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1、 北京某大型展览馆大跨度管桁架预应力施工技术*展览中心(新馆)展馆屋面为大跨度预应力管桁架结构，结合该工程的特点，本文详细介绍了大跨度管桁架预应力的施工技术。1 工程概况*展览中心（新馆）项目位于北京*区。总规划分三期建设，总建筑面积约870000，其中一期主要包括8个展馆(2个综合展馆和6个普通展馆),中心餐饮和东、南、西、北四个登录厅。单个展馆长168m，宽70.2m。纵向柱距两端为21m，其余均为18m。综合馆柱顶标高为16.00019.500m，普通馆柱顶标高为13.00017.000m，柱顶预设锚固钢板，上设成品球型铰支座与钢屋盖相连。展馆钢屋盖为大跨度空间预应力管桁架结构，每个展馆
2、钢屋盖主要由10榀主桁架和18榀边桁架及4榀次桁架组成，单馆用钢量约75kg/，总重920吨。桁架布置如图1所示。次桁架边桁架主桁架图1 展馆钢屋盖桁架布置图展馆主桁架为预应力管桁架，跨度为70.2m，桁架两端高3505mm，跨中高4500mm，上弦宽4000mm，横截面成倒三角形，单榀桁架重50.57t。管桁架上弦杆为圆管，下弦杆为方管，方管内穿预应力拉索，拉索由21束75无粘结钢铰线组成，fptk=1860MPa，低松弛，且有良好的冷镦性能，钢绞线外包PE护套层，具有良好的抗老化寿命。采用两端张拉，锚具均为冷铸锚，螺纹锚固，配有调节螺母以进行索力调整。图2 支座节点大样图2 工程特点2.1
3、预应力拉索预拉力值的确定难度大本工程屋面主桁架为大跨度预应力管桁架，由于此类结构在目前国内工程中尚不多见，尤其是如此大的跨度，要保证桁架在吊装过程中挠度控制在合理范围内,这对预应力拉索预拉力值的确定提出了很高的要求。2.2拉索安装难度大由于主桁架跨度达70.2m，其下弦矩形钢管内有加劲肋，且托管与拉索之间间隙较小，21根75的钢索需集中从一根151X6的托管中穿过，穿索时容易对索体造成损伤，如何减小这种损伤对穿索施工提出了很高的要求。2.3施工中需严格保证结构性能虽然通过理论分析计算可以确定各阶段较为合理的张拉值，但索力存在同向之间、平行与垂直方向间索张拉的相互影响，理论和实际往往会产生一定程
4、度的偏差，因此除了事先制定张拉方案外，张拉过程中还需采取相应的措施以确保各张拉阶段结构各性能处于正常状态，保证张拉安全。3 施工工艺3.1 施工前的张拉过程计算机仿真模拟分析由于预应力钢结构的施工比普通钢结构一般要复杂得多，从钢结构的安装到预应力施加完成，期间结构要经历很多受力状态，为了保证施工过程的安全以及工程质量能够满足各方面的要求，在本工程施工前期对预应力的施加过程进行了计算机仿真模拟计算。在施工模拟过程中，考虑了结构自重以及施工过程中所可能出现的荷载，并由MIDAS/Gen自动计算，通过张拉全过程的仿真模拟计算确定了各张拉阶段所需的张拉值，以及结构在张拉过程中的位移、应力以及拉索内力的
5、理论值，验证了张拉过程的安全性。图3是某榀桁架在初张拉后的结构位移和拉索内力模拟计算时的实图。 图3 仿真模拟计算中单榀主桁架初张拉后的位移和拉索内力3.2 拉索安装与防腐无粘结钢绞线在专业预应力拉索厂进行下料，下料时要按施工图上结构尺寸并考虑每个张拉端预留张拉长度进行下料，具体钢绞线下料长度计算公式如下:L管道内无粘结筋长度2张拉端工作长度2锚具厚度。主桁架在地面拼装、焊接完成后，开始主桁架下弦杆内的预应力拉索安装，穿索前将每根钢索编号，便于张拉时对号张拉，同时将索头用胶带裹住，防止钢绞线在穿索过程中损坏PE护套。穿索用人工牵引按顺序一次完成即可。图4 两种钢绞线示意图预应力钢绞线的防腐问题
6、在预应力结构中也是一个不可忽视的问题，为了对预应力钢绞线起到更好的防护效果，本工程采用了芯内涂油的无粘结预应力钢绞线，其与传统方法的钢绞线相比，钢绞线内部的芯丝也能均匀的涂抹上油脂，而传统方法的涂脂方法则在内部的芯丝上油脂涂抹不均匀，因此芯内涂油的无粘结预应力钢绞线的每根钢丝都能均匀的受到保护，其防腐能力也更强。两种涂抹方法示意图如图4所示：此外，无粘结钢绞线外护套对里面的钢绞线起着防腐作用，一旦破坏将使钢绞线失去原有的保护而降低结构的安全性，因此拉索安装时要严格做好钢绞线的保护工作。首先穿索前要先仔细检查PE护套层有无个别破损处，如有必须及时用胶带封裹。另外，为防止穿索时划伤PE护套层，在穿
7、索前将所有托索节点处的托管151*6焊接连接并在管内壁涂润滑油，同时牵引穿索过程中尽量使预应力索保持直线状态的方法，从而减小了索体与托管的摩擦，更好的保护索体。待所有钢绞线穿完后在两端安上锚具，调试好张拉设备，等待张拉。如图5所示：图5 准备张拉3.3 预应力张拉施工3.3.1 预应力初张拉为了减小主桁架在吊装过程中的变形，穿束完成后，桁架吊装前要对钢束进行初张拉，张拉值由先前的计算机仿真计算确定，其值为控制应力的30%。各钢铰线张拉顺序如图6所示。图6 张拉顺序图预应力钢索张拉设备采用相应的千斤顶和配套油泵。张拉前要先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
8、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。主要张拉设备见表1：表1 主要张拉设备编号名称规格数量备注1千斤顶、油泵、压力表230kN/380v/750w4套2电线盘220v4套3电线盘380v4套4工具箱2个扳手、螺丝刀的常用工具5钢卷尺5m4把检测合格6全站仪1台钢结构配合提供7应变计BGK4000 20个应力检测8读数仪BGK4083台应变计读数本工程中预应力拉索张拉采用双控技术，即控制拉索的拉力和伸长值。其中以控制拉力为主,伸长值为附。在张拉过程中除了要记录好张拉长度，还应该对压力传感器测得压力和全站仪测得钢结构变形进行记录，以便对结构施工期行
9、为进行监测。待一榀桁架中的所有预应力钢绞线张拉完成后，要对索头进行保护，将索头外露部分全部用胶布封存起来，防止索头由于受潮而生锈。3.3.2 预应力终张拉施工待整个屋面钢结构所有桁架及檩条安装焊接完成后，对所有主桁架中的拉索进行整体对称终张拉。张拉采用小顶逐根两端同时张拉，整体张拉顺序由两端主桁架向中间主桁架对称进行，张拉一次完成，施加到控制应力的100%，并超张拉至103，使预应力值及结构的变形符合设计要求的状态。整体张拉顺序如图7所示。图7 整体张拉顺序图序图3.3.3 张拉施工过程应力应变监测虽然通过理论分析计算可以较为合理地确定各阶段所需的张拉值，但由于索张拉的相互影响，理论和实际往往
10、会产生一定程度的偏差。因此，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，对张拉过程中采取了一系列措施对结构的整体变形、钢结构的应力及下弦拉索的索力进行监测，以保证所有数值均在受控范围内，以便及时应对各类突发情况，保证整个施工过程的安全。在各张拉阶段，严格通过油压传感器读数对拉索的索力进行实时控制，并采用双控法，即在以控制油压传感器读数的前提下，辅以拉索变形监测，当实测伸长值与计算伸长值相差超过允许误差时立即停止张拉，对出现的异常情况进行分析，找出原因并解决后再继续张拉。在桁架进行张拉时，采用振弦式应变计对钢结构的应力进行监测，如图8所示。图8
11、 桁架上的应变片序图由于根据先前的仿真模拟计算结果，钢结构应力在张拉过程中变化不大，而且各主桁架型号均相同，因而只选取第一个展馆的两榀主桁架对其应力进行监测。同时为了消除弯矩的影响，在每个杆件上对称布置两个振弦传感器。单榀主桁架应力测点布置如图9所示。图9 主桁架应力测点布置图序图 在整个张拉过程中对结构整体变形的监测主要采用激光全站仪，对挠度的监测控制主要有以下两个阶段:1)桁架吊装前的同条件挠度监测由于本工程预应力主桁架跨度达到了70.2m，而且采用250t履带吊整体吊装，为了减小桁架吊装后的挠度，除了桁架在地面拼装时按设计要求预起拱50mm外，在吊装前还要对桁架预应力拉索进行初张拉，初张
12、拉值根据仿真的结果计算取控制应力的30%。为了保证吊装过程中的安全，以及吊装后桁架的挠度在预控范围内，对吊装的第一榀桁架进行了同条件挠度测试。所谓同条件挠度测试，就是在第一榀桁架预应力钢索按30%张拉完成后，用激光全站仪对此状态下的桁架挠度进行测量，然后将该桁架两端头下弦杆支座处的两个胎架支撑进行加固后，将拼装胎架的其余支撑点去除，仅保留该支撑(此条件相当于桁架吊装后搁置在两端支座上时的条件)，然后用激光全站仪对桁架挠度再次进行测量，比较分析前后两次测量所得挠度值，如果挠度值在预计范围之内即说明所取初张拉值符合条件。相反，如果挠度值超过了预计值，说明还得适当增大初张拉值。需要注意的是在去除桁架
13、胎架支撑点前务必将两端头支撑点加固，且做好防止桁架倾倒措施。2)桁架安装就位到预应力终张拉完成后桁架的挠度跟踪测量 为了确定每榀桁架终张拉前的挠度值，在桁架安装就位后，每隔一定时间便对桁架挠度值进行一次测量，直到桁架挠度值变化趋于稳定(24小时内挠度增量值小于等于1.0mm)为止。图10为对第一榀桁架安装就位后的挠度跟踪测量值。图10 桁架安装就位后挠度时间变化关系图序图 待预应力终张拉以后，需要再次对桁架挠度进行测量，确定屋面桁架的最终挠度，保证挠度值满足预控要求。表1是本工程中5#展馆10榀预应力主桁架终张拉前后的挠度值。从表中数据可以看出，桁架终张拉后能使桁架普遍上挠20mm左右。表2
14、5#展馆10榀预应力主桁架终张拉前后挠度值轴线终张拉前主桁架下弦杆上表面绝对标高（m）终张拉前跨中挠度（mm）终张拉后跨中挠度（mm）终张拉后主桁架下弦杆上表面绝对标高（m）北端跨中南端北端跨中南端1613.86813.83913.86427713.86813.85913.8631713.85913.83813.86725813.85713.85413.8661813.85913.83513.86226513.85913.85513.8601914.43114.40414.42725514.42814.42214.4262014.99014.95414.982321314.99114.97314.9812115.53915.42015.54321415.53615.53615.5432216.09716.06616.109371616.09716.08716.1092316.66016.63616.66326416.65816.65616.6622417.22517.20317.21919217.22417.22017.2192517.87317.83517.877401917.87117.85617.8783.4 预应力钢绞线端部的防护及防腐管桁架下弦方管中铺设的钢绞线定位钢管直径为151mm，钢绞线端部锚具的直径为235mm，为防止预应力钢绞线在张拉时局部
