预应力弦支穹顶结构施工工法.docx

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预应力弦支穹顶结构施工工法

预应力弦支穹顶结构施工工法

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1.前言

随着奥运工程、世博工程、亚运工程等一系列国家重点工程的建设实施，我国的建筑技术出现了空前的辉煌。

建筑造型越来越新颖、新技术的应用越来越广泛、建筑跨度越来越大，所以预应力空间钢结构技术应用也逐渐增多。

但是作为一种新型的空间结构，国内外对弦支穹顶的结构理论方面的研究不是很多。

我省十大重点工程建设使得xx市建筑领域出现了翻天覆地的变化，其中煤炭交易中心预应力弦支穹顶结构就是其中的一项，它是弦支穹顶结构在我省的首次采用，并获得了良好的效果。

中国xx煤炭交易中心屋面钢结构的上层是由刚性较大的H型钢组成的单层壳体，具有一定的抗压和抗弯刚度，但整体稳定性较差。

结构的下层由环向拉索和径向拉索组成，拉索为高强材料，可以有效的减小结构自重，并达到轻巧、通透的建筑效果。

上层钢结构和下层拉索之间由撑杆进行连接，构成稳定的空间结构受力体系，可以有效提高整体结构的稳定承载力。

2.工法特点

本工法属于预应力钢结构工程。

它具有施工难度大、施工前期准备工作量大的特点。

弦支穹顶结构形式新颖，可借鉴施工经验不多，因此施工的难度更大。

本工法的技术要点是贯穿在制索、挂索和预应力钢索张拉过程中,利用模拟仿真计算，使得施工具有科学的理论和检测依据，确保施工质量。

3.适用范围

适用于预应力弦支穹顶结构施工体系。

4.工艺原理

弦支穹顶是一种大跨预应力空间钢结构，其中高强度预应力拉索的引入使钢材的利用更加充分，结构自重及结构造价降低许多，所以弦支穹顶在跨越更大跨度方面具有较大的潜力。

我公司施工的煤炭交易中心宴会厅直径58米，高16.85米，屋盖主体结构采用弦支穹顶结构，在工程施工前，通过采用有限元计算软件，进行施工仿真计算分析。

根据仿真计算结果确定弦支穹顶结构上层单层网壳和预应力索安装顺序，并从技术角度上确定预应力索张拉方法，并进一步确定施工过程中的张拉顺序、分级张拉及不同阶段预应力索张拉力值等。

预应力拉索在每次张拉后，结构都要经历一个自适应的过程，结构会经过自平衡而使内力重分布，形状也随之改变，采用油压传感器及振弦应变计分别对钢索索力、径向杆拉杆及网壳杆件应力变化进行监测，并对结构起拱值进行监测，保证张拉过程安全顺利进行。

5.施工工艺流程及操作要点

5.1施工工艺流程

施工工艺流程见图5.1。

图5.1施工工艺流程

5.2操作要点

5.2.1钢结构制作安装及制索

弦支穹顶结构要求钢结构的制作和安装精度比较高，钢索的下料长度必须根据节点及钢索的工作载荷进行精确计算，并在制作过程中严格控制，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。

钢索下料长度需要精确计算，按照事先确定好的张拉后工况通过Midas计算出张拉后的结构受力情况，根据这一状态，给出钢索的精确下料长度。

在整个施工过程中采用全站仪、振弦应变计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。

5.2.2布索和挂索

由于大跨度结构，钢索长度比较长，需要分为几段，借助吊装设备，并根据现场吊装设备布置进行布索。

环向索重量比较大，所以挂索困难。

而且挂完后要保证撑杆下端有一定的偏转角度，以便张拉过程中的调节。

1环向索分段位置

环向索分段及索头形式。

环向拉索由3根Φ5X151组成，每根环向索分为2段，对接索头节点沿环向等分，3根拉索对接索头节点为60度。

环索索头采用可调节端头，这样可以根据单层网壳安装精度，对环向索有可调的长度，保证结构能够顺利精确安装。

环向索分段具体位置及环索索头形式见下图所示。

图5.2.2-1环索分段位置

图5.2.2-2环索索头形式

2径向拉索张拉端

通过调节中间调节套筒来改变径向拉索的长度变化，从而使预应力得到有效施加，拉索形式和张拉示意图见下图所示。

图5.2.2-3径向拉索结构形式

图5.2.2-4张拉端示意图

5.2.3施工仿真计算分析

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。

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。

仿真计算分为如下几个过程：

1全部结构安装完成：

整体结构安装完成，包括主体钢结构、主檩条及钢索安装完成，并且支撑都存在，此状态为第1步；

2第1和2级张拉，进行第1和2级张拉，需要10步完成，此过程为第2～11步；

3拆除所有支撑塔架，此状态为第12步；

4按照张拉方案进行第3级张拉，需要5步完成，此过程为第13～17步。

具体张拉步骤如下所示：

第1步：

结构全部安装完成后

第2步：

第1批拉索张拉到设计初张力的30％

第3步：

第2批拉索张拉到设计初张力的30％

第4步：

第3批拉索张拉到设计初张力的30％

第5步：

第4批拉索张拉到设计初张力的30％

第6步：

第5批拉索张拉到设计初张力的30％

第7步：

第5批拉索张拉到设计初张力的70％

第8步：

第4批拉索张拉到设计初张力的70％

第9步：

第3批拉索张拉到设计初张力的70％

第10步：

第2批拉索张拉到设计初张力的70％

第11步：

第1批拉索张拉到设计初张力的70％

第12步：

支撑塔架拆除后

第13步：

第1批拉索张拉到设计初张力的100％

第14步：

第2批拉索张拉到设计初张力的100％

第15步：

第3批拉索张拉到设计初张力的100％

第16步：

第4批拉索张拉到设计初张力的100％

第17步：

第5批拉索张拉到设计初张力的100％

图5.2.3-1有限元计算模型

图5.2.3-2仿真模拟计算云图

5.2.4预应力拉索的加工、运输、储存

预应力钢索及节点加工图由预应力专项施工单位设计，制作加工由预应力钢索专业生产厂家完成。

1调直

为了使钢索受荷后各根钢丝或各股钢绞线受力均匀，钢索的制作时下料长度要严格，要准确、等长。

下料采用“应力下料法”，将开盘在200～300MPa拉应力下的钢丝或钢绞线调直，可消除一些非弹性因素的影响。

2下料

钢丝或钢绞线的号料应严格进行。

制作通长、水平且与索等长的槽道，平行放入钢索或钢绞线，使其不互相交叉、扭曲，在槽道定位板处控制索的下料长度。

3切割

钢索应用切割机切割，严禁用电弧切割或用气割，以防止损伤钢丝。

4编束

用梳孔板向一方向梳理，同时编扎，每隔1m左右用细钢丝编排扎紧，不让钢丝在束中交互扭压。

编扎成束后形成圆形截面，每隔1m左右再用铁丝扎紧。

5钢索的预张拉

钢索的预张拉是为了消除索的非弹性变形，保证在使用时的弹性工作。

预张拉在工厂内进行，一般选取钢丝极限强度的50％～55％为预张力，持荷时间为0.5～2.0h。

5.2.5钢索张拉

根据仿真计算确定上层单层网壳和预应力索安装顺序，从技术角度上确定预应力索张拉方式，采用张拉径向拉索完成预应力结构施工，并进一步确定施工过程中的分级张拉和对称张拉，不同阶段预应力索施加初始力的预应力值。

施工采用张拉径向拉索保证索力的均匀，采取有效措施来保证张拉过程同步性。

1张拉前结构初始状态

根据环向索所作标记，调整环向索和径向拉索，调整完成的状态为张拉前初始状态。

2张拉设备的选用

经过仿真计算，确定拉杆的最大张拉力，由此确定需要的张拉机型号及吨位。

本工程径向杆最大张拉力约45T左右，需要两台60T千斤顶，根据张拉方案需要6根径向拉索同时张拉，因此选用12台60T千斤顶，即同时使用6套张拉设备同时张拉。

3预应力钢索张拉前标定张拉设备

张拉设备采用预应力钢结构专用千斤顶和配套油泵、油压传感器、读数仪。

根据设计和预应力工艺要求的实际张拉力对油压传感器及读书仪进行标定。

标定书在张拉资料中给出。

4张拉顺序

图5.2.5-1张拉顺序

第1和3级张拉顺序为：

12345

第2级张拉顺序为：

54321

5张拉时采取双控原则：

索力控制为主，网壳变形为辅助。

6张拉操作要点

1）张拉设备安装：

由于张拉设备组件较多，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；

2）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。

7张拉过程

施工前用仿真模拟张拉工况，以此作为指导张拉的依据。

张拉逐级张拉，整个张拉过程分成3级，分别为30％设计张拉力、70％设计张拉力、100％设计张拉力。

张拉设备和工具等辅助设备全部准备及加工到位运至现场。

张拉时，服从统一指挥，按张拉给定的控制技术参数进行精确控制张拉。

8同步张拉控制措施

每圈6根径向拉索同时张拉时，共有12个千斤顶同时张拉，因此控制张拉的同步是保证撑竿垂直及结构受力均匀的重要措施。

控制张拉同步有两个步骤。

首先在张拉前调整环向索连接处的螺母，使螺杆露出的长度相同，即初始张拉位置相同。

第二在张拉过程中将每级的张拉力（30％、70％、100％）在张拉过程中再次细分为3～7小级，在每小级中尽量使千斤顶给油速度同步，在张拉完成每小级后，所有千斤顶停止给油，测量索体的伸长值。

如果同一索体两侧的伸长值不同，则在下一级张拉的时候，伸长值小的一侧首先张拉出这个差值，然后另一端再给油。

如此通过每一个小级停顿调整的方法来达到整体同步的效果。

9预应力钢索张拉测量记录

对油压传感器测得拉力和监测竖向位移值记录下来，以对结构施工期行为进行监测。

5.2.5施工监测

在每一阶段预应力过程中，结构都经历一个自适应的过程，结构会经过自平衡而使内力重分布，形状也随之改变，施工中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。

为满足预应力施工过程的需要，保证工程顺利进行，施工监测布点时采取以下原则：

1应力监测：

以索力监测为主，保证径向拉索施加预应力值与施工仿真计算得到的张拉力值相同；钢结构应力监测为辅助手段。

2变形监测：

监测结构竖向位移（起拱值）。

1）对径向拉索张拉力的监测采用油压传感器测试，以保证预应力施工完成后的应力与设计单位所要求的应力吻合。

如下图所示：

图5.2.5-2油泵及油压传感器

2）在预应力钢索进行张拉时，整体结构部分会随之变形，并且通过结构变形量可以定性判断预应力施加。

因此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。

对变形的监测采用全站仪，监测仪器和变形监测点布置图如下图所示：

图5.2.5-3变形监测点布置图

3）预应力施加过程中，钢结构应力与预应力施加值密切相关的，因此张拉过程中，要对钢结构应力的监测采用振弦应变计，每个点对称布置两个振弦应变计，具体布置位置如下图所示：

图5.2.5-4应力监测点布置图

5.2.6脚手架搭设

在本工法中，临时脚手架的搭设是一个关键工序，它是钢结构安装、预应力张拉过程中必不可少的安全措施，工程中脚手架采用４８×３０的钢管，立杆下垫厚木板，上端丝杆调节高度、水平支撑和垂直支撑按规定设置，为满足结构安装要求，脚手架及操作平台搭设如下几个步骤：

1搭设满堂脚手架分为两部分，一阶平台和二阶平台（临时支撑脚手架），一阶操作平台可以为钢索、钢拉索、撑杆安装及预应力张拉提供操作平台，二阶平台为网壳安装提供操作及支撑平台；

2网壳安装过程中进行临时支撑脚手架的搭设，其主要作用是结构安装过程中支撑结构自重；

3在每根径向拉索调节端即支座位置处搭设一个2.5米×1.5米张拉操作平台。

图5.2.6-1搭设一阶操作平台

图5.2.6-2将环向索和径向拉索吊装放置平台

图5.2.6-3搭设临时支撑塔架

图5.2.6-4安装钢结构、撑杆及拉索

图5.2.6-5张拉完成后，拆除支撑塔架

6.材料与设备

6.1材料

6.1.1本工程的主要材料是预应力钢索，用1圈索杆结构，其中径向索采用拉索为Φ5X163，环向拉索采用型号为3Φ5X151，拉索采用高强钢丝束Fk＝1670MPa，外包双层PE。

由于拉索索体的加工精度较高，索体的调节量虽然有几厘米，但其中包括张拉时拉索和拉索伸长值，因此为了保证整个结构的安装精度，需要确保单层网壳安装时的精度。

6.1.2钢索防护

1钢索在防护前必须表面处理，认真除污。

钢索的长期防护方采用外加双层PE套管的方法。

这种防护方法可适应周围无严重侵蚀性的一般环境。

在施工过程中，为了避免对PE造成损伤，在钢索出厂时，首先在PE外面缠绕一层塑料薄膜，然后在外面增加薄毛毡及塑料带。