秦皇岛体育场预应力悬臂桁架综合施工技术

秦皇岛体育场预应力悬臂桁架综合施工技术[摘要]为了获得更大的使用空间，悬臂结构以其特有的结构特点在钢结构中的应用越来越广泛，特别是预应力这种可以简化结构受力形式、减少结构用钢量的工艺在悬臂桁架中的应用，形成了其独特的结构形式，因此其施工工艺也不同于一般的钢结构，值得进行探讨和研究。[关键词]体育场悬臂桁架预应力综合施工技术1体育场钢结构简介秦皇岛奥体中心体育场是我国申奥成功后修建的第一座奥体运动场，结构形式为预应力空间悬挑钢桁架结构，由24榀变截面箱型主桁架组成。主桁架后部以铰支形式坐落于砼柱上，单榀自重最大为52t，最大悬挑长度为41.8m，其重心在支撑点外，为保证结构受力平衡，其中部利用预应力索拉起，索的拉力又通过柱顶的双立柱传递到后拉杆上，然后从下拉杆传递到砼柱侧面的埋件上。主桁架之间标高各异、波浪起伏，整体造型犹如马鞍形，见图1、图2、图3。由于单榀桁架侧向极不稳定，因此主桁架之间通过402×12的弧型拱梁相互支撑，拱梁最大跨度为30.8m，但拱梁为平面外不稳定结构，因此拱梁和主桁架上弦通过钢索连接形成三角形稳定体系。正是这些打破常规设计和概念的不稳定体系组成了本工程蔚为壮观的屋架系统，同时也为结构的制作和安装带来极大的困难。本工程钢材的材质均为Q345b，结构总重约1800t，主要参数如下表。序号结构名称结构特点相关数据1主桁架箱型变截面2.5m×2m~4.591m×2.5m2弧型拱梁弧形钢管ø402x12t，最长29.4m3拉索钢芯钢丝索，外面为PE护套ø55㎜4拱架索钢芯钢丝索ø53m2结构安装顺序根据主桁架受力特点和结构特征，确定安装顺序如下：承重架-主桁架-双立柱-后拉杆-下拉杆-预应力索。1）首先安装承重架是因为主桁架为单点支撑结构，如果没有其它支撑点外，自身无法稳定，因此必须在前端搭设承重脚手架，形成两点支撑的稳定体系。2）根据应力传递的路线，和后部传力构件的特征（本身为三角形稳定体系），双立柱是一个重要的受力环节，没有它结构前端的重量就无法传递到后部，而且钢索和后拉杆的连接节点也都在双立柱上，因此第二步必须先安装双立柱，并严格控制其上部节点的标高，和本身的垂直度。3）根据力学模型的特点，再安装后拉杆，使双立柱、后拉杆、和主桁架成为一个三角形稳定体系，这样就可以确保其它构件安装的精度，减少安装过程中各种原因造成的误差。4）安装预应力钢索。通过张拉赋予钢索预应力，这样其它受力构件随着钢索拉力的增加逐渐完成了荷载的的施加。3主要安装措施1）安装方法的选择在综合考虑了吊装机械的性能、土建结构外形的影响、砼结构受力状况、构件的重量和刚度等因素后，确定了大部分构件整体吊装、部分构件分段吊装高空对接、超大构件双机抬吊的方案。2）施工机械的选择本着经济适用的原则，选用了150t履带起重机和300t汽车起重机作为主要施工机械。3）承重架的搭设在搭设承重架时就要考虑到工程结束时如何拆除承重架，为此在承重架的选择上我们采用架身为标准节，标准节顶部用脚手管搭设成密集型的承重脚手架，架顶安放千斤顶，这样承重架的抗压和抗弯能力就非常强，施工时也比较方便。4）主要测量监控措施主要控制项目包括主桁架端头和支座的标高、整体的侧向位移、平面扭曲度、双立柱的标高和垂偏。这些项目同时也影响到预应力施加的精度。由于现场测量监测控制面广，主桁架除支座外其余部分均为悬空，如采用以往施工惯用的利用水平仪和钢卷尺、塔尺进行控制的施工方法，不但测量精度无法保障，而且施工效率非常缓慢，危险性也较大。为此我们充分发挥了全站仪等先进仪器的作用，采取一步到位的测量方法，尽量减少中间环节产生的各种误差，保证了测量结果的有效性和准确性。我们首先通过计算确定控制点的标高和平面位置，利用桁架整体沿轴线方向布置的特点，在两端做好控制标志，用全站仪同时监控上述三个控制项目，使用该方案不但减少了中间的控制环节和累积误差，保证了数据的精确性，而且还提高了施工效率。4预应力钢索的施工4.1简介主桁架为悬臂桁架，设计采用的是通过斜拉索进行固定，拉索规格为直径ø55㎜的钢芯钢丝索，外面为PE护套，每根拉索的调节量为100㎜，按照GB/T18365-2001的标准，通过3000kN卧式拉力试验机对弹性模量进行检测，拉索的弹性模量为E=1.95×105MPa。钢索首先经过预张拉，以消除残留应变，防止工程中索因蠕变效应而产生松弛。预张拉载荷至少为钢丝绳破断荷载的55％，次数不少于两次，每次持荷时间为60min。钢索容许应力（短期）=钢索破断应力/2.2钢索容许应力（长期）=钢索破断应力/3.0本工程中悬挑端的重量是通过拉索传递到后部受力体系的，因此索的张拉直接影响到钢结构以后的变形量。而由于索头构造上存在的缺陷，索的张拉后来成为制约工程竣工验收的瓶颈。我们为此制作了专用设备，并经过了实践的考验，为国内索的张拉提供了一个新途径。4.2拉索应力控制的常用方法1）利用弹性模量进行控制拉索的弹性模量已经通过实验得出，利用公式ΔL=F/（E×S）（ΔL为达到拉力F时的伸长量，F为拉力，E为弹性模量，S为拉索截面积）可以计算出拉索需要的伸长量，在拉紧过程中随时测量拉索的长度L1，计算出L1和拉索没有受力前的自然长度L2的差值，当达到ΔL时拉力达到设计值。2）出厂前在拉索调节端的螺纹上做标记由拉索制造厂家根据设计要求的数值，在出厂前就在螺纹上做好标记（标记的计算原理和上述方法相同），当套筒拧到标记处时即表示拉力已达到设计值。3）通过带有压力表和液压泵的专用设备进行张拉其原理是通过不断增加设备作用在钢索锥头上的压力来抵消钢索在套筒上产生的拉力，进而可以拧紧套筒，当设备卸荷后，套筒受力完成张拉。该设备带有压强表，可以直接读取压强值P（单位MPa），但由于是压强值，还需要换算成压力值，公式是压力F（t）=102×P×S（S为张拉枪活塞面积㎡），设计允许变化范围为±20%。4.3预应力钢索的施工1）施工方法的选择按照第一、第二两种方法施工原理可行，但在实际操作时，由于结构制作、安装的偏差，可能会出现超过或未达到设计值的情况，而且对拉力无法进行精确控制，因此在施工中我们按照第三种方法进行张拉，并且当主桁架和支撑全部安装完毕，所有拉索经过二次张拉后，在拆除主桁架前段的承重架时，进行最后一次张拉。2）预应力施加工艺主桁架整体受力体系中所有的杆件安装完毕后，根据设计提供的预应力值对钢索进行预张拉，该值为最大应力的50%。首先通过计算把该值的单位换算为压力表应达到的兆帕值，便于安放专用工装设备进行操作。当达到所需兆帕值后，对另一根索施加预应力，然后复测前一根索的拉力，观察张拉后一根索后前一根索内力的变化。检查证明前一根索的内力没有变化。这是因为两根索产生拉力的垂直分力还没有抵消主桁架作用在前端承重架上的压力，主桁架在承受这两个拉力后并没有向上产生变形，这样虽然两根索没有同时张拉，但其相互之间并没有影响。3）最后张拉随着主桁架前端支撑结构的拆除，原来承重架所承受的压力转移给拉索，造成索应力的增加，当承重架全部拆除完毕后，对索的拉力进行检测，并对应力小于设计值的拉索进行最后张拉达到设计值。4）影响拉力值的因素索的蠕变效应会使拉力值变小，但通过工厂的预张拉，它的影响就变的非常小。在本工程中，影响索的拉力值的主要是其它构件的安装。这是因为随着构件的不断安装，承重架受到的压力不断变大，这样就造成基础的沉降和架顶承重件的变形，而出现主桁架前端标高下降的现象，进而造成预应力拉索长度出现微小增加，根据弹性变形的原理，索的内力也会呈现增加趋势。5）钢索构造中的问题索的拉力的调整是通过旋转中间的套筒进行的，原理和花篮螺丝一样，但索产生的拉力是普通花篮螺丝的上百倍，因此套筒螺纹和锥头螺纹之间的摩擦力也是普通花篮螺丝的上百倍，这么大的摩擦力靠人工是无法克服的。因此必须设法减小摩擦力才能进行张拉，而减小摩擦力的直接方法就是减小螺纹之间的压力，这样就需要制作专用设备进行操作，增加施工难度和成本。5桁架挠度和拉索应力值的变化分析本工程主体结构为悬臂结构，在整体没有闭合之前，该设计形式会对支座部分的砼柱产生巨大的弯矩，为了最大限度满足设计时采用的计算模型所依据的工况，所有主桁架前端的支撑在所有恒荷载施加以后再进行拆除，以实现设计计算模型需要达到的工况，而且主桁架高低错落，形似马鞍型，主桁架依靠内环桁架进行支撑，当结构依靠内环桁架闭合以后，就会在内环切线沿主桁架方向产生巨大的推力，这部分外力可以抵消部分主桁架自重产生的弯矩，因此承重架拆除顺序的选择对结构挠度影响很大，见图3。5.1设计挠度值各榀悬臂主桁架最大设计挠度值如表1所示。从表可以看出，在自由状态下悬臂结构端头的变形非常大，这样就会对相邻结构产生较大的影响，如果控制措施不得力有可能造成其它结构的永久变形，特别是对钢索的拉力也会产生直接影响。表1各榀悬臂主桁架设计挠度值5.2承重架拆除方案1）拆除顺序的选择根据结构特征和力学状况，选择从高向低处拆除的施工顺序。如果从低向高处拆除，低处桁架通过两侧内环会对相临的两个主桁架产生向下的拉力，而且在自重作用下它也会向下沉，虽然相临桁架对它有一个拉力，但它仍会以和内环桁架的连接部位为节点下沉。随着拆除的进行，高处桁架受低处桁架的影响会产生下沉的趋势，低处桁架则会越来越低，等承重架拆除完毕后结构整体的变形就会很大。如果从高向低处拆除，低桁架通过内环对主桁架产生向上的支撑力，而且在自重作用下也不会下沉。2）拆除方法本工序是整个体育场钢结构施工最后一道工序，为确保工程质量、避免发生意外事故，采用分次降低承重架顶支撑平台高度的方法，4次逐步降低平台高度，避免相临主桁架出现较大的高差而产生变形破坏。根据各榀主桁架最大挠度值，以其值的四分之一作为控制值逐渐降低平台高度。当平台完全脱离主桁架后，整个屋盖呈自由状态时静置1～2天，然后对主桁架下拉杆和埋件的焊缝进行认真细致的检查，同时对整个屋盖端头的标高和侧向位移进行复测，发现问题及时处理，如没有问题则拆除标准节。3）技术保障措施拆除过程中用经纬仪和全站仪随时监测主桁架侧向位移和标高变化，避免出现挠度值超过设计值，当整个屋盖呈自由状态时静置1～2天进行标高复测，观测主桁架标高变化，同时要检测索的应力变化。5.3挠度变化主桁架前端支撑平台分四次进行降低，在降低过程中前两次每榀主桁架前端也以其最大挠度的四分之一下降，当第三次进行降低时部分桁架的下降值达不到四分之一，当第四次进行降低时部分桁架在降低过程中停止下降，分析原因是支撑结构对主桁架有很大的支撑力，随着支撑结构的拆除，支撑力释放，主桁架下挠，在下挠过程中拉索变长拉力增加，阻止了主桁架下挠，当拉力增加到和结构重力平衡时，主桁架停止下挠。当平台完全脱离主桁架后，整个屋盖呈自由状态时静置1～2天，对整个屋盖端头的标高进行复测，发现变化很小，均未超出设计值。索的应力值的变化随着主桁架前端支撑结构的拆除，原来承重架所承受的压力转移给拉索，造成索应力的增加，当承重架全部拆除完毕后对索的拉力进行检测，发现所有的拉索的应力值均未达到设计值，对应力小于设计值的拉索进行最后张拉达到设计值。通过上述方法进行控制，主桁架挠度和拉索应力值均未超出设计值，对相邻结构也未造成损坏，使结构一次达到设计状态。6防腐施工技术6.1环境特点秦皇岛体育场钢结构工程施工地点濒临海洋，结构投入使用后受海洋盐雾气候的影响较大，因此对防腐涂料涂装工艺的要求非常苛刻。其旁边已投入使用的秦皇岛体育馆就曾出现较为严重的锈蚀现象。6.2使用材料本工程底漆采用符合环保要求的水性富锌涂料，面漆采用氯化橡胶漆（银灰色），底漆涂刷两遍，每遍厚度35um，面漆涂刷两遍，每遍厚度30um。水性富锌涂料双组份，由基料为一组份、锌粉为一组份。其基料由水溶性硅酸纳及添加多种助剂、活性稀释剂等组成，锌粉由300目锌粉组成。基料与锌粉以15：45（重量比）的比例配制使用。6.3产品特点1）本产品防锈能力强，并有阴极保护和导静电作用。水性富锌涂料涂层附着力强、机械强度好，不影响焊接，是性能优良的环保型涂料，可单独使用，也可用作防锈底漆。