空間梭形鋼管-拉桿混合桁架施工關(guān)鍵技術(shù)
相關(guān)鏈接： 中國安全網(wǎng) 中國質(zhì)量網(wǎng) 中國論文網(wǎng) 中國資訊網(wǎng)
徐 坤，高勇剛，孟祥沖，賀 印，趙 楠，彭 磊，高成子
（中建鋼構(gòu)有限公司，四川成都 610041）
[摘要]空間梭形鋼管-拉桿混合桁架以梭形管桁架為主要受力體系，輔以預(yù)應(yīng)力鋼拉桿斜腹桿作為梭形桁架的穩(wěn)定體系。結(jié)合中國西部國際博覽城（一期）項目，基于桁架特點，經(jīng)過方案對比分析，采用地面整榀立拼、2臺履帶式起重機(jī)抬吊就位的施工工藝。重點介紹了梭形桁架拼裝、鋼拉桿施工、梭形桁架吊裝等施工關(guān)鍵技術(shù)，通過應(yīng)力監(jiān)測以及有限元分析，證明結(jié)果滿足要求。
[關(guān)鍵詞]鋼結(jié)構(gòu)；桁架；梭形桁架；鋼拉桿；吊裝；施工技術(shù)
[中圖分類號]TU758[文章編號]1002-8498(2016)08-0081-05
0 引言
梭形結(jié)構(gòu)外形呈流線型，富于建筑表現(xiàn)力，且與梁彎矩圖接近，承載效率高，用料經(jīng)濟(jì)，近年來備受建筑及結(jié)構(gòu)設(shè)計師的青睞；高強(qiáng)度鋼拉桿性能穩(wěn)定，自重輕，外形精致，且可通過施加預(yù)應(yīng)力增大結(jié)構(gòu)跨越能力，減輕結(jié)構(gòu)自重，達(dá)到結(jié)構(gòu)優(yōu)、建筑美的雙重效果�？臻g梭形鋼管·拉桿混合桁架（以下簡稱梭形桁架）以梭形管桁架為主要受力體系，輔以預(yù)應(yīng)力鋼拉桿斜腹桿作為梭形桁架的穩(wěn)定體系，在結(jié)構(gòu)穩(wěn)固、經(jīng)濟(jì)的同時，也保障了偶然性非均布荷載作用下的穩(wěn)定性，還大幅度減小桁架結(jié)構(gòu)的下?lián)稀?
1 工程概況
中國西部國際博覽城（一期）項目位于天府新區(qū)秦皇寺中央商務(wù)區(qū)，建筑面積約57萬m2，分為5個展廳和1個多功能廳。建成后將成為中國西部最大的展覽中心，并作為中國西部國際博覽會永久會址及大型國際、國內(nèi)會展舉辦場地。
本工程B，C展館梭形桁架為空間雙曲桁架，平面、正立面投影均為梭形，橫截面為近似倒三角形；長81m，最大寬度4.3m，最大高度約16. 16m（桁架最高點與最低點高差），截面最大高度約9. 5m，單榀最重約75t，如圖1所示。通過焊接支座球連接于柱頂滑動支座上，跨度63m，兩側(cè)各懸挑9m，B展館最大安裝高度31m，C展館最大安裝高度約42m。3根弦桿采用ɸ299×16~ɸ450×25鋼管，直腹桿、水平系桿及跨外斜腹桿采用ɸ180 x8~ɸ273 x18鋼管，跨內(nèi)斜腹桿則采用24根預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度鋼拉桿，直徑為60，80mm。
2重難點分析
梭形桁架施工集合了梭形空間桁架施工和預(yù)應(yīng)力鋼拉桿施工的重難點，主要為以下幾點。
1)梭形空間雙曲桁架的拼裝 梭形桁架拼裝主要重難點在于其雙曲上弦桿，上弦桿的空間走勢根據(jù)建筑造型確定，無函數(shù)規(guī)律，控制難度較大。
2)交互影響預(yù)應(yīng)力鋼拉桿斜腹桿群施工 預(yù)應(yīng)力鋼拉桿斜腹桿在施工過程中內(nèi)力值不斷變化，預(yù)應(yīng)力輸入值與完成值差別很大。作為梭形桁架的穩(wěn)定系統(tǒng)，其完成狀態(tài)的預(yù)應(yīng)力值不僅影響結(jié)構(gòu)功能的發(fā)揮，也可能在施工狀態(tài)中造成結(jié)構(gòu)本身的不穩(wěn)定，完成狀態(tài)預(yù)應(yīng)力值的控制至關(guān)重要。
3)超長傾斜空間桁架吊裝 超長傾斜空間桁架吊裝、調(diào)整過程中，吊裝姿態(tài)轉(zhuǎn)換、吊索綁扎不合理易造成滑動、松動，導(dǎo)致吊裝過程中發(fā)生危險。
3 施工思路及施工流程
基于桁架特點，經(jīng)過方案對比，采用地面整榀立拼，2臺履帶式起重機(jī)抬吊就位。施工流程為：胎架布置→桁架鋼管結(jié)構(gòu)拼裝→鋼拉桿斜腹桿拼裝→桁架鋼管結(jié)構(gòu)焊接→鋼拉桿斜腹桿張拉-+桁架吊裝就位。
4施工關(guān)鍵技術(shù)
4.1桁架拼裝
4.1.1 拼裝胎架設(shè)計
根據(jù)梭形桁架特點（主要是幾何外形）及現(xiàn)場施工環(huán)境，設(shè)計一種快速拆裝的組合式仿形胎架用于梭形桁架的拼裝施工。胎架由3個高度為10m、2個高度為7m、2個高度為5m的單元及兩側(cè)水平通道組合而成。各單元高度、寬度均自中間向兩端呈階梯狀縮小，2條水平通道均為雙向弧形，與梭形桁架上弦走勢相近。組合而成的胎架與梭形桁架外形相仿，各段弦桿對接位置位于胎架單元自身立柱之間，既便于拼裝作業(yè)，又節(jié)約胎架制作材料，且胎架拆除、重新組合的過程可通過各單元間水平通道的拆、裝快速完成，如圖2所示。
4.1.2拼裝定位
雙曲弦桿的拼裝質(zhì)量為桁架拼裝精度的主要影響因素，弦桿拼裝時采用三級精度控制。
1)樣沖眼初步定位梭形桁架弦桿制作時，在弦桿端頭的上、左、右3側(cè)各標(biāo)記1組樣沖眼，拼裝時調(diào)整在裝弦桿，直至3組樣沖眼與已裝弦桿均在一條直線上，弦桿初步定位完成。
2)胎架支撐節(jié)點校正調(diào)節(jié) 弦桿校正主要通過胎架上的定位托板（控制標(biāo)高）、側(cè)向定位板（控制平面位置）控制，校正完成后加側(cè)向固定板固定。
3)設(shè)計控制點坐標(biāo)復(fù)核 在校正完成后的弦桿上反算出設(shè)計控制點（節(jié)點）對應(yīng)位置，通過該點實測坐標(biāo)與理論值進(jìn)行對比，對桁架拼裝精度進(jìn)行局部復(fù)核，如圖3所示。
4.1.3 拼裝順序
桁架拼裝過程遵循“從中間往兩端，先主桿后次桿再拉桿；拼完再焊，焊完才拉”的順序，鋼拉桿張拉順序詳見下節(jié)。
4.2鋼拉桿施工
4.2.1鋼拉桿施工概況
每榀桁架包括24根預(yù)應(yīng)力鋼拉桿斜腹桿：型號為ɸ80 UI型鋼拉桿8根，理論屈服荷載≥2 763kN，理論破斷荷載≥3 767kN，實際預(yù)應(yīng)力控制值50kN，完成值與設(shè)計值不超過20%誤差；型號為ɸ60 UI型鋼拉桿16根，理論屈服荷載≥1554kN，理論破斷荷載≥2 119kN，實際預(yù)應(yīng)力控制值30kN，完成值與設(shè)計值不超過20%誤差，其布置立面如圖4所示。
施工過程中，各鋼拉桿內(nèi)力施加交互影響，張拉完成狀態(tài)與就位狀態(tài)桁架支撐條件變化較大，亦會引起鋼拉桿內(nèi)力變化，鋼拉桿內(nèi)力值從施加到就位完成狀態(tài)一直處于變化中。為防止施工過程中鋼拉桿受壓破壞，使用了一種單邊約束的“自卸力”下弦桿鋼拉桿節(jié)點，鋼拉桿即將進(jìn)入受壓狀態(tài)時會保護(hù)性退出工作，如圖5所示。
4.2.2鋼拉桿施工過程中內(nèi)力分析
為研究鋼拉桿受力變化的特點，采用有限元軟件建立有限元模型，其中圓鋼管采用三維彈塑性梁單元Beam188模擬，預(yù)應(yīng)力鋼拉桿采用桿單元Link180模擬。假定按照設(shè)計值進(jìn)行鋼拉桿依次張拉，對以下3種工況進(jìn)行模擬，初步分析鋼拉桿內(nèi)力變化情況。
- 工況1 從一端向另一端逐次加載，張拉次
24，如圖6所示。
圖7給出了施工時各拉桿實際施加拉力與最終目標(biāo)拉力之間的關(guān)系，可以看出，除了最后施加拉力的桿件外，其他拉桿施工時施加的內(nèi)力均不等于其目標(biāo)拉力。因此，實際施工時應(yīng)按照不同的施工拉力進(jìn)行預(yù)應(yīng)力施加。
由工況1、工況2和工況3直接張拉施工所得就位狀態(tài)內(nèi)力值達(dá)不到設(shè)計要求，拉桿之間張力相互影響現(xiàn)象明顯。因此，應(yīng)根據(jù)就位狀態(tài)設(shè)計內(nèi)力值作為目標(biāo)值，逆向迭代仿真分析得出初始內(nèi)力施加值，施工中按照得出值進(jìn)行加載，并通過現(xiàn)場實際監(jiān)測驗證理論值的可靠性，以指導(dǎo)鋼拉桿施工。同時由圖7可知，由中間向兩邊對稱張拉時各拉桿張力波動較小。
4.2.3張拉順序確定
鋼拉桿張拉順序綜合考慮現(xiàn)場可實施性、張拉施工對桁架結(jié)構(gòu)的影響以及張拉過程中各拉桿內(nèi)力穩(wěn)定性來確定，最終選擇按照工況3的張拉順序進(jìn)行施工。4.2.4 扭矩值計算及鋼拉桿張拉
根據(jù)工況3對應(yīng)的理論內(nèi)力施加值，計算出扳手施擰扭矩值，計算公式如下：
T= K F d
式中：F為預(yù)緊力；K為扭矩系數(shù)（K取0.2）；d為拉桿螺栓大徑（ɸ60 UI拉桿大徑72mm，ɸ80 UI拉桿大徑95mm）。
拉桿按照工況3進(jìn)行張拉，使用定制的扭矩扳手，將刻度盤的扭矩值調(diào)整到計算所得的扭矩值，擰至滑絲即為完成，過程中有施擰記錄。
4.2.5應(yīng)力監(jiān)測
張拉之前，每根鋼拉桿上裝置電阻應(yīng)變式傳感器，對鋼拉桿的整個施工過程中內(nèi)力變化進(jìn)行量測，將監(jiān)測值與理論值進(jìn)行對比分析，對該施工方法的可靠性進(jìn)行驗證。圖8是工況3的拉桿內(nèi)力對比。
通過監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，鋼拉桿實際完成預(yù)應(yīng)力值：ɸ60 UI拉桿為30.1~32. 1kN，與設(shè)計值相比偏差3. 4%~7.0%；ɸ80 UI拉桿為51.7~54. 4kN，與設(shè)計值相比偏差在3. 4%~8.8%，滿足設(shè)計要求的20%以內(nèi)。同一節(jié)點上460 UI拉桿差值最大1. 7kN，差值率5.7010；同一節(jié)點上ɸ80 UI拉桿差值最大2. 7kN，差值率5.4%，不影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。監(jiān)測結(jié)果證明，按仿真分析所得內(nèi)力值進(jìn)行現(xiàn)場實際加載，鋼拉桿就位狀態(tài)內(nèi)力值滿足設(shè)計要求。
4.3桁架吊裝
4.3.1 吊裝思路
梭形桁架為長81m、重75t的傾斜構(gòu)件，正立面最大高差約16m，傾斜角度約110，同一橫截面兩上弦桿存在高差，最大高差約0. 5m，重心不在下弦桿正上方，自身穩(wěn)定性較差。選用2臺履帶式起重機(jī)雙機(jī)抬吊，較單機(jī)吊裝，有效地降低了吊索綁扎高度，同時大幅度減小吊索水平壓力對梭形桁架產(chǎn)生的內(nèi)力，如圖9所示。
4.3.2吊裝分析
經(jīng)過施工模擬分析，將2臺起重機(jī)對應(yīng)吊點分別設(shè)置在梭形桁架兩個端頭1/4附近的上弦節(jié)點處，通過Tekla Structures找出梭形桁架重心位置及桁架總質(zhì)量，結(jié)合吊點位置，通過力矩平衡計算出各吊點的受力情況。雙機(jī)抬吊吊裝分析遵循“構(gòu)件質(zhì)量不得超過2臺起重設(shè)備額定起重量總和的75%，單臺起重設(shè)備的負(fù)荷量不得超過額定起重量的80%”的原則。以吊裝高度較高的C館16榀梭形桁架為例，2臺起重機(jī)均選用QUY180履帶式起重機(jī)，59m主臂、14m吊裝半徑、額定吊重52. 6t，50t吊鉤與吊素質(zhì)量按1. 5t計。吊裝分析結(jié)果滿足要求。
4.3.3 吊點綁扎
梭形桁架拼裝時，為減小拼裝胎架高度，將傾斜桁架放置近似水平進(jìn)行拼裝，吊裝時先水平起吊，升至高度超過低側(cè)就位標(biāo)高后開始傾斜吊裝，初步就位后通過手拉葫蘆進(jìn)行桁架的校正。整個過程其吊裝姿態(tài)發(fā)生較大變化，鋼絲繩綁扎在節(jié)點就位狀態(tài)的低側(cè)以防止傾斜過程中滑動，“單繩雙支”綁扎形式鋼絲繩通長繞過2根上弦桿下表面，在葫蘆調(diào)整梭形桁架側(cè)立面形態(tài)過程中不會發(fā)生單側(cè)松動，吊點綁扎如圖10所示。
4.3.4 吊裝施工
起重過程中統(tǒng)一指揮，保持2臺起重設(shè)備升降和移動同步，2臺起重設(shè)備的吊鉤、滑車組均基本保持垂直狀態(tài)，主要步驟如下。
1)起吊時，梭形桁架水平起吊，脫離胎架后先靜置，觀察無異常后雙機(jī)同步起升。
2)起升高度超過梭形桁架低側(cè)就位高度后，雙機(jī)停止起升；梭形桁架穩(wěn)定后，低側(cè)起重機(jī)不再起升，高側(cè)起重機(jī)繼續(xù)起升至超過梭形桁架高側(cè)就位高度后停止；由于吊索綁扎在梭形桁架就位狀態(tài)下上弦節(jié)點的較低側(cè)，梭形桁架傾斜吊裝過程中不會發(fā)生滑動。
3)雙機(jī)協(xié)同工作，大臂前伸或大臂后收，將梭形桁架吊至就位狀態(tài)的正上方；起重機(jī)落鉤，直至梭形桁架2個支座球落至鋼柱柱頂支座上，初步就位完成，此時起重機(jī)仍承擔(dān)梭形桁架80%質(zhì)量。
4)梭形桁架的校正通過手拉葫蘆完成，拉動手拉葫蘆時，遵循“先松后拉”的原則，即若要拉緊某一手拉葫蘆提升梭形桁架，則先將其對側(cè)的手拉葫蘆稍微松動，再拉動該手拉葫蘆，梭形桁架會在手拉葫蘆的提升力和自身重力作用下在吊索內(nèi)轉(zhuǎn)動，使吊索始終保持張緊狀態(tài)，不發(fā)生松動。
5)校正完成后，將支座球焊接于柱頂支座上，做好梭形桁架臨時支撐，履帶式起重機(jī)松鉤，吊裝作業(yè)完成。
5 結(jié)語
中國西部國際博覽城B，C展館全部32榀梭形桁架已經(jīng)施工完成，在該過程中總結(jié)了一種空間梭形桁架的拼裝方法，設(shè)計了一種快拆、裝組合式仿形胎架；通過施工仿真分析對交互影響預(yù)應(yīng)力鋼拉桿斜腹桿群施工進(jìn)行指導(dǎo)，并通過應(yīng)力監(jiān)測驗證了該方法的可靠性；研究了一種傾斜梭形空間桁架的吊裝方法及其吊點綁扎形式。
上述技術(shù)對類似不規(guī)則空間桁架的拼裝、吊裝，預(yù)應(yīng)力鋼拉桿施工同樣具有很好的參考價值。
