档案馆工程大吨位预应力悬臂钢桁架结构施工技术

王云，唐来顺

（江苏省建设集团公司，江苏 南京 210008）

1 工程概况

江苏省档案馆工程位于南京市河西新城区中部地区，工程总建筑面积约4.8万m2,地下一层、地上七层，室外地面到主屋面高度为33.4 m，突出屋面塔楼一层。其中五层以下为混凝土框架与劲性钢骨柱结构，五层以上为全钢结构，屋面大桁架为预应力平面桁架结构，五层以上5轴向左和D轴向下区域为大悬臂区域，由屋面大桁架端部吊柱下挂悬吊5、6层钢结构。整个屋盖设计有18榀预应力主桁架结构，在主桁架上弦和下弦穿入1860级Ф15.2无粘结环氧喷涂钢绞线，钢绞线抗拉强度标准值 fptk=1860 MPa，弹性模量 Es=1.95×105MPa，直径d=15.2 mm，单根截面面积为139 mm2，其中大截面大吨位预应力悬臂钢桁架的制作、吊装及布索具有相当的施工难度。该工程布置预应力索臂钢桁架构造如图1和图2所示。

图1 未布预应力索悬臂钢桁架构造

图2 布置预应力索悬臂钢桁架构造

2 预应力钢桁架精细化制作技术

大跨度、大吨位箱型构件体积庞大，制作精度要求高，包括拉索的布置，其关键制作流程包括：精确下料与预拼、腹板及隔板坡口的精致制作、胎架的制作、高质量的焊接及检验、表面处理和预处理技术以及全过程的监督、检查及不合格品控制等。

在下料的过程中采用数控精密切割，对接坡口采用半自动精密切割且下料后进行二次矫平处理，而腹板两长边采用刨边加工隔板及工艺隔板组装的加工，其要求在组装前对四周进行铣边加工以作为大跨箱形构件的内胎定位基准，并在箱形构件组装机上按T形盖部件上的结构定位组装横隔板；组装两侧T型腹板部件，与横隔板、工艺隔板顶紧定位组装，考虑承载力的需要，大跨度、大吨位箱型构件采用单元模块化整体制作技术，并采用结构内部施加局部预应力的方式进行整体制作安装。

制作无粘结预应力筋的钢绞线，其性能应符合国家标准 《预应力混凝土用钢绞线》（GB/T5224-2003）的规定，无粘结预应力筋用的钢绞线不应有死弯，当有死弯时必须切断，无粘结预应力筋中的每根钢丝应是通长的且严禁有接头，采用的无粘结预应力筋系指带有专用防腐油脂涂料层和外包层的无粘结预应力筋，所采用的单根钢绞线的技术性能如表1所示。

表1 单根钢绞线技术性能

预应力筋用锚具、夹具和连接器的性能均应符合现行国家标准《预应力筋用锚具、夹具和连接器》（GB/T 14370）的规定，在预应力筋强度等级已确定的条件下，预应力筋-锚具组装件的静载锚固性能试验结果应同时满足锚具效率系数等于或大于0.95和预应力筋总应变等于或大于2.0%两项要求。

3 大吨位悬臂预应力钢桁架的施工

3.1 预应力钢桁架安装的总流程（图3）

图3 预应力钢桁架安装总流程图

3.2 预应力钢桁架梁安装工序流程及要求

为便于钢桁架梁安装就位，型钢柱在工厂预制钢梁腹板加劲肋和下翼缘盖板，钢梁安装前测量、定位钢桁架梁安装中心线及标高并作明显标示，同时检查钢桁架梁安装节点板位置的正确性，并根据测量定位标准进行调整；钢梁进场后由质检技术人员检验钢梁的尺寸，对变形部位予以修复；钢梁吊装采用加挂铁扁担两绳四点法进行吊装，吊装过程中于两端系挂控制长绳；钢梁吊起后缓慢起钩，吊到离地面200 mm时吊起暂停，检查吊索及塔机工作状态，检查合格后继续起吊。吊到钢梁基本位后由钢梁两侧靠近安装；钢桁架梁就位后，在穿入高强螺栓前，钢桁架梁和钢柱连接部位必须先打入定位销，两端至少各2根，再进行高强螺栓的施工，高强螺栓不得强行穿入且穿入方向一致，并从中央向上下、两侧进行初拧，撤出定位销，穿入全部高强螺栓进行初拧、终拧；钢桁架梁在高强螺栓终拧后，应进行翼缘板的焊接；在钢梁与钢柱间焊接处采用6 mm钢板做衬垫、用气体保护焊或电弧焊进行焊接；在钢梁焊接24 h后请焊缝质量相关的检测人员对其质量进行无损探伤（图4）。

图4 预应力钢桁架安装工序流程

3.3 悬臂区域中悬挑桁架梁的施工技术

江苏省档案馆工程5层以上的5轴向左和D轴向下区域为大悬臂区域，由屋面大桁架梁下端部吊柱挂悬5、6层。悬挂桁架梁设计材质Q345，板厚30～80 mm，受现场条件限制，安排在生产厂家加工出合格的整榀悬挂梁以减少施工现场焊接工作量并保证工程质量。悬挂桁架梁分 HJ5、HJ6、HJ7、HJ8、HJ9、HJ11、HJ12、HJ13、HJ14、HJ15、HJ16 和HJC、HJD、HJE、HJG、HJH、HJJ、HJK 共 18 榀，其中桁架梁 HJC、HJD、HJE和桁架梁 HJ5、HJ6水平位置交叉，考虑受力工况和施工方便，其中HJ5、HJ6分段后现场高位组装焊接，单榀悬挂梁最大起吊重量48～70 t，起吊高度33.75 m。

其对应的施工顺序是先施工屋面大桁架，再施工5、6两层悬挂部分梁柱，楼板先浇筑5、6、7层非悬臂区楼板和屋面，待预应力张拉完屋面桁架再浇筑悬臂区楼板。前期准备要求 《施工组织设计》、《桁架梁安装方案》、《焊接工艺评定》已报验批准，施工人员已进行过安全教育、技术交底，关键工种已经过培训全部持证上岗；构件、原材料已进场并验收合格；施工机具、电器设备、大型吊装设备已进场验收合格；施工场地、道路、电源满足施工要求；施工用脚手架已搭设验收合格；F轴、G轴、H轴、J轴、K 轴/7轴、8轴、9轴、10轴、11轴、12轴、13轴、14轴、15轴、16轴钢骨柱、连接梁安装已到7层；对于五层E-H/8、9、10、12轴的钢梁由于跨度重量较大拟分段制作；钢梁的整榀重量在7～11.6 t不等，采用2台3T的卷扬机采取滑轮组装整体吊装。

钢梁的平面组装要求E-H/8、9轴钢梁位置位于二层大厅内设的工作间，其钢梁的组装必须在工作间屋顶面进行，组装前在工作间南北沿轴线在空隙和工作间屋顶面挑沿处要搭设一定宽度的支撑平台，高度结合工作间屋面高度14.80 m，走道高度14.50 m和北面挑沿高度15.0 m一并找平以便于钢梁连接；10、12轴钢梁在二层平台拼装前需拆除二层所有障碍脚手等；钢梁拼装后焊接结点在下面的焊缝用托板待就位后补焊，10/E轴无柱节点支撑，吊装前应先吊装9～10轴之间的梁，其后组装吊装钢梁支点；吊装前在钢梁的上翼缘位置焊接一个10 t标准吊耳，具体如图5所示。

图5 吊装设备及吊耳的设置

3.4 钢桁架与钢骨柱对接位

侧向稳定要求单榀钢桁架安装标高33.3 m，最长22.2 m，钢桁架最大截面高度4.9 m左右，最大重量70 t左右。在未形成分块稳定单元之前，钢桁架分段安装单元的侧向稳定性较差，需保证钢桁架的安装精度以确保施工过程的安全性，因此采用必要的工艺措施和侧向稳定措施。D轴、E轴、F轴、G轴、H 轴、J轴、K轴/5轴、6轴和D轴、E轴/7轴、8轴、9轴、10轴、11 轴、12 轴、13 轴、14 轴、15轴、16轴之间钢骨柱柱头下600 mm位置处之间用300#工字钢临时连系梁将钢骨柱焊接加固成刚性体，所有钢骨柱位置公差验收符合规范要求。第一榀钢桁架就位后，在钢桁架侧向用2道60 mm松紧螺栓来控制侧向失稳和定位；第二榀钢桁架就位后，将这两榀之间的连系梁焊接完尽快形成稳定的刚性体。钢桁架就位后，未焊接完吊机不容许摘钩。

吊装时要保证钢桁架的平衡以避免产生碰撞，悬挑梁应尽量放在吊机指定站位的作业半径内。因钢桁架进场后平行摆放，钢桁架吊装立起时应选取合适的吊点以避免产生过大的变形。在确定吊点和进行钢丝绳配置时，应调整好吊装的空间角度，且吊钩处于分段中心的正上方。为保证施工安全及便于操作，吊装时应在接口处设操作平台。吊装对接时各分段之间应设置工装件以确保各梁柱的对口精度，且避免过大的焊接变形。钢桁架吊装时应提前做好准备工作，就位时用2道60 mm松紧螺栓来调整左右角度和定位、用楔铁和千斤调整对接错口，其它高空安装的挂蓝、钢爬梯、安全带等安全设施也一并安装好和钢桁架一起吊装到位。钢桁架吊装就位对接焊时，先进行找正点焊牢固以保证钢桁架的垂直度、轴线和标高符合图纸设计标准要求，焊接时用两个焊工同时在悬挑梁同一立面进行对接焊。先进行钢柱横焊，再进行钢桁架对接焊的立焊－平焊－仰焊。桁架吊柱与钢柱节点如图6所示，钢桁架就位后应采取稳定措施，如增加临时支撑等防止侧向失稳,钢桁架焊接过程中应采用对称焊接以减少焊接变形，对接焊未完成前禁止吊机摘钩。

图6 桁架吊柱与刚节点构造

HJC钢桁架吊装中钢桁架梁 HJC、HJD、HJE和钢桁架梁HJ5、HJ6水平位置交叉，考虑受力工况和施工方便，HJ5、HJ6分段后现场焊接，HJC采取整体抬吊安装。吊装顺序为1/2HJ5－1/2HJ6－HJC－1/2HJ5－1/2HJ6 因桁架梁 HJC、HJ5、HJ6 下部悬空，因此在C轴交1/3轴和5轴之间下方要搭设承载排架以方便钢桁架梁HJC吊装时找正安装，排架承载载荷按钢桁架梁搁置重量考虑。实际安装中钢桁架梁重量主要由吊机负担载荷，排架只承载钢桁架梁一头部分重量，承重组合钢排架安装支撑平台要与5-6/D-E轴钢筋混凝土核心筒及周边已浇筑完的钢筋混凝土柱相牢固连接以保持稳定。

4 预应力拉索的施工

4.1 预应力拉索的工艺流程

拉索施工包括：制作、安装和张拉锚固，其施工流程如图7所示。

图7 预应力拉索施工工艺图

无粘结预应力钢绞线应采用适当包装以防止正常搬运中的损坏；无粘结预应力钢绞线盘径不应小于1.0 m，盘重不宜低于350 kg；无粘结预应力钢纹线宜成盘运输，在运输、装卸过程中吊索应外包橡胶、尼龙带等材料并应轻装轻卸，严禁摔掷或在地上拖拉，严禁锋利物品损坏无粘结预应力钢绞线；无粘结预应力钢绞线在成品堆放期间，应按不同规格分类成捆、成盘挂牌整齐堆放在通风良好的仓库中；露天堆放时严禁放置在受热影响的场所，不宜直接与地面接触并覆盖雨布。当每盘质量约为2000 kg时，成盘叠加堆放时不应超过10000 kg；吊装采用避免破损的吊装方式装卸整盘的无粘结预应力钢绞线；下料的长度根据设计图纸，并综合考虑各方面因素，包括孔道长度、锚具厚度、张拉伸长值、张拉端工作长度等准确计算无粘结钢绞线的下料长度，具体拉索下料长度计算公式如下所示：

式中：n的取值安装一端张拉时为1，两端张拉时为2。

同时，无粘结预应力钢绞线下料宜采用砂轮切割机切断。

4.2 预应力拉索张拉前的准备工作

拉索张拉前主体钢结构应全部安装完成并合拢为一整体以检查支座约束情况,考虑张拉时结构状态是否与计算模型一致以免引起安全事故；直接与拉索相连的中间节点的转向器以及张拉端部的垫板，其空间坐标精度需严格控制。张拉端的垫板应垂直索轴线以免影响拉索施工和结构受力。拉索安装、调整和预紧要求：①拉索制作长度应保证有足够的工作长度。②对于一端张拉的钢绞线束，穿索应从固定端向张拉端进行穿束；对于两端张拉的钢绞线束，穿索应从桁架下弦张拉端向5层悬挂柱张拉端进行穿束，同束钢绞线依次传入。③穿索后应立即将钢绞线预紧并临时锚固；拉索张拉前为方便工人张拉操作，事先搭设好安全可靠的操作平台、挂篮等，拉索张拉时应确保足够人，且人员正式上岗前进行技术培训与交底；设备正式使用前需进行检验、校核并调试以确保使用过程中万无一失。拉索张拉设备须配套标定，其要求：①千斤顶和油压表须每半年配套标定一次且配套使用，标定须在有资质的试验单位进行。②根据标定记录和施工张拉力，计算出相应的油压表值，现场按照油压表读数精确控制张拉力。索张拉前应严格检查临时通道以及安全维护设施是否到位以保证张拉操作人员的安全；索张拉前应清理场地并禁止无关人员进入以保证索张拉过程中人员安全；在一切准备工作做完之后且经过系统的、全面检查无误后，现场安装总指挥检查并发令后才能正式进行预应力索张拉作业。

4.3 预应力拉索张拉力的控制

钢绞线拉索的张拉点主要分布在5层吊柱的底部或桁架内侧悬挑上、下弦端，对于5层吊柱的底部，可直接采用外脚手架或根据外脚手架的搭设而搭设，对于桁架内侧上弦端，可直接站立在桁架上张拉。对于桁架内侧下弦端，需要在六层平面搭设2 m×2 m，高度约3.5 m的方形脚手平台，工作平台需能承受千斤顶、张拉工作人员、及其他设备等施工荷载，脚手架立杆强度及稳定要满足要求，张拉分两个循环进行，其张拉的控制值如表2、表3所示。

表2 第一循环张拉的有效预应力值

表3 第二循环张拉的有效预应力值

直线束一端张拉超张拉系数，以HJC为例直线束采用一端张拉的施工示意图如下图8所示，由于结构变形很小，在钢绞线逐根张拉过程中先后张拉对钢绞线的预应力的影响也很小，对于单根钢绞线张拉的孔道摩擦损失和锚固回缩损失，则通过超张拉来弥补预应力损失。

图8 直线束一端张拉示意图

4.4 预应力拉索施工质量控制措施

为保证钢绞线张拉施工顺利实施，提高拉索施工质量需采取以下措施：钢绞线制作长度应保证有足够的工作长度；穿索应尽量保证同束钢绞线依次穿入；穿索后应立即将钢绞线预紧并临时锚固；结构形成整体成形后方可进行张拉；为保证张拉锚固后达到设计有效预应力，在正式张拉前应进行预应力损失试验以测定摩擦损失和锚具回缩损失值，从而确定超张拉系数；同束钢绞线张拉顺序应注意对称的原则；直接与拉索相连的中间节点的转向器以及张拉端部的垫板，其空间坐标精度需严格控制。张拉端的垫板应垂直索轴线以免影响拉索施工和结构受力；千斤顶张拉过程中油压应缓慢、平稳并且控制锚具回缩量；千斤顶与油压表需配套校验，标定数据的有效期在6个月以内，严格按照标定记录，计算与索张拉力一致的油压表读数，并依此读数控制千斤顶实际张拉力；张拉过程中每个张拉点由一至两名工人看管，每台油泵均由一名工人负责，并由一名技术人员统一指挥、协调管理；拉索张拉过程中应停止对张拉结构进行其它项目的施工；拉索张拉过程中若发现异常应立即暂停，查明原因进行实时调整。

5 结语

江苏省档案馆工程上部钢结构预应力钢桁架施工技术难度大。基于实践经验及实际工况深入研究大吨位预应力钢桁架结构的安装技术，研究结果表明，预应力拉索的布置及内部预应力构件的安装是大吨位预应力桁架结构精细化制作的核心技术，基于施工总工艺流程的大吨位钢桁架安装及预应力拉索施工技术科学合理、安全可靠，是工程顺利进行的保证，解决了省档案馆工程悬臂区域悬挂预应力钢桁架的施工难度大、结构易于变形的技术问题和18榀钢结构体系的稳定性问题，其工程综合效益良好。

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