业。
18）夜间施工要有足够的照明。
十一、预应力施工验收和技术资料
1.一般规定
1本章适用于预应力钢结构施工的质量验收。
2预应力钢结构施工应符合有关现行规范、标准及设计要求，并应编制施
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