大跨度干煤棚預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)施工模擬仿真計(jì)算與施工技術(shù)研究

胡 洋

(北京市建筑工程研究院有限責(zé)任公司，北京 100039)

1 工程概況

大唐洛陽熱電公司煤場(chǎng)封閉改造干煤棚工程采用技術(shù)先進(jìn)的預(yù)應(yīng)力鋼桁架結(jié)構(gòu)形式，封閉煤場(chǎng)中間不立柱，由預(yù)應(yīng)力主桁架、剛性次桁架、柔性次桁架、山墻、鋼檁條、圍護(hù)結(jié)構(gòu)等組成。煤場(chǎng)總長(zhǎng)度約為260m，跨度約為135m(該部分長(zhǎng)度約為200m)，局部跨度約117m(該部分長(zhǎng)度約為60m)，建筑面積約35 377m2。主結(jié)構(gòu)采用10榀四邊形拱形桁架，在中間8榀主桁架下部設(shè)置為2×D52預(yù)應(yīng)力張弦索及撐桿，其中兩側(cè)落地拱形桁架為7榀，分布在④～⑩軸；一側(cè)拱形一側(cè)立柱桁架為1榀，分布在②軸，兩側(cè)落地且一側(cè)立柱桁架1榀，分布在③軸，桁架主要桿件截面規(guī)格φ70×4～φ351×16，鋼材材質(zhì)Q345B；剛性次桁架為三角形桁架，桁架跨度達(dá)30m，桁架弦桿最大截面規(guī)格為φ273×14，腹桿最大截面規(guī)格為φ219×10，鋼材材質(zhì)為Q345B，次桁架連接在兩榀主桁架之間；柔性次桁架采用拉索和鋼桁架相結(jié)合的方式形成穩(wěn)定體系，屋蓋兩側(cè)斜交叉穩(wěn)定索型號(hào)D30，屋蓋中間主桁架間柔性拉索桁架的型號(hào)為D26，D30和D36，如圖1所示。

圖1 干煤棚及結(jié)構(gòu)示意

2 施工方案確定

2.1 現(xiàn)場(chǎng)條件

由于該工程是煤場(chǎng)改造工程，干煤棚原址中間安裝有1臺(tái)斗輪堆取料機(jī)，配合1條東西布置的皮帶機(jī)進(jìn)行堆、取料作業(yè)，斗輪機(jī)外形尺寸為：東西長(zhǎng)70.4m，南北寬9m，將干煤棚原址分為南北兩個(gè)煤場(chǎng)，業(yè)主要求施工中不能移動(dòng)堆取料機(jī)和南北煤場(chǎng)中部分堆煤區(qū)。鑒于施工場(chǎng)地限制，中間東西向70m范圍內(nèi)斗輪機(jī)不可移動(dòng)，不能采取各榀桁架原位吊裝的施工工藝。基于現(xiàn)實(shí)條件，決定現(xiàn)場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)工程施工采用先進(jìn)的累積滑移+分段吊裝工藝，即①～②，⑨～⑩軸采用原位吊裝，③～⑨軸采用累積滑移，施工分區(qū)如圖2所示。

圖2 施工分區(qū)平面

2.2 施工方案

整體施工順序：滑移區(qū)→吊裝2區(qū)→吊裝1區(qū)。

1)滑移區(qū)

③～⑨軸桁架采用結(jié)構(gòu)累積滑移施工(為方便表述，定義設(shè)計(jì)完成態(tài)桁架編號(hào)即為所在軸線編號(hào)，如②軸上的桁架即為桁架2，桁架2上的索即為張弦索2)，利用“液壓同步頂推滑移”系統(tǒng)將結(jié)構(gòu)累積滑移到位。

滑移區(qū)桁架在③～④軸搭設(shè)拼裝平臺(tái)，每個(gè)軸線上有4個(gè)支撐胎架，為保證現(xiàn)場(chǎng)吊裝以及工廠加工制作精度，需進(jìn)行預(yù)拼裝。單榀桁架的吊裝分為對(duì)稱的5段，如圖3所示。分段對(duì)稱累積拼裝，每段在地面上采用臥拼法完成，依次從兩邊到中間對(duì)稱吊裝分段1，5，2，4，3，其中分段3中張弦索和撐桿也在地面拼裝好，張弦索進(jìn)行20%的預(yù)張拉，吊裝到位后進(jìn)行校正和焊接。

圖3 主桁架分段及支撐胎架位置

施工順序：在④軸上完成桁架9的吊裝，張弦索9張拉至設(shè)計(jì)張拉力的80%，桁架9與支撐胎架脫離→在③軸上完成桁架8的吊裝，張弦索8張拉至設(shè)計(jì)張拉力的80%，桁架8與支撐胎架脫離→安裝桁架8與桁架9間剛性次桁架，安裝并張拉桁架8與桁架9間柔性次桁架→安裝桁架8與桁架9間主檁、次檁等，向東滑移一個(gè)柱距→在③軸上完成桁架7的吊裝，張弦索7張拉至設(shè)計(jì)張拉力的80%，桁架7與支撐胎架脫離→安裝桁架7與桁架8間剛性次桁架，安裝并張拉桁架7與桁架8間柔性次桁架→安裝桁架7與桁架8間主檁、次檁等，向東滑移一個(gè)柱距。依次類推，經(jīng)過5次累積滑移，完成桁架3至桁架9的滑移施工。然后，按照由③軸到⑨軸的順序，依次張拉每榀桁架張弦索至設(shè)計(jì)張拉力的100%。

2)吊裝2區(qū)

在地面拼裝為吊裝段后，分別采用履帶式起重機(jī)分段吊裝，先吊裝⑩軸山墻，之后按照⑨軸向⑩軸方向，依次完成剛性次桁架安裝、柔性次桁架安裝及張拉、主檁及次檁安裝等。

3)吊裝1區(qū)

在地面拼裝為吊裝段后，分別采用履帶式起重機(jī)分段吊裝，吊裝方向由③軸向①軸依次進(jìn)行。先吊裝②軸主桁架2，依次完成①軸山墻與②軸主桁架2間剛性次桁架安裝、柔性次桁架安裝及張拉、主檁與次檁安裝等；之后吊裝①軸山墻，依次完成剛性次桁架安裝、柔性次桁架安裝及張拉、主檁與次檁安裝等。最后，張拉桁架2的張弦索至設(shè)計(jì)張拉力的100%。

2.3 施工重點(diǎn)與難點(diǎn)

整個(gè)施工過程存在鋼結(jié)構(gòu)施工、累積滑移施工、預(yù)應(yīng)力索施工，各施工工藝相互交叉，整個(gè)結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)拼裝工作量大、施工工藝復(fù)雜、施工協(xié)調(diào)難度大。

1)拉索沿拱架下弦布置，主要作用為平衡拱架對(duì)兩側(cè)支座的推力，由于設(shè)計(jì)方對(duì)支座的抗剪、抗拉、抗壓提出了明確的要求，因此在拱桁架施工過程中預(yù)應(yīng)力的施加需滿足設(shè)計(jì)意圖，即減小拱架對(duì)支座的推力，確保支座受力在設(shè)計(jì)允許范圍以內(nèi)。

2)鋼結(jié)構(gòu)拱桁架采用累積滑移的施工方法，由于拱架在拼裝和滑移以及承載過程中，拉索索力在各個(gè)狀態(tài)均不相同，為了確保安裝時(shí)拱腳之間的距離，需要對(duì)各個(gè)狀態(tài)的索力進(jìn)行精確計(jì)算，并在施工過程中對(duì)索力和結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，確?；七^程的安全。

3)拱桁架施工分為單榀拼裝、拉索張拉、多榀累積滑移、屋面施工等狀態(tài)，為達(dá)到設(shè)計(jì)要求的結(jié)構(gòu)位形、結(jié)構(gòu)內(nèi)力、支座位置及受力，預(yù)應(yīng)力的施加是一個(gè)關(guān)鍵工序，因此需要對(duì)施工全過程進(jìn)行施工仿真計(jì)算并在施工中進(jìn)行全過程施工監(jiān)測(cè)，確保施工過程的安全和質(zhì)量。

4)采取可靠的監(jiān)測(cè)手段，對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼索的張拉力和鋼結(jié)構(gòu)的變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以確保結(jié)構(gòu)施工期的安全，保證結(jié)構(gòu)張拉完成后狀態(tài)與原設(shè)計(jì)相符。

3 施工仿真計(jì)算分析

3.1 施工仿真計(jì)算的意義

施工仿真計(jì)算是預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)施工方案中極其重要的工作，因?yàn)槭┕み^程會(huì)使結(jié)構(gòu)經(jīng)歷不同的初始幾何態(tài)和預(yù)應(yīng)力態(tài)，這樣實(shí)際施工過程必須和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初衷吻合，加載方式、加載次序及加載量級(jí)應(yīng)充分考慮，且在實(shí)際施工中嚴(yán)格遵守，才能保證工程施工的質(zhì)量和安全。施工仿真計(jì)算的意義如下。

1)驗(yàn)證張拉方案的可行性，確保張拉過程的安全。

2)給出每步張拉的鋼索張拉力大小，為實(shí)際張拉時(shí)張拉力值的確定提供理論依據(jù)。

3)給出每步張拉的結(jié)構(gòu)變形及應(yīng)力分布，為張拉過程中的變形及應(yīng)力監(jiān)測(cè)提供理論依據(jù)。

4)根據(jù)計(jì)算出來的張拉力，選擇合適的張拉機(jī)具，并設(shè)計(jì)合理的張拉工裝。

5)確定合理的張拉順序。

3.2 基本參數(shù)

采用大型通用有限元分析軟件Midas，按照?qǐng)D紙對(duì)結(jié)構(gòu)建立計(jì)算模型，構(gòu)件規(guī)格、邊界條件和圖紙一致。結(jié)構(gòu)自重由程序自動(dòng)計(jì)算并考慮1.1倍的系數(shù)，采用初拉力的方式模擬預(yù)應(yīng)力的施加。

3.3 預(yù)應(yīng)力張拉

本結(jié)構(gòu)中拉索有3種類型：主桁架的主索、屋面柔性次桁架次索、屋面兩側(cè)斜交叉穩(wěn)定索。主桁架主索分2級(jí)張拉，第1級(jí)張拉至設(shè)計(jì)張拉力的80%，第2級(jí)張拉至設(shè)計(jì)張拉力100%；屋面柔性次桁架次索采用一級(jí)張拉至設(shè)計(jì)張拉力的100%；屋面兩側(cè)斜交叉穩(wěn)定索采用一級(jí)張拉至設(shè)計(jì)張拉力的100%。

1)③～⑨軸的7榀主桁架依次吊裝到③～④軸的拼裝平臺(tái)上，在該平臺(tái)上將主索張拉至設(shè)計(jì)張拉力的80%，此時(shí)主桁架脫離了中間支撐胎架，③～⑨軸主索最大張拉力為415kN。

2)③～⑨軸的主桁架在累積滑移過程中，由于主桁架主索已經(jīng)張拉至設(shè)計(jì)張拉力的80%，結(jié)構(gòu)豎向最大撓度為72mm，最大起拱值為422mm，變形處于可控范圍內(nèi)，滑移過程中，鋼結(jié)構(gòu)的最大拉應(yīng)力169MPa，最大壓應(yīng)力180MPa，說明滑移方案安全可行。

3)滑移完成后，③～⑨軸的主桁架就位,完成與相應(yīng)的支座焊接固定工作，依次張拉③～⑨軸的主桁架主索至設(shè)計(jì)張拉力100%，此時(shí)主索內(nèi)力最大值478kN，結(jié)構(gòu)豎向最大撓度為59mm，最大起拱值為441mm，鋼結(jié)構(gòu)的最大拉應(yīng)力183MPa，鋼結(jié)構(gòu)的最大壓應(yīng)力179MPa。

4)柔性次桁架的次索隨柔性次桁架安裝完成后，一級(jí)張拉至設(shè)計(jì)張拉力，③～⑨軸柔性次桁架中間水平索的最大張拉力為630kN。

5)吊裝1區(qū)②～③軸次索索力最大值為441kN， 吊裝1區(qū)斜交叉穩(wěn)定索索力最大值為166kN，吊裝2區(qū)斜交叉穩(wěn)定索索力最大值為163kN。

3.4 計(jì)算結(jié)果

滑移過程中計(jì)算結(jié)果如表1所示，整個(gè)結(jié)構(gòu)在施工全部結(jié)束后結(jié)構(gòu)各項(xiàng)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表1 滑移過程中計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)

表2 全部施工完畢后計(jì)算結(jié)果

4 施工工藝

本工程的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括鋼框架變形與拉索索力。索網(wǎng)幕墻中外圈鋼環(huán)梁在拉索拉力作用下會(huì)有變形產(chǎn)生，而其變形又會(huì)在一定程度上影響索力的分布，為了獲知這種相互影響的大小，只有通過綜合監(jiān)測(cè)，才能把握此類結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀態(tài)，并對(duì)施工過程中的偏差加以綜合控制。變形監(jiān)測(cè)采用全站儀，索力監(jiān)測(cè)采用法國(guó)Tractel 索力測(cè)試儀。

4.1 拼裝與吊裝工藝

本工程桿件在地面采用臥拼法進(jìn)行拼裝，拼裝分為以下3部分：吊裝區(qū)桁架現(xiàn)場(chǎng)拼裝、滑移區(qū)現(xiàn)場(chǎng)拼裝、山墻部分桁架拼裝。

本吊裝需要考慮的因素主要有：大跨度桁架變形的控制、倒三角式的主桁架安裝定位后要保證桁架的穩(wěn)定性、高空焊接和焊接變形的控制、工程場(chǎng)地和環(huán)境條件限制。

4.2 預(yù)應(yīng)力張拉工藝

張弦主索在桁架一端均設(shè)置調(diào)節(jié)端，采用單端張拉的方式；柔性次桁架次索采用張拉中間水平索調(diào)節(jié)端的方式，單端張拉；屋面兩側(cè)斜交叉穩(wěn)定索，采取單端張拉調(diào)節(jié)端的方式施加預(yù)應(yīng)力(見圖4)。

圖4 拉索張拉位置示意

4.3 張拉力控制參數(shù)

預(yù)應(yīng)力的張拉采取索力控制為主，通過油壓傳感器的數(shù)值反映拉索張拉力，以拉索的伸長(zhǎng)值控制為輔，同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)變形。結(jié)構(gòu)全部施工張拉完成后，對(duì)索力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)實(shí)測(cè)的索力值，確定是否進(jìn)行索力的調(diào)整。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，各榀張弦桁架主索和屋面拉索索力之間相互影響較小，故可將主次桁架全部張拉完成狀態(tài)下的索力作為索力調(diào)整的目標(biāo)值，進(jìn)行索力調(diào)整。

4.4 累積滑移

采用雙軌道雙動(dòng)力驅(qū)動(dòng)滑移，其優(yōu)點(diǎn)是不破壞支座管結(jié)構(gòu)，滑移推動(dòng)力均衡、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定?；茣r(shí)，主桁架結(jié)構(gòu)支座之間需要設(shè)置拉桿(見圖5)，直接傳遞水平向的荷載。在結(jié)構(gòu)全部滑移到位后，拆除滑移設(shè)備后進(jìn)行卸載作業(yè)，采用千斤頂將桁架頂起，再拆除下滑移軌道，將原將結(jié)構(gòu)支座安裝后，將桁架下落至設(shè)計(jì)位置，完成結(jié)構(gòu)的卸載。

圖5 滑移需要的拉桿位置

本工程預(yù)應(yīng)力施工貫穿在整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)安裝過程中，從滑移前預(yù)緊、胎架卸載，再到結(jié)構(gòu)成型態(tài)張拉，結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)隨著施工階段的推進(jìn)變化較大，需選取若干關(guān)鍵施工階段進(jìn)行變形和應(yīng)力監(jiān)測(cè)，整個(gè)施工過程中變形和應(yīng)力監(jiān)測(cè)可進(jìn)行4次數(shù)據(jù)采集： ①滑移區(qū)結(jié)構(gòu)安裝就位時(shí)； ②拆除吊裝區(qū)吊裝用和滑移用支撐胎架時(shí)； ③主索張拉完成時(shí)； ④屋面拉索張拉完成時(shí)。

對(duì)變形的監(jiān)測(cè)采用全站儀和反光片。變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)在每一榀桁架端部、1/4跨和跨中布置；結(jié)構(gòu)張拉成型后，應(yīng)對(duì)撐桿垂直度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以使結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)與設(shè)計(jì)一致，保證結(jié)構(gòu)安全；撐桿垂直度采用全站儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)，選取中間一榀張弦桁架，在撐桿上、下端合適位置粘貼反光片；對(duì)鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力的監(jiān)測(cè)采用振弦應(yīng)變計(jì)，在張拉過程中選取邊榀和中間榀的張弦桁架進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測(cè)，在張弦桁架端部、1/4跨和跨中布置振弦應(yīng)變計(jì)，應(yīng)變計(jì)的粘貼位置為桁架上表面。

在施工過程中，為保證施工質(zhì)量，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工監(jiān)測(cè)。在整個(gè)施工過程中，監(jiān)測(cè)以拉索索力控制為主，結(jié)構(gòu)位移控制為輔。其中，位移監(jiān)控預(yù)警值為理論變形的±10%且超過±10mm；撐桿垂直度允許偏差為撐桿長(zhǎng)度的1/150，且不大于50mm；索力監(jiān)控預(yù)警值為理論值的±5%。

5 結(jié)語

1)為實(shí)現(xiàn)大跨度干煤棚結(jié)構(gòu)，采用了新穎的預(yù)應(yīng)力鋼桁架結(jié)構(gòu)體系，引入預(yù)應(yīng)力體系，降低了用鋼量和工程成本，可以取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。

2)由于施工現(xiàn)場(chǎng)條件的制約，施工采用了先進(jìn)的累積滑移+分段吊裝的施工工藝，不僅技術(shù)合理，也解決了施工現(xiàn)場(chǎng)無法移除堆煤區(qū)的難題。

3)施工前做了大量的準(zhǔn)備工作，采用Midas做了施工模擬仿真計(jì)算分析，施工方案進(jìn)行了專家論證，施工中采取了有效的監(jiān)測(cè)手段，保證了工程的順利進(jìn)行。

4)目前，本工程已經(jīng)施工完畢并投入使用，實(shí)踐證明此種施工方法和施工工藝取得了較好的效果，為今后類似工程提供了參考。