大跨度H型钢平面组合结构张弦梁雨棚施工技术

文璐于建利

摘要结合工程实例，对大跨度H型钢张弦梁非设计工况下张弦梁索力进行模拟计算，制定了具体的施工方案，通过实施取得了较好的效果。

关键词 大跨度H型钢张弦梁 施工技术

1工程概况

京沪高铁济南西客站无站台柱风雨棚总长度450m，覆盖8个站台，标准段宽度187.5m，面积65326平方米。由四跨组成,平行轨道方向柱距为24米、25.5米，垂直股道方向跨度为42.85米、43米、46.5米。

钢结构雨棚上弦采用双排焊接H型钢，下弦采用张拉索。工程分南北两部分(Ⅱ-1至Ⅱ-8轴和Ⅱ-15至Ⅱ-22轴)，南北侧雨棚分别在Ⅱ-4和Ⅱ-17轴处设置温度缝一道，纵向各分为两个温度区段。雨棚主体结构由二跨刚架组成，共64榀。刚架柱为钢管混凝土柱，刚架梁为张弦梁结构，两端铰接在柱顶（见图1）。主钢构采用Q345B和Q235B钢，销轴及拉索的锚具采用40Cr调质处理；拉索为Φ5×283和Φ5×253两种规格，采用预应力钢丝束，拉索出厂前逐根进行1.2～1.4倍的设计荷载的超张拉试验；索体保护采用热挤 PE 双护层。

2施工方案研究

工程施工的难点是钢结构雨棚的空中拼装和空中索力张拉。经方案必选，确定采用如下施工方案。

图1单榀桁架三维图

（1）钢柱加工安装

钢柱及柱顶分叉支撑柱工厂加工，运至现场，现场在胎架拼装焊接后，整体吊装。

（2）张弦梁加工安装

为减少施工难度，确保施工安全和焊接质量，张弦梁采用工厂加工，焊接成整体，然后切割成三段运至现场。在施工现场，张弦梁在胎架上拼装、挂索、张拉，整体吊装至钢柱顶进行安装，空中索力调整至设计值。

3非设计工况下张弦梁模拟计算

现场拼装作业时，为确保拼装胎架的安全与稳定，采用了四点支撑方式，支撑点位置与设计工况不符。预应力索力设计值是按两支座端受力考虑的，而现场实际的4个拼装胎架位于梁中，如图2所示。拼装胎架位置的变动导致初始张拉索力发生了变化，必须对四点支撑拼装工况下的初始张拉索力值（设计初始索力值为两端支撑工况）进行调整，待张弦梁安装就位后，索力值自动调整至或基本达到两端支撑工况下的设计值。

图2拼装胎架

（1）非设计工况下H型钢平面组合结构张弦梁索力值的确定

在保证张弦梁水平变形一致的前提下，利用MIDAS有限元分析软件对设计两端支座支撑和现场拼装胎架支撑张拉完成后的结构水平位移、竖向位移、拉索索力及撑杆轴力进行分析。经计算，设计两端支座支撑时水平变形13mm，现场拼装胎架4点支撑保持水平变形13mm的条件下，张弦梁的张拉力表1所示。

表1不同工况条件下张弦梁张拉力表

（2）施工仿真计算

在预应力钢索张拉完成前结构尚未成形时，结构整体刚度较差，应用有限元计算理论和有限元计算软件对预应力钢结构的施工进行仿真计算，以保证结构施工过程中及结构使用期的安全。

根据施工方案，建立的有限元模型如图3所示。

图3 有限元计算模型

计算结果见表2。

表2各榀梁仿真计算数据表

通过仿真计算结果可知，张拉完成后初始态与设计图纸基本吻合，张拉方案是合理可行的。

（3）施工监测

张弦梁在张拉过程及安装后对其进行监测，监测结果如图4、图5所示。

图4初张拉索力355KN时梁内力监测

图5 张弦梁仅两端销轴受力后的内力监测

监测结果，初张拉（胎架四点支撑）及梁安装就位后（两点支撑）实测应力变化值与仿真计算理论应力变化值基本吻合。

3张弦梁施工技术要点

3.1张弦梁施工流程

张弦梁施工流程如图6所示。

3.2张弦梁拼装

（1）张弦梁的拼装主要是在胎架上完成的，具体的胎架位置应根据张弦梁的长度、主要杆件对接口的位置、张弦梁的起拱高度等进行合理布置。按施工方案的构件布置图大致放样胎架位置，胎架定位时保证胎架位置的直线度和脚手架顶部杆件的水平起弧度，同时在胎架下面垫上木垫板。所有胎架顶部水平杆必须根据张弦梁的起拱度进行设置，防止受力不均，对胎架造成破坏，发生意外事故。

图6施工流程图

（2）先拼装中间段段张弦梁主梁，并在张弦梁梁与脚手架接触面处绑上保温棉，用于保护构件油漆不受损坏，使张弦梁梁与胎架软接触。再拼装中间张弦梁次梁，与中间段张弦梁梁进行临时连接固定，用全站仪测量其起拱度和长度是否符合设计要求。最后进行两端张弦梁梁的拼装，与中间段张弦梁梁进行临时连接固定，并用全站仪测量其起拱度和长度是否符合设计要求。适当考虑构件焊接时产生的长度收缩，构件长度可以适当放长5mm。

（3）所有张弦梁主梁和主要次构件连接完成后，进行全面满焊，防止单根构件单独焊接产生焊接变形，导致整榀张弦梁尺寸无法控制。焊接材料使用前必须预热，放在保温桶内提取使用。焊接过程中，注意焊接顺序，严禁单边施焊，最大程度保证构件不变形。在焊接过程中，进行过程测量控制。

（4）待张弦梁全部拼装完成后，开始安装拉索和铸钢件，并对焊接完成的区域进行打磨，油漆。

（5）所有到现场的构件原则上按就近原则摆放到位，尽量减少二次倒运对构件本身产生的变形和油漆的破坏。为了减少油漆在拼装、吊装过程中的损伤，在所有构件与其他物体需要接触的区域绑上保温棉等软性材料，使其与接触物的接触面为软接触。

（6）焊接完成待冷却后，要做到及时打磨、及时探伤、及时涂装，以防止构件长时间暴露在空气中而发生锈蚀。

3.3张弦梁张拉索施工

（1）预应力钢索制作加工由预应力钢索专业生产厂家完成，下料采用“应力下料法”，将开盘在200～300MPa拉应力下的钢丝或钢绞线调直，消除一些非弹性因素的影响。

（2）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。

（3）安装拉索。首先使用吊车将成盘钢索放置于放索盘上，使用卷扬机及导链将其放开，放索过程中分清拉索的左右端；安装过程中，沿桁架拉索一端进行，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。

（4）预应力钢索张拉采用双控，即张拉力控制为主、监测钢结构变形为辅助。预应力钢索张拉完成后，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10％时，应暂停张拉，待查明原因，并采取措施后，再继续张拉。张拉设备形心与与预应力钢索在同一轴线上，以保证预应力钢索在进行张拉时不产生偏心。张拉时，要控制给油速度，给油时间不应低于0.5min。

（5）在预应力钢索进行张拉时，钢结构会随之变形。在预应力钢索张拉的过程中，结合施工仿真计算结果，对钢结构变形进行监测，每一榀桁架布置5处变形监测点，用全站仪或者水准仪进行监测，对观测数据及时分析处理。

（6）索力调整应在吊装完成后，桁架间的檩条等未施工前进行。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，则应进行索力的二次调整监测。

3.4张弦梁安装

（1）张弦梁吊点位置、吊索与张弦梁的角度大小对张弦梁的结构变形、索力损失影响较大，应通过计算合理确定。张弦梁吊装采用单机四点60°吊角吊装方案。

（2）中柱上端分叉柱承受左右两侧的张弦梁，双向受力。吊装前，应通过计算确定安装张弦梁另一侧分叉柱的配重，防止钢柱受力偏心。

（3）吊装前，应组织进行试吊。试吊装的时间不宜过长，一般控制在10分钟左右。张弦梁离开胎架的距离控制在10cm以内，试吊后要对吊机、索具进行一次全面的检查。对所发生的异常情况，应采取措施加以解决，必要时应再进行一次试吊装。

（4）张弦梁起吊时要小心谨慎，应仔细检查吊点，吊具及吊绳，并栓好导航绳，并注意不要碰坏钢柱。吊装时，将张弦梁销轴的下耳板与柱顶的耳板连接在一起，随张弦梁一起提升到指定位置。张弦梁吊装到位后，先将连接板对准分叉柱上的中心线，进行焊接。下耳板在张拉时采用滑动形式，待张拉完成后进行下耳板的焊接。

（5）安装就位后，检测索力是否恢复到地面张拉索力，屋面檩条安装完后，根据实际监测结果判断是否需要进行二次张拉，并调整拉索索力。

（6）张弦梁安装到位后，所有的人员上下必须佩带安全带，通过爬梯上下。五级以上大风严禁吊装，原则上不允许夜晚或光线不足的情况下吊装。

3.5结束语

本工程将高空拼装和张拉全部改为地面低空作业，作业安全性有保证，减少了高空张拉的时间，缩短了施工工期，取得了较好的经济效益。将仿真模拟计算和现场监控结合，进一步提高了工程质量和安全的可靠性。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。