大跨度屋面的张弦桁架胎架张拉滑移施工技术

宝钢钢构有限公司 上海 200933

1 工程简介

本项目为上海市嘉定区体育中心拱式钢屋架安装工程，整个屋顶为张弦桁架-钢拉索结构。该工程的屋面结构质量约为600 t，东西方向的最大跨度为62.6 m，檐高为25 m。

屋面四周为钢混凝土牛腿作为桁架基座（平面布置见图1），横向主梁共10 榀，纵向次梁共9 道，整个屋盖内嵌于场馆中间，由于四周的土建结构已完工，故给屋架施工带来重重困难。

图1 施工平面布置

2 屋架工程安装难点及重点分析

（a）本工程桁架跨度较大，桁架分段进场拼接部位的挠度因网架自重超过设计值，如不加以控制其承载力和刚度无法满足设计要求，故需采取中部拼接部位设置滑道的方式。

（b）钢结构进场前土建结构已完工，主场馆门洞无法满足汽车吊进入场馆内施工，且楼板结构承重不满足设计要求，故主榀桁架采用300 t汽车吊在跨外吊装的方式。

（c）屋面桁架高空组拚，需搭设支撑胎架，高度超过20 m，胎架及楼板结构需进行受力验算。

（d）在滑移过程中，由于杆件内力改变而影响桁架挠度值，必须控制网架在滑移过程中的同步差，同时密切关注桁架变形及应力变化情况，确保构件满足设计结构状态和应力分布要求[1]。

（e）张拉施工时桁架产生变形，前后榀桁架连接时存在高差，影响构件组拼精度。为此，张拉施工需在支撑胎架同一标高上进行，即桁架拉索施加应力在刚脱离胎架（1～5 mm）并满足桁架起拱度的情况下方可推进滑移。

（f）拉索施工需在当榀桁架组拚完成后进行，索力一次性张拉到位；为确保工期，张拉和滑移交叉施工，并为后一榀桁架的连续组拚创造条件，胎架顶部（滑移轨道、牛腿宽度）设计和张拉应力设计尤为关键。

（g）张拉施工需进行计算机模拟试验，确定张拉参数。因采用胎架一次张拉到位的施工方式，已张拉成形的桁架应力分布情况在滑移阶段、整体卸载阶段会有差异，故需对桁架的张拉值进行目标修正。

（h）张弦结构在张拉施工阶段必须保证安全，包括桁架整体稳定性、构件和连接不超过允许承载力、结构变形满足要求，这就对施工过程监控提出了很高的要求，具体见图2。

图2 张弦桁架立面示意

3 胎架滑移安装施工

3.1 支撑胎架设计[2-4]

考虑到构件长度、运输、起吊能力等因素，单榀桁架需分3 段制作运输到场。由于桁架在分段吊装过程中不能立即形成稳定体系，因此需要在桁架拼接点下弦设置支撑胎架。结合现场状况分析，拟设置4 个支撑胎架：采用Φ89 mm钢管组合支撑胎架，格构胎架每节尺寸分别为：长（2 m）×宽（2 m）×高（1.5 m），如图3所示。

图3 胎架设计

3.2 滑移轨道梁及轨道设计

为满足桁架累积滑移，常规的做法是在原场馆土建牛腿结构之间搭设支撑架，在支撑架上部放置钢梁和滑移导轨。本项目从施工成本、安全、及操作便利角度考量，利用原有屋面（女儿墙部位）梁板作为桁架滑移端部支撑，安装滑移梁及轨道进行滑移施工，见图4。

图4 张弦桁架（端部）滑移现场

3.3 桁架端部牛腿设计

为满足桁架滑移需要，端部需加长，增设牛腿装置（图5）。牛腿结构包括滑靴、立柱牛腿、临时撑和桁架部分自身结构。通过SAP软件进行分析，各杆件的应力比较小，采用ABAQUS软件进行节点的有限元分析。滑靴安装最大支点反力450 kN荷载分析系数1.4，桁架上下弦杆固定。

计算结论：滑移牛腿结构最大应力为184 MPa，满足要求。

3.4 桁架中部滑移节点设计

仅靠桁架两端作为支撑点无法确保桁架的稳定性及满足形变要求，本次施工在桁架中部（胎架顶部）设置2 个支撑点。滑移施工总计设置4 个自爬式液压千斤顶，桁架端部2 个，中部等间距布置2 个。为确保千斤顶顺利顶推，同时防止桁架变形，专门设计了“抱箍”装置及在桁架间加设连杆，以增加2 榀桁架间的整体刚度（图6）。

图5 桁架端部增设牛腿

图6 张弦桁架中部滑移顶推节点

3.5 滑移系统

常规滑移牵引动力采用卷扬机设备，本项目采用同济大学“液压同步滑移技术”，采用液压爬行器作为滑移驱动设备。液压爬行器为组合式结构，一端以楔型夹块与滑移轨道连接，另一端以铰接点形式与滑移胎架或构件连接，中间利用液压油缸驱动爬行。

液压爬行器的楔型夹块具有单向自锁作用。当油缸伸出时，夹块工作（夹紧），自动锁紧滑移轨道；油缸缩回时，夹块不工作（松开），与油缸同方向移动（见图7）。

图7 爬行器工作示意

本工程中共设置1套TL-CS 11.2型双泵液压系统，共需要 60 kW 功率。此泵站固定在第1、2榀立柱间，随桁架滑移。滑移过程中需要将相应的二级电源配电箱提供到液压泵源系统附近 4～5 m范围内。

钢结构屋盖质量约500 t，钢-钢滑移面摩擦因数0.2，爬行器的顶推力大于1 000 kN，考虑到滑移结构的稳定性，配置4 台爬行器，每台爬行器的顶推力1 000 kN，4 台爬行器的顶推力4 000 kN，满足滑移要求。

3.6 张拉施工

本次施工采用胎架张拉方式，当榀桁架组拚后，在操作平台外侧（胎架牛腿底部）进行拉杆、拉索安装，随后安装张拉工装设备，在滑移前完成张拉作业。

拉索设计：屋面鱼腹式桁架部分的下弦采用光面高钒索（GALFAN拉索），拉索的钢丝表面采用GALFAN镀层（锌-5％铝-混合稀土合金），拉索索体公称抗拉强度为1 670 MPa，钢索公称Φ90 mm。高钒索总计8 根，主体钢结构安装完成后，在檩条安装之前，索张拉后，索产生的拉力以抵消张弦梁及联系梁自重变形为标准。

索的安装、张拉的次序、分级、标高的控制、索力的大小应按照经设计方确认的预应力施工张拉分析报告进行。索系的张拉施工应在混凝土埋件、钢屋面、支座节点等达到设计要求后进行。屋面恒载、设备马道等附加静载须在索系施工完毕后施加。

钢拉索中建立的预应力值，是整个受力状态满足设计及使用要求的关键所在，因此张拉时一定要认真仔细，在张拉过程中随时测试预应力值及测量结构的几何变形，随时对拉杆进行调整。

3.7 整体卸载

桁架拼焊、张拉、滑移推进到指定位置，采用桁架两端架设千斤顶的方式进行整体卸载，千斤顶同步操作，确保卸载就位过程桁架受力均衡（图8）。

图8 桁架整体卸载就位

4 结语

胎架张拉滑移方案在我国钢结构工程中应用比较少见，故对所采用的滑移轨道及牵引设备均需要经过准确计算。为实现顺利滑移，本项目巧妙地进行了端部牛腿设计，并采用自爬式液压顶推和计算机同步控制实现了累计滑移。在施工过程中，采用了计算机模拟和现场修正的方式进行变形监控，解决了同步差控制问题，桁架变形及应力变化情况均满足设计结构状态和应力分布要求，其施工技术可为类似工程提供借鉴和参考。