某體育場館工程張弦桁架施工技術

    某體育場館工程屋面由10榀張弦桁架組成，高15.1米，桁架跨度149.7m×141.6m。主要介紹了張弦桁架施工步驟，針對施工過程的各種工況進行有限元計算分析及現場監測，保證屋面鋼結構施工安全可靠、質量精細。

    1工程概況

    某體育場館工程為大跨度的空間預應力索桁架結構，結構矢高為25.3米，橫向長度為239.8米，縱向長度為141.6米。總建筑面積72010㎡，為甲級體育館，可容納9842座。該結構包括體育館屋面、會展館屋面、體育館圍護結構兩部分。

    2張弦桁架介紹

    體育館由環桁架，張弦桁架，徑向桁架三大部分組成。屋面預應力鋼結構由10榀張弦桁架組成，由上弦剛體、下弦索及其之間的撐桿構成，其上弦為倒三角桁架，下弦拉索采用雙索，且采用冷鑄錨，索端連接節點復雜。張弦桁架的端部一端支撐在主體結構混凝土柱子上，另一端在支撐桁架上，10榀張弦桁架跨度不同，在相同的拉索等效預張力(1700KN)條件下，拉索的索力差異較大，這對如何組織施工提出了更高的要求。

    本工程采用Ansys、Midas/Gen等先進有限元軟件對結構進行找形分析、施工模擬計算，桁架構件和梁構件采用BEAM188梁單元，撐桿采用兩端鉸接桿單元，拉索采用僅受拉的Link10單元模擬，胎架采用僅受壓的Link10單元模擬。同時對索整體張拉過程中的張拉點、索力監測點和主要受力構件應變片進行布置，全面考慮結構的整體施工方案，使得結構在零狀態下施工張拉完畢后，結構的最終幾何形狀、內力分布與設計狀態吻合。

    3張弦桁架施工技術

    3.1施工機械的選擇

    某體育場館共分4553個吊裝單元，其中體育館1443個吊裝單元。體育場館鋼結構各吊裝單元具有一定的相似性，通過對本工程中具有代表性的鋼結構吊裝單元和吊裝機械的吊裝能力進行分析，最終選用1臺120噸汽車吊、1臺100噸履帶吊以及2臺QTZ-63塔吊作為主要施工機械。

    3.2桁架制作

    拼裝胎架采用工字鋼制作，由立柱、支撐和定位塊及活動螺栓組成，胎架牛腿部位設置可調節支座。拼裝胎架時，在斷開面設置空檔，以留出焊接空間，在對接口下面焊接時，焊工可以在臨時平臺上進行。

    制作前對各張弦桁架進行編號，根據設計深化圖紙對每段桁架不同型號、尺寸的桿件進行實體放樣。就位前，首先根據張弦梁分段點的標高及軸線對胎架進行墊置，使標高基本達到設計位置，就位后進行微調。就位時注意對接口的間隙及標高的控制，并且使分段點的位置基本處于胎架的中心。在調整校正完畢后進行焊接，焊接接口需要打磨光滑過渡。制作過程中，為了確保張弦梁原始狀態的弧度和設計相符，現場利用經緯儀和水準儀對桁架拼裝過程進行精確定位，滿足設計要求。

    因吊裝構件形式類似，胎架可循環使用，故設置6副拼裝胎架。場內設置2副拼裝胎架，布置1臺120噸汽車吊進行鋼構件對接;場外設置4副拼裝胎架，布置1臺100噸履帶吊進行鋼構件對接。

    3.3臨時支撐架制作與安裝

    考慮到單榀桁架跨度大，為方便施工及臨時承重，在每榀桁架分段點部位設置臨時支撐架，每個支撐架采用兩根直徑350mm，壁厚8mm的圓形鋼管制作，中間用∟50×5角鋼連接固定。臨時支撐架上設置爬梯，頂部設置操作平臺。

    利用100噸履帶吊把臨時支撐架吊裝至設計位置，基礎進行夯實處理，底部墊200mm厚鋼板，吊裝就位后用4根纜風繩固定。利用水準儀將標高引測至臨時支撐架，便于后續桁架安裝使用。

    3.4張弦桁架吊裝與拼裝

    張弦桁架施工順序為兩側依次往中間進行，每榀張弦部分分四段吊裝，利用一臺120噸汽車吊、一臺100噸履帶吊在跨內行走，吊機行走和吊裝站位處鋪設鋼制路基箱。同時利用現場QTZ-63塔吊配合進行吊裝。

    為能夠保證桁架不會發生平面外失穩，保證桁架吊裝的安全，張弦桁架分段吊裝采用四點起吊，張弦桁架吊裝就位后根據支撐架頂部的測量定位軸線利用手拉葫蘆及時找正，接口部位與支座臨時固定，進行對接口焊接。

    吊裝時，在桁架上弦設置可拆卸活動吊耳。這樣設置吊耳的方式不僅能夠減少桁架加工過程中的工作量和材料用量，而且在吊裝結束后無需割除，減少工序加快施工進度，并避免了鋼絲繩捆扎方法起吊所帶來的可能破壞涂裝層的缺點。

    第一榀張弦桁架固定好后，進行第二榀張弦桁架的吊裝、就位和加固，并及時對張弦桁架之間的支撐體系進行連接。當兩榀張弦桁架及中間的支撐體系和檁條等全部連接安裝完畢，在檢查各個細部環節沒有安全隱患后，再進行下一榀張弦桁架的吊裝就位。

    3.5預應力拉索的安裝和張拉

    鋼索采用擠包雙保護層高強度鋼絲扭絞型鋼絞線，單根鋼絲直徑7mm抗拉強度不小于1670MPa，屈服強度不小于1410MPa，鋼索抗拉彈性模量(E)應不小于1.9×105MPa，拉索安裝和張拉所需的操作平臺采用型鋼焊制，便于拉索施工，同時保證了施工安全性。

    施工時用吊機或手動葫蘆將地面編好號的撐桿逐根吊起，將撐桿上節點與鋼構相連。用多臺葫蘆提升拉索，將拉索與撐桿下端的索夾相連。根據索皮表面的標記，確定索夾與拉索相連的位置，并安裝好索夾。

    本工程共有10根拉索，根據施工組織計劃及結構形式的實際情況，難以對這些拉索進行同步張拉，需要分批張拉。考慮到結構對稱性，將拉索分為5批，同批拉索的根數為2根，分批張拉順序為兩端向中間對稱進行。為保證張拉同步，同批次分五級張拉程序為：0%→25%→50%→75%→90%→100%。

    由于鋼結構的加工及安裝中存在著不可克服的誤差等因素，拉索張拉控制采用控制索力和變形的雙控原則，在單次張拉的分級張拉過程中，其前四級以控制變形為主，最后一級以控制索力為主。

    3.6張拉過程監測

    拉索預張力施工過程是個動態的結構狀態變化過程。由于鋼構安裝誤差、拉索制作、安裝和張拉誤差、分析誤差以及環境影響等原因，實際結構狀態與分析模型是有差異的。因此，對拉索預應力施工過程予以監測，對比理論分析值和實際結構響應的差異，即時掌握各關鍵施工階段的結構狀態，保證拉索施工全過程處于可控狀態，保證施工過程結構安全。

    由以上分析可以看出，隨著施工過程，結構的最大豎向變形和鋼構等效應力不斷變化，施工過程中結構的最大豎向變形63.9mm，與設計準態下的變形值64.3mm相近;最大軸向應力133.8MPa，與設計準態下的最大應力值123MPa相差很小，滿足要求。

    4結論

    該體育場館工程體育館張弦桁架結構跨度大，施工精度要求高，施工難度大。對施工全過程進行了模擬計算，制訂科學可行的施工方案，通過嚴密的工藝措施和技術管理手段，獲得了良好的效果，同時積累了寶貴的施工經驗，對以后相關工程的設計、施工有著重要的參考價值。

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