哈爾濱會(huì)展體育中心張弦桁架預(yù)應(yīng)力拉索施工

1、哈爾濱會(huì)展體育中心張弦桁架預(yù)應(yīng)力拉索施工哈爾濱會(huì)展體育中心張弦桁架預(yù)應(yīng)力拉索施工高飛 李維濱 郭正興 施俊 （東南大學(xué)土木工程學(xué)院，南京 210096）摘 要 本文介紹了哈爾濱會(huì)展體育中心張弦桁架預(yù)應(yīng)力拉索施工的全過(guò)程以及在該施工過(guò)程中需注意的若干問(wèn)題和難點(diǎn)，分析了張拉過(guò)程中張拉力與變形的關(guān)系，并提出了在類(lèi)似張弦桁架預(yù)應(yīng)力拉索施工幾點(diǎn)建議。關(guān)鍵詞 張弦桁架 預(yù)應(yīng)力索 胎架 張拉1、工程概況哈爾濱國(guó)際會(huì)展體育中心工程總用地面積63萬(wàn)平方米，由1#國(guó)際會(huì)展體育中心（國(guó)際展覽中心、萬(wàn)人體育館、綜合訓(xùn)練館）、2#5萬(wàn)人體育場(chǎng)、3#國(guó)際會(huì)議中心（賓館）、停車(chē)場(chǎng)（平臺(tái)下及地面）等組成，整體建筑呈“U”型。

2、1#工程總建筑面積約為22萬(wàn)平方米，由國(guó)際展覽中心、綜合訓(xùn)練館及體育館組成，在場(chǎng)地靠北位置布置，1#工程為長(zhǎng)方型，南北長(zhǎng)130m，東西前長(zhǎng)510m，后長(zhǎng)618m（見(jiàn)圖1.1）。 圖1.1 國(guó)際會(huì)展體育中心平面示意圖 1 該工程為黑龍江省、哈爾濱市重點(diǎn)工程建設(shè)項(xiàng)目，建設(shè)單位為哈爾濱市國(guó)際會(huì)展體育中心有限公司，設(shè)計(jì)單位為黑龍江省建筑設(shè)計(jì)研究院，監(jiān)理單位為廣州珠江監(jiān)理公司。該工程的鋼結(jié)構(gòu)制安工程內(nèi)容有：展覽大廳、綜合訓(xùn)練館及體育館屋蓋索拱及其支撐鋼結(jié)構(gòu)，平面尺寸510米×138米，有35榀主桁架（張弦桁架），還包括支撐、支撐張弦桁架的人字型搖擺柱、過(guò)街道支撐人字型柱桁架、支撐桁架，鋼結(jié)構(gòu)制

3、安約12000噸。張弦桁架跨度為128米，兩端支座分別設(shè)在A(yíng)21、H列軸線(xiàn)上。其中，A21列支座位于14.6米標(biāo)高的砼柱頭上，H列支座位于-0.05米標(biāo)高的砼平臺(tái)上，人字形柱頂部標(biāo)高為28.972米。桁架頂部最高點(diǎn)標(biāo)高為36米。桁架間通過(guò)檁架和檁條進(jìn)行連接，形成整體穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。張弦桁架單重達(dá)到約175噸；人字形柱單重約28噸；次桁架單重最大約9.5噸。鋼結(jié)構(gòu)張弦桁架屋蓋剖面圖如圖1.2所示。 圖1.2 張弦桁架屋蓋剖面圖2、張弦桁架預(yù)應(yīng)力拉索施工哈爾濱國(guó)際會(huì)議展覽中心有35榀跨度為128米的張弦桁架，單榀自重約175噸，下弦為3977預(yù)應(yīng)力鋼索，強(qiáng)度為1570MPA鍍鋅高強(qiáng)鋼絲，外包PE，索的兩

4、端錨具采用冷鑄錨，由錨杯和錨環(huán)組成。單根拉索總重量約為17.5噸，拉索外徑約為18厘米，成品拉索在生產(chǎn)制作過(guò)程中采取諸多防護(hù)手段，在出廠(chǎng)前對(duì)索體進(jìn)行了三道包裝防護(hù)。索體截面見(jiàn)圖2.1圖2.1 索體截面拉索施工的總體程序?yàn)椋悍潘鞔┧鲝埨?。放索指索的展開(kāi)，即將索放直置于胎架下方；穿索包括兩個(gè)索頭穿過(guò)鼓形節(jié)點(diǎn)及鑄鋼節(jié)點(diǎn)，并安裝好張拉千斤頂。2.1 放索張弦桁架兩端軸線(xiàn)為G軸（南）和A21軸（北），索的放線(xiàn)架放置在G軸外，卷?yè)P(yáng)機(jī)放置在A(yíng)21軸外進(jìn)行牽引（見(jiàn)圖2.2）。 圖2.2 放索示意圖1 定位放線(xiàn)和設(shè)備固定胎架中心線(xiàn)沿放線(xiàn)架及卷?yè)P(yáng)機(jī)處，放出放線(xiàn)架中心點(diǎn)位置及卷?yè)P(yáng)機(jī)位置，放線(xiàn)架有支座無(wú)須固定，卷?yè)P(yáng)

5、機(jī)利用胎架的混凝土立柱進(jìn)行固定。2 放線(xiàn)架就位和索盤(pán)吊裝用吊機(jī)將放線(xiàn)架吊至已放出點(diǎn)位。吊機(jī)將索從運(yùn)輸設(shè)備卸下，即堆放在放線(xiàn)架附近，外側(cè)錨具朝上，索盤(pán)安裝時(shí)只需用吊機(jī)將索垂直吊起安放至放線(xiàn)架即可。3 開(kāi)盤(pán) 索展開(kāi)前，索體纏繞盤(pán)成環(huán)形，錨具處用鋼絲繩捆住，在去除鋼絲繩的瞬間，彎曲的索有個(gè)能量釋放的過(guò)程，錨具可能法向打出，易危及工人安全，因此在釋放前須用枕木墊住錨具。4 放索用電動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)上的鋼絲繩拉住鋼索出頭端的錨杯并收緊，開(kāi)動(dòng)牽引卷?yè)P(yáng)機(jī)。錨杯較重，約800公斤，因此在牽引鋼索過(guò)程中應(yīng)及時(shí)將錨杯安放在專(zhuān)用小車(chē)上，由于施工場(chǎng)地為碎石地面，牽引小車(chē)行走不便，須在小車(chē)輪子下鋪槽鋼軌道，然后進(jìn)行牽引；索每米

6、重約123kg，為防止索體在移動(dòng)過(guò)程中與地面接觸，損壞拉索防護(hù)層，采用移動(dòng)平車(chē)法，索頭放在端部小車(chē)上，將索逐漸放開(kāi)，移運(yùn)至胎架下，在胎架內(nèi)設(shè)置滾輪，以保證索體不與地面接觸，同時(shí)減少與地面的摩擦力，滾輪的間距為6m左右，每個(gè)滾輪承受約750kg，并使索基本保持直線(xiàn)狀移運(yùn)，如圖2.3。 圖2.3 索的移運(yùn)2.2 穿索1 索牽引程序先將離卷?yè)P(yáng)機(jī)近處的索頭安裝就位，再安裝另一端，第一個(gè)索頭就位相對(duì)較容易，在索體未進(jìn)鼓形節(jié)點(diǎn)時(shí)用一只3t葫蘆將索頭位置吊起，微調(diào)至節(jié)點(diǎn)孔內(nèi)，同時(shí)千斤頂進(jìn)行牽引即可（如圖2.4）。圖2.4 索體穿入鑄鋼節(jié)點(diǎn)示意 由于鼓形節(jié)點(diǎn)洞口離索頭就位位置有5米距離，另一端索頭要向內(nèi)移動(dòng)才

7、能穿入。采用兩只5T電動(dòng)葫蘆懸掛在鋼拱架跨中將索盡量吊起，跨中胎架立柱有13米高，吊起后索成拋物線(xiàn)狀，可以克服5米長(zhǎng)度。也可用吊機(jī)直接將索吊起。在牽引時(shí)緩慢將索放下（如圖2.5）。圖2.5 索體中間提起示意2 索牽引設(shè)備選擇牽引第一個(gè)頭時(shí)，牽引力主要克服索體與滾輪間摩擦，所以牽引力不大，牽引第二個(gè)頭時(shí)，除索的中間端還有豎向支撐，其余均懸空，一根j15鋼鉸線(xiàn)破斷力為255.5KN，所以采用一根j15鋼鉸線(xiàn)牽引，施工中根據(jù)千斤頂油壓得知，實(shí)際牽應(yīng)力在120KN左右，牽引設(shè)備采用YCQ23型前卡千斤頂。YCQ23型前卡千斤頂原本為適應(yīng)單根無(wú)粘接預(yù)應(yīng)力筋張拉和事故處理的需要，設(shè)計(jì)成前卡輕便型，具有性能

8、優(yōu)良，重量輕，操作方便，工具錨夾片重復(fù)使用次數(shù)多等特點(diǎn)，而且前卡式千斤頂張拉速度快，所以比較適合牽引。由于單根鋼鉸線(xiàn)牽引，保險(xiǎn)系數(shù)不大，所以另外加了一根安全鋼鉸線(xiàn)，只錨固不張拉。牽引過(guò)程中及時(shí)收緊安全鋼鉸線(xiàn)，如果牽引鋼鉸線(xiàn)出意外，第二根鋼鉸線(xiàn)起到安全索的作用。3 安裝索球在錨杯牽引到位，旋上錨環(huán)臨時(shí)固定后，將索球運(yùn)至各相應(yīng)的撐桿節(jié)點(diǎn)下，組織施工人員按索體上標(biāo)識(shí)的索球安裝位置進(jìn)行索球的安裝。在安裝索球前剝?nèi)ニ鲓A段的纏裹包裝，這時(shí)索球螺母第一次擰緊（用測(cè)力扳手監(jiān)控?cái)Q緊力矩），因?yàn)樗黧w在安裝和張拉時(shí)有變形，索球螺栓會(huì)變松，還需擰緊兩次，第二次擰緊是張拉結(jié)束，第三次擰緊是屋蓋結(jié)構(gòu)形成后。索球裝完后，逐

9、個(gè)將索球與撐桿連接，用手拉葫蘆懸掛在撐桿下部提升索球，索球靠近撐桿后，轉(zhuǎn)動(dòng)撐桿，使索球卡入撐桿下端。2.3 張拉索拉索采用兩端張拉，在胎架上分級(jí)張拉。張拉時(shí)對(duì)位移和索力進(jìn)行雙控，達(dá)到結(jié)構(gòu)說(shuō)明中結(jié)點(diǎn)位移和桿件內(nèi)力要求，并在其允許誤差范圍內(nèi)。1 張拉設(shè)備的選用在胎架上張拉一次到位，此時(shí)張弦桁架只受自重作用，張拉力不大，不考慮摩擦力，張拉力約170t左右，故選用2臺(tái)YCW250B型輕量化千斤頂，其最大張拉力達(dá)250t，但自重僅164kg，可滿(mǎn)足快速施工及安全施工的需要，張拉裝置見(jiàn)圖2.7。圖2.7 張拉裝置示意圖2 張拉時(shí)的技術(shù)參數(shù)及控制原則張拉的控制原則為：變形控制為主，索力控制為輔。此階段的張拉

10、監(jiān)測(cè)有4個(gè)主要技術(shù)參數(shù)：索力P、桿件內(nèi)力、跨度L、控制節(jié)點(diǎn)位移。將4個(gè)參數(shù)分為兩類(lèi)：變形控制技術(shù)參數(shù)：跨度L、控制節(jié)點(diǎn)位移力控制技術(shù)參數(shù)：索力P、桿件內(nèi)力在變形控制中，將位于胎架的倒三角形立體桁架跨中節(jié)點(diǎn)位移為首要變形控制參數(shù)。在對(duì)第一榀試驗(yàn)索拱試驗(yàn)張拉時(shí)，逐漸加大張拉力，逐級(jí)監(jiān)控跨中節(jié)點(diǎn)的矢高變化（離地面高度），當(dāng)拱架跨中節(jié)點(diǎn)剛脫離胎架時(shí)，迅速測(cè)定此時(shí)的索張拉力，并將索臨時(shí)錨固，復(fù)測(cè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的位移量。3 第一榀試驗(yàn)架的張拉選擇第一榀張弦桁架作為試驗(yàn)架，施工前用計(jì)算機(jī)仿真模擬張拉工況，以此作為指導(dǎo)試張拉的依據(jù)。計(jì)算表明索拱張拉脫架后豎向變形急劇增加，此時(shí)索力為150t。張拉力與控制點(diǎn)豎向位移關(guān)

11、系見(jiàn)圖4.4.8，控制點(diǎn)1為張弦桁架跨中，控制點(diǎn)2為1/4跨處。試張拉逐級(jí)加載分成20級(jí)，在張拉接近胎架脫離支撐時(shí)（張拉力150t）與張拉力達(dá)到胎架張拉最終力（169t），荷載分級(jí)適當(dāng)加密。先測(cè)定拱架中點(diǎn)的矢高（離地高度），依次測(cè)定跨度L，以及其它測(cè)點(diǎn)的位移和內(nèi)力，并及時(shí)在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助分析，調(diào)整下步張拉。試張拉完成后，整理出各張拉技術(shù)參數(shù)的控制指標(biāo)值，形成技術(shù)文件，用于指導(dǎo)正式張拉。4 正式張拉 正式張拉前，張拉設(shè)備和鋼撐腳及工具拉桿等輔助設(shè)備全部準(zhǔn)備及加工到位運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)。張拉設(shè)備在有資質(zhì)試驗(yàn)單位的試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行標(biāo)定。油泵的油壓表全部選用精度為0.4級(jí)的精密壓力表，千斤頂與油壓表配套校驗(yàn)，并

12、作主被動(dòng)標(biāo)定。標(biāo)定數(shù)據(jù)的有效期在6個(gè)月以?xún)?nèi)。張拉標(biāo)準(zhǔn)程序?yàn)椋喊惭b張拉設(shè)備兩邊預(yù)拉300mm45T60T90T120T每級(jí)加10T至起拱每級(jí)加3T直到控制要求。圖2.8 張拉力與變形的關(guān)系3、張弦桁架預(yù)應(yīng)力拉索施工注意事項(xiàng)3.1 張弦桁架與胎架連接支座做法（見(jiàn)圖3.1、圖3.2）1. 圖3.1中月牙形鋼板與鋼格構(gòu)柱胎架固定，張弦桁架的水平位移全靠上弦鋼管與月牙形鋼板間的線(xiàn)面間滑動(dòng)，施工時(shí)發(fā)現(xiàn)滑動(dòng)后月牙弧尖角在弦管上劃出滑痕，說(shuō)明月牙形鋼板與鋼管間存在較大咬合力，所以弦管的切向外力非常大，很難順利張拉起拱達(dá)到控制值。度積累了足夠能量，鋼棒滾過(guò)后，摩擦力又瞬間減小，有個(gè)能量釋放的過(guò)程，月牙板支座快速

13、向前滑動(dòng)，頂?shù)綋醢迳?，失去滑行能力，滾軸失效。哈爾濱會(huì)展體育工程預(yù)應(yīng)力張拉施工在施工過(guò)程中將部分胎架（胎架1、胎架9）改造成滾動(dòng)連接，如圖3.2，滾軸用鋼棒或鋼管填芯，胎架周?chē)镐摀醢鍑o(hù)，防止月牙形鋼板支座滑落。月牙形支座下墊滾軸后能大大減小摩擦力，但還是沒(méi)法解決摩擦力不穩(wěn)定的問(wèn)題，因?yàn)殇摪迳峡赡艽嬖谝恍┤毕荩缏∑鹞?，鋼棒在鋼板上滾動(dòng)時(shí)遇到隆起物相當(dāng)于爬坡，摩擦力急劇增大，拉力增大到一定程滾動(dòng)支座起了相當(dāng)大的作用，但很多情況下張拉到一定程度時(shí)滾動(dòng)支座與胎架擋板頂死，在胎架上無(wú)法正常張拉，只能吊起張拉。圖3.1 圖3.22 改善摩擦狀況的措施根據(jù)摩擦學(xué)原理，面與面之間的摩擦系數(shù)比較穩(wěn)定，摩擦

14、系數(shù)由接觸面的表面性能、接觸面間的填充物以及潤(rùn)滑劑決定。表面性能包括表面接觸的幾何尺寸、表面粗糙度、表面成分和表面制作加工方法等。建筑工程中為了減小面與面間的摩擦系數(shù)可以采取以下措施： 表面制作精加工，提高接觸面間的光滑度。 接觸面間加填充物，例如加聚四氟乙烯滑塊，聚四氟乙烯滑塊與鋼板間滑動(dòng)摩擦系數(shù)一般為0.030.05，能大大減小摩擦力，加聚四氟乙烯滑塊在胎架張拉中是個(gè)有效的減小摩擦手段。 接觸面間加工程潤(rùn)滑劑，黃油是工程上常用的潤(rùn)滑劑，效果比較好，價(jià)格又比較經(jīng)濟(jì)，可以大范圍使用。3.2 張弦桁架起吊張拉張弦桁架胎架施工中如果胎架摩擦沒(méi)處理好，經(jīng)常會(huì)遇到因摩擦力過(guò)大，張拉力達(dá)到很大仍然沒(méi)有脫

15、架，雖然理論上索力足夠大時(shí)肯定能達(dá)到張拉控制要求，但張拉的同時(shí)胎架也受到巨大的水平推力，當(dāng)水平推力大于胎架承載力時(shí)，可能會(huì)把胎架推倒，存在安全隱患，所以施工中如果發(fā)現(xiàn)異常，即索力達(dá)到較高時(shí)，跨中起拱量仍然遠(yuǎn)小于期望值時(shí)，可能會(huì)采取別的施工方法。哈爾濱會(huì)展體育工程中，有15榀張弦桁架采取胎架吊起兩階段張拉工藝。第一階段，胎架上張拉到一定索力，足于保證索的平面外穩(wěn)定；第二階段，用兩臺(tái)3000噸米塔吊雙機(jī)抬吊，將張弦桁架吊起脫離胎架，撤去摩擦力后再?gòu)埨?。吊起張拉時(shí)必須注意：1 張拉到一定階段后才可起吊，張拉到120噸左右時(shí)，桁架即將脫離胎架但效果不甚明顯，保證整個(gè)桁架的剛度。2 雙機(jī)抬吊將張弦桁架吊

16、起，需要吊點(diǎn)位于張弦桁架的重心上方，所以在吊裝時(shí)需要在張弦桁架上先裝兩個(gè)鐵扁擔(dān)，施工無(wú)法保證鐵扁擔(dān)每次位于同一點(diǎn)，即吊起張拉時(shí)，吊點(diǎn)位置改變，結(jié)構(gòu)跨度就會(huì)有改變，張弦桁架索張拉力就會(huì)隨之改變，跨中起拱量保證達(dá)到設(shè)計(jì)要求后既停止張拉。3 吊起張拉之前必須作好標(biāo)記，以保證量測(cè)起拱高度的基準(zhǔn)點(diǎn)，同時(shí)量測(cè)起拱高度時(shí)要考慮到桁架兩側(cè)下降的高度。4 起吊必須同時(shí)進(jìn)行，一側(cè)起吊有可能造成整個(gè)桁架向另一側(cè)滑移，有很大的危險(xiǎn)性。起吊高度一般為10公分左右4、主要結(jié)論1張弦桁架中拉索預(yù)應(yīng)力的主要作用是控制結(jié)構(gòu)位移，應(yīng)該對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行分析確定需要的預(yù)應(yīng)力，其實(shí)質(zhì)是計(jì)算拉索的伸長(zhǎng)量（拔出長(zhǎng)度），不管在何種條件下張

17、拉，不管采用哪種張拉方法，其根本目的就是使索伸長(zhǎng)量達(dá)到計(jì)算值。2張弦桁架預(yù)應(yīng)力張拉，優(yōu)先采用胎架一步張拉到位，結(jié)構(gòu)拼裝成整體后進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整；當(dāng)起拱量太大，張弦桁架軸向壓變形過(guò)大影響支座就位時(shí)，可在滿(mǎn)足索出平面剛度和吊裝就位要求的前提下，先在胎架上張拉到一定索力，吊裝并拼裝成整體后再用大噸位千斤頂進(jìn)行二次張拉。3以索伸長(zhǎng)量控制是個(gè)比較方便的張拉方法，也最能反映張拉的根本目的，哈爾濱會(huì)展體育中心17榀張弦桁架的張拉紀(jì)錄表明索相對(duì)伸長(zhǎng)量控制是個(gè)穩(wěn)定的張拉控制方法。由于拉索的下料長(zhǎng)度有誤差，張拉宜用索相對(duì)伸長(zhǎng)量控制。根據(jù)索的伸長(zhǎng)量增量與索力增量的關(guān)系，索的伸長(zhǎng)可分為三個(gè)階段，第一階段索處于松弛狀態(tài)，在索拉緊的過(guò)程中索的伸長(zhǎng)量增加很快；第二階段從索拉緊到張弦桁架起拱，此階段索的伸長(zhǎng)量很小，包括索自身的彈性伸長(zhǎng)與立體桁架的微量軸向壓縮；第三階段指張弦桁架起拱以后，起拱后支座水平位移急劇增大，即