CN102296750B - 大跨度预应力张弦梁的施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大跨度预应力张弦梁的施工方法，能在保证其施工质量前提下显著缩短施工时间。本发明采用以下技术方案：包括以下步骤：1）不同工况下张拉力计算；2）仿真模拟计算；3）拉索加工；4）拼装支撑胎架；5）张弦梁拼装、焊接：6）拉索安装；7）张弦梁拉索张拉；8）张弦梁吊装；9）抽检安装完的张弦梁张拉力值是否与设计相符。

Description

大跨度预应力张弦梁的施工方法

技术领域

 本发明涉及一种大跨度预应力张弦梁的施工方法，适用于火车站、机场等大跨度雨棚、屋面的施工，属于建筑施工技术领域。

背景技术

 火车站、机场等大跨度雨棚、屋面等，要求大空间、高净空，目前普遍采用的方式有：普通网架结构和钢张弦梁结构。普通网架结构需要框架柱多、柱距小；钢张弦梁结构跨度大、强度高，但整体重量较大，钢材耗用量较多。因此，普通网架结构和钢张弦梁结构，无法满足公共建筑大空间、高净空功能、轻质高强的要求。

预应力H型钢平面组合结构张弦梁是一种新型的预应力钢结构形式,由于其受力合理的特点在国内外工程实践中得到了较多应用，广泛用于火车站、机场等大型公用建筑。

目前国内大跨度预应力H型钢平面组合结构张弦梁的施工方法，大多是采用搭设高空支撑胎架，在胎架上进行张弦梁的现场拼装，拼装焊接完成后，再进行高空预应力张拉。这种作法的优点是，张拉工况与设计相符，张拉力的大小容易控制；缺点是胎架一次性投入大，高空作业风险大，须等所有钢管柱内混凝土达到强度后，才能进行拼装作业，安装工期较长。

发明内容

针对现有技术的难点问题，本发明提供了一种大跨度预应力张弦梁的施工方法，能在保证其施工质量前提下显著缩短施工时间。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种大跨度预应力张弦梁的施工方法，所述大跨度预应力张弦梁包括若干节拼装在一起的单元梁，每个单元梁均包括两相互平行的纵向梁、位于纵向梁之间的若干横向梁、若干连接纵向梁与横向梁的斜梁、若干撑杆，和一个拉索,撑杆的上端与横向梁下端通过销轴连接, 撑杆的下端与拉索固定连接,拉索的两端分别与单元梁的两端固定连接,拉索与单元梁构成梯形结构，撑杆位于梯形结构的上下底边之间，且各个撑杆相互平行设置，包括以下步骤：

1）不同工况下张拉力计算：根据设计张拉力值分析计算出拼装工况下的张拉力值；

2）仿真模拟计算：根据确定的张拉力值，用有限元分析软件对张弦梁在张拉时的水平变形、竖向变形、梁长变化、张拉力变化、结构应力大小进行仿真模拟分析，通过分析得出的数值检验梁的变形情况、结构应力大小、张拉力大小是否合理，是否与设计相符，满足结构安全需要；

3）拉索加工：根据模拟分析得出的结论，确定出拉索的应力和长度要求，加工出符合张拉条件的拉索；

4）拼装支撑胎架；

5）张弦梁拼装、焊接：将张弦梁的纵向梁分成多个段加工，运动现场后在支撑胎架上拼装、焊接；

6）拉索安装：

7）张弦梁拉索张拉:

a、根据设计张拉力计算出的拼装工况下的张拉力值作为钢索的控制张拉力值,

b、按照安装顺序进行预应力张拉，预应力张拉在支撑胎架上一次张拉到位;

8）张弦梁吊装，校核有限元分析软件的预应力值与实际张拉力的差异，对钢索预应力进行二次调整；

9）抽检安装完的张弦梁张拉力值是否与设计相符。

上述大跨度预应力张弦梁的施工方法，其还包括在张弦梁拉索张拉过程中的施工监测，具体包括：

a、拉索张拉力的检测：利用压力传感器监测钢索张拉力，每个单元梁设置5个监测点，分别位于跨中最高点纵向梁的中心线上、两端纵向梁的中心线上和拼接处纵向梁的腹板中心线上；

b、应力监测：张拉过程中利用振弦式应变计监测张弦梁的应力变化，每个单元梁设置5个监点，分别位于撑杆上方主受力横向梁的上表面、跨中纵向梁上表面、锚垫板所在横向梁的上表面、斜梁的上表面、及纵向梁端部索头内侧位置的上表面；

c、变形监测：张拉过程中利用全站仪或者水准仪监测张弦梁的长度和竖向位移。

拉索加工还包括拉索的预张拉步骤，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。

支撑胎架包括四组，第一、四组胎架纵截面为三角形，设置在张弦梁两端，第二、三组胎架纵截面为矩形，设置在纵向梁的拼接点上；每组胎架由两个相同的、独立的胎架组成，同一组中的两个胎架作用于单元梁的拼接处，拉索由同一组中的两胎架之间穿过。

若张弦梁安装张拉力与设计张拉力差异不超过10%，则后续的拉索施工可按照一次张拉的施工方式进行；若差异超过10%，则应分析出差异原因，并通过二次张拉将张拉力调整至设计值，张拉力调整时应在吊装完成后，张弦梁间的檩条未安装前进行。

本发明的大宽度预应力张弦梁具有以下优点：

通过将单元梁拼装在一起，可以形成具有跨度大的张弦梁，且运输方便；纵横梁及斜梁与拉索和撑杆配合保证了张弦梁的强度高；纵横梁选用H型钢，钢材用量少、整体质量轻，能够满足公共建筑大空间、高净空、轻质高强的要求。

本发明大跨度预应力张弦梁施工方法具有以下优点：

1.采用在地面上搭设支撑胎架，将张弦梁在支撑胎架上拼装、焊接，设计预应力一次性张拉到位的方式，可以在钢管混凝土柱施工完成后，即可进行拼装，不必等钢管柱内混凝土达到强度后再在高空拼装焊接，加快了工程进度，显著缩短了施工时间。

2. 地面上搭设支撑胎架高度较小，而且可以循环使用，较大的降低了材料消耗，减少了施工措施投入，节约了成本。 

3、地面拼装的大部分作业集中在低空进行，高空作业大幅度减少，施工安全可以得到保证。

4、支撑胎架的摆放位置可以根据施工现场的构筑物和施工设施情况适当调整，拼装作业灵活、方便。

附图说明

图1为本发明单元梁的结构示意图。

图2为拉索的结构示意图。

图3为张弦梁支撑胎架施工示意图。

具体实施方式

为进一步阐述本发明为达到预定发明目的采用的技术手段，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的张弦梁结构施工方法的具体实施方式，做进一步详细说明。

参考附图1，一种大跨度预应力张弦梁,包括若干节拼装在一起的单元梁，每个单元梁均包括两根）相互平行的纵向梁2、位于纵向梁2之间的若干横向梁3、若干连接纵向梁2与横向梁3的斜梁1、若干撑杆4，和一个拉索5,撑杆4的上端与横向梁3下端通过销轴连接, 撑杆4的下端与拉索固定连接,拉索5的两端分别与单元梁的两端固定连接,拉索5与单元梁构成梯形结构，撑杆4位于梯形结构的上下底边之间，且各个撑杆4相互平行设置。

实践中，所述纵向梁2及横向梁3均为H型钢。

上述大跨度预应力张弦梁的施工方法，包括以下步骤：

1）不同工况下张拉张拉力计算：根据设计张拉力值分析计算出拼装工况下需张拉的张拉力值；

2）仿真模拟计算：根据确定的张拉力值，用有限元分析软件对张弦梁在张拉时的水平变形、竖向变形、梁长变化、张拉力变化、结构应力大小进行仿真模拟分析，通过分析得出的数值检验梁的变形情况、结构应力大小、张拉力大小是否合理，是否与设计相符，满足结构安全需要；

3）拉索加工：根据模拟分析得出的结论，确定拉索的加工长度，下料加工；

4）拼装支撑胎架：

5）张弦梁拼装、焊接：将张弦梁的H型钢纵向梁分成多个段加工，运动现场后在支撑胎架上拼装、焊接；

6）拉索安装：

7）张弦梁拉索张拉：

8）张弦梁吊装就位后，在高空抽检三榀张弦梁，进行二次张拉，校核用有限元分析软件计算的张拉索力值在张弦梁达到设计工况时，索力是否变化至设计索力值

下面一个火车站雨棚张弦梁为例，具体说明一些步骤注意问题及加工工序。

拉索制作

拉索及节点加工图由预应力专项施工单位设计，制作加工由拉索专业生产厂家完成。参考附图2，所述拉索5包括拉索体52、位于其两端的拉索头51、和拉索体52与拉索头51的连接筒53，拉索体52为套装在套管522内的钢丝束521，拉索头51包括锚杯511和设置在锚杯511上的调节螺母512。

制作过程如下：

1.1调直

为了使拉索受荷后钢丝束受力均匀，拉索在制作时下料长度要求严格，要准确、等长。下料采用“应力下料法”，将开盘在200～300MPa拉力下的钢丝调直，可消除一些非弹性因素的影响。

1.2下料

钢丝束的号料应严格进行。制作通长、水平且与索等长的槽道，平行放入钢丝，使其不互相交叉、扭曲，在槽道定位板处控制索的下料长度。

1.3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。

1.4编束

宜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。

1.5拉索的预张拉

拉索的预张拉是为了消除拉索的非弹性变形，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。

1.6 钢索的防护

拉索在防护前必须表面处理，认真除污。拉索防护用环氧树脂粉末喷于钢丝上再热熔、固化形成，外加套管。

　拼装支撑胎架

实践中支撑胎架用钢管和工字钢焊接而成，参考附图3所示，第一、四组胎架6纵截面为三角形，设置在距张弦梁两端3.5米处，仅起支撑作用；第二、三组胎架6纵截面为矩形，设置纵向梁的拼接点上，即起支撑作用，又可作为纵向梁的拼装平台。每组胎架由两个相同的、独立的胎架组成，两胎架间距2米，拉索由两胎架中间穿过。

张弦梁因跨度较大，无法从加工车间内整榀运至现场，因此在加工时，将张弦梁上的纵向梁分成三段加工，运到现场后进行现场拼装。

拉索安装

本工程预应力拉索较长，最长41.6m，拉索本身重量在2T左右（包括索头），安装索时要借助倒链，安装过程中尽量使拉索保持直线状态。

3.1放索

为了在现场施工方便，在拉索制作时，在加工厂内将索体缠绕成盘，到现场后吊装到事先加工好的放索盘上。

 拉索在地面开盘，放索可采用人工牵引放索。放索前将索盘吊至该索所在榀一端端头，借助放索车，由一端向另一端牵引。在放索过程中因索盘自身的弹性和牵引产生的偏心力，索盘转动会使转盘时产生加速，导致散盘，易危及工人安全，因此对转盘设置刹车和限位装置。为防止索体在移动过程中与地面接触，损坏拉索防护层或损伤索股，索头用布袋包住，将索逐渐放开，在地面沿放索方向铺设一些圆钢管，以保证索体不与地面接触，同时减少了与地面的摩擦力，圆钢管的长度不小于1米，间距为2.5m左右。由于索的长度要长于跨度，索展开后应与轴线倾斜一定角度才能放下，因此牵引方向要与轴线倾斜一定角度，并牵引时使索基本保持直线状移动。

3.2安装拉索

放索过程中分清楚拉索的左右端，安装过程中，沿张弦梁拉索一端进行，按照钢索上标记点进行安装，直至安装完成。钢索端头安装时比较困难，要借助专门的安装工具进行安装，并且在穿孔过程中使用多个导链进行。

　张弦梁拉索张拉

4.1拉索张拉设备

根据设计提供的拉索预应力值，进行施工仿真计算，张拉力最大为60T左右，并且是两端同时张拉，因此选用2套张拉设备进行预应力张拉，即2台60T千斤顶，2台油泵及张拉工装等。

4.2张拉控制应力、张拉顺序及张拉力

（1）根据设计张拉力计算出的拼装工况下的张拉力值作为钢索的控制张拉力值；

（2）张拉顺序：按照实际安装顺序进行预应力张拉，预应力张拉在支撑胎架上一次张拉到位。地面张拉完成后，张弦梁吊装，校核有限元分析软件的预应力值与实际张拉力的差异，若张弦梁安装张拉力与设计张拉力差异不超过10%，则后续的拉索施工可按照一次张拉的施工方式进行；若差异超过10%，则应分析出差异原因，并通过二次张拉将张拉力调整至设计值，张拉力调整时应在吊装完成后，张弦梁间的檩条未安装前进行。同时施工过程中，根据实际测量的位移监测数据进行校核，若位移异常，则应进行张拉力的二次调整监测。      

（3）张拉力确定

张弦梁拉索设计张拉力是按两支座端受力考虑的，现场实际拼装胎架位于梁中，支撑胎架位置的变动，致使初始张拉张拉力发生了变化，必须进行调整。下面以其中一个梁为例用MIDAS有限元分析软件进行分析在支撑胎架上及吊装后两种状态下张弦梁中心起拱、端部下挠、水平变形、及张拉力的变化件表-1和表-2。

通过以上对比分析可知，在支撑胎架下，将梁张拉力张拉至353kN，吊装至柱顶变成两端支座支撑后，张拉力将增加到482kN，达到设计要求的初拉力要求。按同样分析方法计算其它各梁在现有拼装胎架下的初始张拉力。各榀梁张拉力如表-3所示。   

 

     

拉索张拉采用双控，即张拉力控制为主，监测钢结构变形为辅助。拉索张拉完成后，应立即测量校对。如果发现实际监测结构变形和钢结构应力与理论计算数据差值超过20％时，应暂停张拉，待查明原因，并采取措施后，再继续张拉。

4.3张拉操作要点

（1）张拉设备安装：由于本工程张拉设备组件较多，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，以保证拉索在进行张拉时不产生偏心；

（2）拉索张拉：油泵启动供油正常后，开始加压，当压力达到张拉力时，超张拉3％左右，然后停止加压，完成拉索张拉。

4.4拉索张拉测量记录

将用压力传感器测得的压力和全站仪测得的张弦梁结构变形记录下来，以对结构施工期行为进行监测。

4.5张拉质量控制方法和要求

（1）张拉力按标定的数值进行，用伸长值和压力传感器数值进行校核；

（2）认真检查张拉设备及与张拉设备相接的钢索，以保证张拉安全、有效；

（3）张拉严格按照操作规程进行，控制给油速度，给油时间不应低于0.5min；

（4）张拉设备形心应与拉索在同一轴线上.

5 仿真模拟计算

根据施工方案，GL－1～GL－15共15种类型张弦梁在地面进行预应力张拉。

仿真模拟计算结果如下：

a、张拉完成后，结构竖向位移最大为99mm（GL－9），最小为47mm（GL－3）；水平位移比较小，最大为16mm（计算模型约束为一端三个方向固定铰支，另一端沿拉索方向滑动）；

b、张拉完成后中间支撑可以自动卸载完成；

c、张拉力值最大为600kN；

d、张拉完成后，钢结构应力比较小，最大压应力为76MPa，最大应力为47MPa；

通过以上仿真计算结果可知，张拉完成后，即初始态，与设计图纸相吻合，所以该张拉方案是合理可行的。

张拉过程检测

6.1　施工监测目的

张弦梁在未施加预应力之前，结构还不具有稳定的刚度。为保证施工安全，在张拉过程中进行施工监测。

6.2 施工监测原则

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：

6.2.1应力监测：以张拉力监测为主，保证拉索施加预应力值与施工仿真计算得到的张拉力值相同；应力监测为辅助监测，故选取应力比较大的杆件监测其应力变化。

6.2.2变形监测：张拉过程中主要监测张弦梁的长度和竖向位移（起拱值）。

6.3 监测设备及监测点布置

a、拉索张拉力的检测：利用压力传感器监测钢索张拉力；

b、应力监测：张拉过程中利用振弦式应变计监测张弦梁的应力变化，每个单元梁设置5个监点，分别位于撑杆上方主受力横向梁的上表面；跨中纵向梁上表面；锚垫板所在横向梁的上表面；斜梁的上表面；纵向梁端部索头内侧位置的上表面；

c、变形监测：张拉过程中利用全站仪监测张弦梁的长度和竖向位移，每个单元梁设置5个监测点，分别位于跨中最高点纵向梁的中心线上、两端纵向梁的中心线上和拼接处纵向梁的腹板中心线上。

6.4 监测结果

6.4.1 张拉张拉力检测

张弦梁在支撑胎架上超张拉3%（366KN），油压机卸力后张拉力变为355KN。将张弦梁吊至混凝土柱顶支座上后，二次检测拉索张拉力变化为472KN，与仿真计算的482KN差10KN，偏差为2%，小于10%的偏差要求。

6.4.2 结构内力检测

张弦梁初张拉至355KN后，梁的结构内力如表-4：

由表-4可以看出，实测应力变化值与仿真计算的理论应力变化值基本吻合，实测结果比较理想，而且实测应力值远小于设计允许应力值。

混凝土柱顶支座，仅两端销轴受力后的结构应力变化如表-5：

由上表可以看出，张弦梁在放到混凝土柱顶支座上，仅两端销轴受支撑力后，因工况的改变，梁的内力发生了变化，但与仿真计算的该工况下的理论应力变化值基本吻合，实测结果比较理想，而且实测应力值远小于设计允许应力值。

6.4.3 梁变形检测

张弦梁张拉分7次张拉到位，针对每个张拉阶段、吊装中、落架后分别进行了变形观测。

由观测结果可以看出，在支撑胎架位置下张拉至355KN后，梁长减少了13mm,拱高增加了71.8mm；梁落至混凝土柱顶支座后，张拉力变化至472KN，梁长较张拉前减少了12.7mm，较张拉后增加了0.3mm,拱高较张拉前增加了73mm，较张拉后增加了1.2mm；放置5天后再次观测梁的变形情况，梁长较张拉前减少11.4mm，较张拉后增加了1.6mm,拱高较张拉前增加了72.7mm，较张拉后增加了0.9mm。对比可知，梁在支撑胎架上张拉后和放置至支座上后的实测变形量与仿真计算基本吻合。

7、结论

本发明的大跨度预应力张弦梁的施工方法，可以有效的控制梁的张拉张拉力、应力和变形情况。拼装工况与设计工况不同时，可以通过以上的分析方法对拼装工况下初始张拉力值进行调整，以达到设计张拉力。 

Claims (5)

1.一种大跨度预应力张弦梁的施工方法，所述大跨度预应力张弦梁包括若干节拼装在一起的单元梁，每个单元梁均包括两相互平行的纵向梁（2）、位于纵向梁（2）之间的若干横向梁（3）、若干连接纵向梁（2）与横向梁（3）的斜梁（1）、若干撑杆（4），和一个拉索（5）,撑杆（4）的上端与横向梁（3）下端通过销轴连接, 撑杆（4）的下端与拉索固定连接,拉索（5）的两端分别与单元梁的两端固定连接,拉索（5）与单元梁构成梯形结构，撑杆（4）位于梯形结构的上下底边之间，且各个撑杆（4）相互平行设置，其特征在于：包括以下步骤：

1）不同工况下张拉力计算：根据设计张拉力值分析计算出拼装工况下需的张拉力值；

2）仿真模拟计算：根据确定的张拉力值，用有限元分析软件对张弦梁在张拉时的水平变形、竖向变形、梁长变化、张拉力变化、结构应力大小进行仿真模拟分析，通过分析得出的数值检验梁的变形情况、结构应力大小、张拉力大小是否合理，是否与设计相符，满足结构安全需要；

3）拉索加工：根据模拟分析得出的结论，确定出拉索的应力和长度要求，加工出符合张拉条件的拉索；

4）拼装支撑胎架；

5）张弦梁拼装、焊接：将张弦梁的纵向梁分成多个段加工，运动现场后在支撑胎架上拼装、焊接；

6）拉索安装：

7）张弦梁拉索张拉:

a、根据设计张拉力计算出的拼装工况下的张拉力值作为钢索的控制张拉力值，

b、按照安装顺序进行预应力张拉，预应力张拉在支撑胎架上一次张拉到位；

8）张弦梁吊装，校核有限元分析软件的预应力值与实际张拉力的差异，对钢索预应力进行二次调整；

9）抽检安装完的张弦梁张拉力值是否与设计相符。

2.根据权利要求1所述大跨度预应力张弦梁的施工方法，其特征在于：其还包括在张弦梁拉索张拉过程中的施工监测，具体包括：

a、拉索张拉力的检测：利用压力传感器监测钢索张拉力，每个单元梁设置5个监测点，分别位于跨中最高点纵向梁的中心线上、两端纵向梁的中心线上和拼接处纵向梁的腹板中心线上；

b、应力监测：张拉过程中利用振弦式应变计监测张弦梁的应力变化，每个单元梁设置5个监点，分别位于撑杆上方主受力横向梁的上表面；跨中纵向梁上表面；锚垫板所在横向梁的上表面；斜梁的上表面；纵向梁端部索头内侧位置的上表面；

c、变形监测：张拉过程中利用全站仪或者水准仪监测张弦梁的长度和竖向位移。

3.根据权利要求1所述大跨度预应力张弦梁的施工方法，其特征在于：拉索加工还包括拉索的预张拉步骤，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。

4.根据权利要求1所述大跨度预应力张弦梁的施工方法，其特征在于：支撑胎架包括四组，第一、四组胎架纵截面为三角形，设置在张弦梁两端，第二、三组胎架纵截面为矩形，设置在纵向梁的拼接点上；每组胎架由两个相同的、独立的胎架组成，同一组中的两个胎架作用于单元梁的拼接处，拉索由同一组中的两胎架之间穿过。

5.根据权利要求1所述大跨度预应力张弦梁的施工方法，其特征在于：若张弦梁安装张拉力与设计张拉力差异不超过10%，则后续的拉索施工可按照一次张拉的施工方式进行；若差异超过10%，则应分析出差异原因，并通过二次张拉将张拉力调整至设计值，张拉力调整时应在吊装完成后，张弦梁间的檩条未安装前进行。

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