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1、预应力弦支穹顶构造施工工法xxxx集团有限公司 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行，国内的建筑技术浮现了空前的辉煌。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，因此预应力空间钢构造技术应用也逐渐增多。但是作为一种新型的空间构造，国内外对弦支穹顶的构造理论方面的研究不是诸多。我省十大重点工程建设使得xx市建筑领域浮现了翻天覆地的变化，其中煤炭交易中心预应力弦支穹顶构造就是其中的一项，它是弦支穹顶构造在我省的初次采用，并获得了良好的效果。中国xx煤炭交易中心屋面钢构造的上层是由刚性较大的H型钢构成的单层壳体，具有一定的抗压和抗弯刚度，但整体稳定
2、性较差。构造的下层由环向拉索和径向拉索构成，拉索为高强材料，可以有效的减小构造自重，并达到轻巧、通透的建筑效果。上层钢构造和下层拉索之间由撑杆进行连接，构成稳定的空间构造受力体系，可以有效提高整体构造的稳定承载力。2.工法特点本工法属于预应力钢构造工程。它具有施工难度大、施工前期准备工作量大的特点。弦支穹顶构造形式新颖，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,运用模拟仿真计算，使得施工具有科学的理论和检测根据，保证施工质量。3.合用范畴合用于预应力弦支穹顶构造施工体系。4.工艺原理弦支穹顶是一种大跨预应力空间钢构造，其中高强度预应力拉索
3、的引入使钢材的运用更加充足，构造自重及构造造价减少许多，因此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，屋盖主体构造采用弦支穹顶构造，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。根据仿真计算成果拟定弦支穹顶构造上层单层网壳和预应力索安装顺序，并从技术角度上拟定预应力索张拉措施，并进一步拟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，构造都要经历一种自适应的过程，构造会通过自平衡而使内力重分布，形状也随之变化，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
4、测，并对构造起拱值进行监测，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。搭设脚手架一阶平台面预应力钢索及钢拉索制作放索（环索和径向拉索）运至现场将索及钢拉索吊至操作平台（撑杆下端）搭设临时支撑塔架安装上层钢构造网壳挂索（环索和径向钢拉索）施工仿真计算校核拉索分为5批次张拉到到设计初张力的30拉索分为5批次张拉到到设计初张力的70全站仪监测构造变形监测钢构造构造应力拆除临时支撑塔架拉索分为5批次张拉到到设计初张力的100根据监测成果调节索力安装屋面图5.1 施工工艺流程5.2操作要点5.2.1钢构造制作安装及制索弦支穹顶构造规定钢构造的制作和安装
5、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规定，张拉完毕后的工程质量才干达到设计规定的预应力状态。钢索下料长度需要精确计算，按照事先拟定好的张拉后工况通过Midas计算出张拉后的构造受力状况，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构造的变形及应力状况，做到施工与计算相吻合。5.2.2布索和挂索由于大跨度构造，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，因此挂索困难。并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
6、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5X151构成，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，保证构造可以顺利精确安装。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变化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径向拉索构造形式图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构造从构造的拼装，到预应力张拉完
7、毕以及最后支撑架的拆除，其间经历诸多受力状态，为了保证工程质量可以符合设计规定，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种施工工况，涉及拼装、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，达到施工中的每一种工况都做到在设计规定的应力及变形控制范畴之内，并且在最后张拉完毕后保证与设计院的计算模型相吻合。仿真计算分为如下几种过程：1 所有构造安装完毕：整体构造安装完毕，涉及主体钢构造、主檩条及钢索安装完毕，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步完毕，此过程
8、为第211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步完毕，此过程为第1317步。 具体张拉环节如下所示：第1步：构造所有安装完毕后第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
9、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、运送、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毕。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，要精确、等长。下料采用“应力下料法”，将开盘在200300MPa拉应力下的钢丝或钢绞线调直，可消除某些非弹性因
10、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，以避免损伤钢丝。4编束用梳孔板向一方向梳理，同步编扎，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，一般选用钢丝极限强度的5055为预张力，持荷时间为0.52.0h。5.2.5钢索张拉根据仿真计算拟定上层单层网壳和预应力索安装顺序，从技术角度
11、上拟定预应力索张拉方式，采用张拉径向拉索完毕预应力构造施工，并进一步拟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，采用有效措施来保证张拉过程同步性。 1张拉前构造初始状态根据环向索所作标记，调节环向索和径向拉索，调节完毕的状态为张拉前初始状态。2张拉设备的选用通过仿真计算，拟定拉杆的最大张拉力，由此拟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根径向拉索同步张拉，因此选用12台60T千斤顶，即同步使用6套张拉设备同步张拉。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构
12、造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规定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：1 2 3 4 5第2级张拉顺序为：5 4 3 2 15张拉时采用双控原则：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叠，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，完毕预应力钢索张拉。张拉时，要控制给油速度，给油
13、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，以此作为指引张拉的根据。张拉逐级张拉，整个张拉过程提成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所有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根径向拉索同步张拉时，共有12个千斤顶同步张拉，因此控制张拉的同步是保证撑竿垂直及构造受力均匀的重要措施。控制张拉同步有两个环节。一方面在张拉前调节环向索连接处的螺母，使螺杆露出的长度相似，即初始张拉位置相似。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
14、为37小级，在每小级中尽量使千斤顶给油速度同步，在张拉完毕每小级后，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，伸长值小的一侧一方面张拉出这个差值，然后另一端再给油。如此通过每一种小级停止调节的措施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，以对构造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，构造都经历一种自适应的过程，构造会通过自平衡而使内力重分布，形状也随之变化，施工中采用可靠的监测手段，对钢构造的变形和预应力钢索的受力进行实时监测，以保证构造施工期安全，保证构造的初始状态与原设
15、计相符。为满足预应力施工过程的需要，保证工程顺利进行，施工监测布点时采用如下原则：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似；钢构造应力监测为辅助手段。2变形监测：监测构造竖向位移（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毕后的应力与设计单位所规定的应力吻合。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，整体构造部分会随之变形，并且通过构造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，结合施工仿真计算成果，对钢构造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，钢构造应力与预应力
