大跨度屋面的張弦桁架胎架張拉滑移施工技術(shù)

寶鋼鋼構(gòu)有限公司 上海 200933

1 工程簡介

本項目為上海市嘉定區(qū)體育中心拱式鋼屋架安裝工程，整個屋頂為張弦桁架-鋼拉索結(jié)構(gòu)。該工程的屋面結(jié)構(gòu)質(zhì)量約為600 t，東西方向的最大跨度為62.6 m，檐高為25 m。

屋面四周為鋼混凝土牛腿作為桁架基座（平面布置見圖1），橫向主梁共10 榀，縱向次梁共9 道，整個屋蓋內(nèi)嵌于場館中間，由于四周的土建結(jié)構(gòu)已完工，故給屋架施工帶來重重困難。

圖1 施工平面布置

2 屋架工程安裝難點及重點分析

（a）本工程桁架跨度較大，桁架分段進場拼接部位的撓度因網(wǎng)架自重超過設(shè)計值，如不加以控制其承載力和剛度無法滿足設(shè)計要求，故需采取中部拼接部位設(shè)置滑道的方式。

（b）鋼結(jié)構(gòu)進場前土建結(jié)構(gòu)已完工，主場館門洞無法滿足汽車吊進入場館內(nèi)施工，且樓板結(jié)構(gòu)承重不滿足設(shè)計要求，故主榀桁架采用300 t汽車吊在跨外吊裝的方式。

（c）屋面桁架高空組拚，需搭設(shè)支撐胎架，高度超過20 m，胎架及樓板結(jié)構(gòu)需進行受力驗算。

（d）在滑移過程中，由于桿件內(nèi)力改變而影響桁架撓度值，必須控制網(wǎng)架在滑移過程中的同步差，同時密切關(guān)注桁架變形及應(yīng)力變化情況，確保構(gòu)件滿足設(shè)計結(jié)構(gòu)狀態(tài)和應(yīng)力分布要求[1]。

（e）張拉施工時桁架產(chǎn)生變形，前后榀桁架連接時存在高差，影響構(gòu)件組拼精度。為此，張拉施工需在支撐胎架同一標(biāo)高上進行，即桁架拉索施加應(yīng)力在剛脫離胎架（1～5 mm）并滿足桁架起拱度的情況下方可推進滑移。

（f）拉索施工需在當(dāng)榀桁架組拚完成后進行，索力一次性張拉到位；為確保工期，張拉和滑移交叉施工，并為后一榀桁架的連續(xù)組拚創(chuàng)造條件，胎架頂部（滑移軌道、牛腿寬度）設(shè)計和張拉應(yīng)力設(shè)計尤為關(guān)鍵。

（g）張拉施工需進行計算機模擬試驗，確定張拉參數(shù)。因采用胎架一次張拉到位的施工方式，已張拉成形的桁架應(yīng)力分布情況在滑移階段、整體卸載階段會有差異，故需對桁架的張拉值進行目標(biāo)修正。

（h）張弦結(jié)構(gòu)在張拉施工階段必須保證安全，包括桁架整體穩(wěn)定性、構(gòu)件和連接不超過允許承載力、結(jié)構(gòu)變形滿足要求，這就對施工過程監(jiān)控提出了很高的要求，具體見圖2。

圖2 張弦桁架立面示意

3 胎架滑移安裝施工

3.1 支撐胎架設(shè)計[2-4]

考慮到構(gòu)件長度、運輸、起吊能力等因素，單榀桁架需分3 段制作運輸?shù)綀觥Ｓ捎阼旒茉诜侄蔚跹b過程中不能立即形成穩(wěn)定體系，因此需要在桁架拼接點下弦設(shè)置支撐胎架。結(jié)合現(xiàn)場狀況分析，擬設(shè)置4 個支撐胎架：采用Φ89 mm鋼管組合支撐胎架，格構(gòu)胎架每節(jié)尺寸分別為：長（2 m）×寬（2 m）×高（1.5 m），如圖3所示。

圖3 胎架設(shè)計

3.2 滑移軌道梁及軌道設(shè)計

為滿足桁架累積滑移，常規(guī)的做法是在原場館土建牛腿結(jié)構(gòu)之間搭設(shè)支撐架，在支撐架上部放置鋼梁和滑移導(dǎo)軌。本項目從施工成本、安全、及操作便利角度考量，利用原有屋面（女兒墻部位）梁板作為桁架滑移端部支撐，安裝滑移梁及軌道進行滑移施工，見圖4。

圖4 張弦桁架（端部）滑移現(xiàn)場

3.3 桁架端部牛腿設(shè)計

為滿足桁架滑移需要，端部需加長，增設(shè)牛腿裝置（圖5）。牛腿結(jié)構(gòu)包括滑靴、立柱牛腿、臨時撐和桁架部分自身結(jié)構(gòu)。通過SAP軟件進行分析，各桿件的應(yīng)力比較小，采用ABAQUS軟件進行節(jié)點的有限元分析?；グ惭b最大支點反力450 kN荷載分析系數(shù)1.4，桁架上下弦桿固定。

計算結(jié)論：滑移牛腿結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為184 MPa，滿足要求。

3.4 桁架中部滑移節(jié)點設(shè)計

僅靠桁架兩端作為支撐點無法確保桁架的穩(wěn)定性及滿足形變要求，本次施工在桁架中部（胎架頂部）設(shè)置2 個支撐點?；剖┕た傆嬙O(shè)置4 個自爬式液壓千斤頂，桁架端部2 個，中部等間距布置2 個。為確保千斤頂順利頂推，同時防止桁架變形，專門設(shè)計了“抱箍”裝置及在桁架間加設(shè)連桿，以增加2 榀桁架間的整體剛度（圖6）。

圖5 桁架端部增設(shè)牛腿

圖6 張弦桁架中部滑移頂推節(jié)點

3.5 滑移系統(tǒng)

常規(guī)滑移牽引動力采用卷揚機設(shè)備，本項目采用同濟大學(xué)“液壓同步滑移技術(shù)”，采用液壓爬行器作為滑移驅(qū)動設(shè)備。液壓爬行器為組合式結(jié)構(gòu)，一端以楔型夾塊與滑移軌道連接，另一端以鉸接點形式與滑移胎架或構(gòu)件連接，中間利用液壓油缸驅(qū)動爬行。

液壓爬行器的楔型夾塊具有單向自鎖作用。當(dāng)油缸伸出時，夾塊工作（夾緊），自動鎖緊滑移軌道；油缸縮回時，夾塊不工作（松開），與油缸同方向移動（見圖7）。

圖7 爬行器工作示意

本工程中共設(shè)置1套TL-CS 11.2型雙泵液壓系統(tǒng)，共需要 60 kW 功率。此泵站固定在第1、2榀立柱間，隨桁架滑移?；七^程中需要將相應(yīng)的二級電源配電箱提供到液壓泵源系統(tǒng)附近 4～5 m范圍內(nèi)。

鋼結(jié)構(gòu)屋蓋質(zhì)量約500 t，鋼-鋼滑移面摩擦因數(shù)0.2，爬行器的頂推力大于1 000 kN，考慮到滑移結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，配置4 臺爬行器，每臺爬行器的頂推力1 000 kN，4 臺爬行器的頂推力4 000 kN，滿足滑移要求。

3.6 張拉施工

本次施工采用胎架張拉方式，當(dāng)榀桁架組拚后，在操作平臺外側(cè)（胎架牛腿底部）進行拉桿、拉索安裝，隨后安裝張拉工裝設(shè)備，在滑移前完成張拉作業(yè)。

拉索設(shè)計：屋面魚腹式桁架部分的下弦采用光面高釩索（GALFAN拉索），拉索的鋼絲表面采用GALFAN鍍層（鋅-5％鋁-混合稀土合金），拉索索體公稱抗拉強度為1 670 MPa，鋼索公稱Φ90 mm。高釩索總計8 根，主體鋼結(jié)構(gòu)安裝完成后，在檁條安裝之前，索張拉后，索產(chǎn)生的拉力以抵消張弦梁及聯(lián)系梁自重變形為標(biāo)準。

索的安裝、張拉的次序、分級、標(biāo)高的控制、索力的大小應(yīng)按照經(jīng)設(shè)計方確認的預(yù)應(yīng)力施工張拉分析報告進行。索系的張拉施工應(yīng)在混凝土埋件、鋼屋面、支座節(jié)點等達到設(shè)計要求后進行。屋面恒載、設(shè)備馬道等附加靜載須在索系施工完畢后施加。

鋼拉索中建立的預(yù)應(yīng)力值，是整個受力狀態(tài)滿足設(shè)計及使用要求的關(guān)鍵所在，因此張拉時一定要認真仔細，在張拉過程中隨時測試預(yù)應(yīng)力值及測量結(jié)構(gòu)的幾何變形，隨時對拉桿進行調(diào)整。

3.7 整體卸載

桁架拼焊、張拉、滑移推進到指定位置，采用桁架兩端架設(shè)千斤頂?shù)姆绞竭M行整體卸載，千斤頂同步操作，確保卸載就位過程桁架受力均衡（圖8）。

圖8 桁架整體卸載就位

4 結(jié)語

胎架張拉滑移方案在我國鋼結(jié)構(gòu)工程中應(yīng)用比較少見，故對所采用的滑移軌道及牽引設(shè)備均需要經(jīng)過準確計算。為實現(xiàn)順利滑移，本項目巧妙地進行了端部牛腿設(shè)計，并采用自爬式液壓頂推和計算機同步控制實現(xiàn)了累計滑移。在施工過程中，采用了計算機模擬和現(xiàn)場修正的方式進行變形監(jiān)控，解決了同步差控制問題，桁架變形及應(yīng)力變化情況均滿足設(shè)計結(jié)構(gòu)狀態(tài)和應(yīng)力分布要求，其施工技術(shù)可為類似工程提供借鑒和參考。