超大跨度张弦拱形桁架空间原位施工技术

付小敏，张德欣，杜彦凯，马翠娟

（1.北京市机械施工集团有限公司，北京 100045；2.北京市建筑工程研究院有限责任公司 北京 100039）

1 工程概况

如图1、图2 所示，某工程封闭煤场钢结构工程平面投影尺寸286m×208.2m。钢结构煤棚轴线跨度202.2m，长度286m，东西方向轴间距35m，上部桁架上弦管芯高度54.61m。结构共有9 榀拱形桁架，其中7 榀预应力索主桁架、2 榀山墙桁架。相邻主桁架间设置11 榀次桁架，共计88 榀次桁架，东西两侧为山墙桁架。

图1 拱形桁架三维图

图2 结构平面布置图

主桁架为封闭煤棚主要受力构件，桁架弦杆最大截面规格为P500×25，最小截面规格为P299×8，拱形桁架为倒梯形立体桁架，桁架上弦宽度6m，下弦宽度4m，桁架高度6m（图3）。

图3 主桁架

2 技术特点

超大跨度预应力拱形桁架钢结构空间原位施工技术主要特点如下。

1）该施工技术既适用多段多阶超大跨度预应力拱形桁架设计位置安装，也可用于桁架空间平移后的“原位”安装。

2）大跨度拱形桁架采用现场拼装，分段安装高空对接的方法，单榀桁架安装时遵循从两端向中间顺序。

3）预应力索采用汽车起重机安装，局部登高车配合，先安装和张拉主索然后安装和张拉稳定索。主索采用两端张拉，稳定索单边张拉。

4）超大跨度桁架临时支撑点位设置要结合预应力拉索节点，临时支撑架兼做预应力拉索张拉操作平台。

5）临时支撑架主要采用山墙立柱桁架和山墙次桁架。

6）预应力拉索张拉和临时支撑卸载相互影响，张拉前须将稳定索与桁架连接节点处的临时支撑卸载。

3 关键技术

超大跨度张弦拱形桁架空间原位施工技术其主要施工流程为：桁架地面拼装→架设滑移轨道（采用整体滑移时需要）和临时支撑架→吊装主桁架第一、第五分段（拱脚分段）→主桁架第二、第四分段组拼→吊装中间分段→完成1 个单元吊装、焊接→拉索张拉→卸载支撑架（滑移）。

3.1 大型立体桁架整体卧拼技术

主桁架为弯曲空间立体桁架，跨度202.2m，弧长约265m，断面为6m×4m×（5～8)m（图4），弯曲矢高53.61m，单榀主桁架构件数量约520 根，拼装精度要求高，拼装难度大。根据结构的特殊性以及现场的具体施工条件，主桁架采用整体胎架分段卧拼的方式（图5）：将主桁架绕拱脚中心线连线旋转90 度放平，预起拱拼装；胎架立柱采用∅180×6 钢管间距6000mm，胎架牛腿采用HM148×100×6×9型钢；立柱间顶部设置通长通道。

图4 主桁架断面图

图5 桁架拼装流程

大跨度主桁架采用整体胎架在现场分段整榀拼装；次桁架、山墙连系桁架均采用整体卧拼的方式进行（图6）。

图6 主桁架现场拼装

3.2 临时支撑点位设置及支撑架

桁架支撑架设置时考虑靠近预应力索节点处拉索施工，本项目轴线跨度202.2m，共设置6 组临时支撑架；临时支撑架较高，两个成对使用，主要采用山墙结构抗风柱和山墙次桁架，以减少辅助工装（图7）。

图7 主桁架临时支撑

3.3 大型异形桁架吊装技术

3.3.1 桁架分段

结合临时支撑、吊装设备选择以及现场场地情况，将主桁架分成7 段，如图8 和表1 所示。

表1 桁架吊装分析

图8 主桁架分段图

3.3.2 大型复杂桁架构件翻身

如图9 所示，主桁架分段单元吊装前处于平卧状态，构件需要在吊装前转换位置进行构件翻身，采用两台履带起重机进行构件位置转换，其中1 台吊车按吊装主桁架方式进行吊索具设置（2个吊点），另1 台吊车进行辅助吊装，两台吊车同时起钩使构件脱离地面，辅助吊车静止，主吊车缓慢进行起钩，直至构件位置转换到设计位置后，2 台汽车起重机同时落钩，构件与地面接触后，辅助汽车起重机进行摘钩后，主汽车起重机重新设置吊索具进行桁架吊装。

图9 桁架吊装翻身示意图

3.3.3 中间桁架单车吊装

桁架吊装吊点选择在桁架上弦，每个吊次选择至少4 个吊点，吊点选择在上弦节点处，在吊装时，吊钩保证在吊装构件质心正上方，采取钢丝绳捆绑式吊装。

3.3.4 大型弧形桁架双机抬吊

拱脚桁架长度约24m，弯曲矢高2 450mm，重量约40t，起吊前平卧放置，就位时78°竖立放置，吊装采用双机抬吊翻身和扳起就位（图10）。

图10 弧形桁架双机抬吊

3.4 多段多阶桁架拉索张拉和支撑架卸载技术

3.4.1 多段多阶预应力拉索索力确定

根据设计单位提供的拉索预应力值，进行施工仿真计算，对索力进行工况分析，计算可得，索力变化曲线如图11 所示。

图11 索力变化曲线

3.4.2 拉索高空安装

桁架拉索分为受力索和稳定索，受力索分为主索和边索，稳定索为抗风索，每榀桁架安装完成后即开始拉索（图12、图13）。拱桁架最大跨度202m，受力拉索规格2×∅66 高钒索，每米重量约25kg，锚具重量约1.5t，单根拉索总重约5t。在放索过程中为了保护拉索还需要做到拉索和胎架不能发生碰撞，因此对高空放索安全要求很高。撑杆随主桁架一同吊装，拉索由吊车和登高车配合安装。

图12 拉索轴测图

图13 拉索现场安装图

3.4.3 拉索张拉和支撑架卸载技术

如图14 所示，主桁架吊装时，每榀主桁架分成7 段，共设置6 组临时支撑架。主桁架钢索张拉时对临时支撑架受力会产生明显影响。施工时，靠近拱脚的两组临时支撑在拉索张拉前先行卸载；受力主索张拉完成后，安装拉索交叉节点斜拉杆和稳定索，张拉稳定索至设定值，完成多段多阶预应力拉索张拉；按位移逐级卸载中间四组临时支撑架，采用火焰和沙漏卸载。

图14 拉索张拉和临时支撑卸载流程

如图15 所示，桁架张弦主索在桁架两端均设置调节端，采用两端张拉的方式，双端张拉。一端先张拉50%，然后到另一端张拉至100%。张弦稳定索采用调节端单端张拉方式。

图15 拉索张拉方式

桁架拉索张拉力最大约200t，张拉过程中1台油泵带2 个150t 千斤顶工作。预应力钢索张拉采用双控，以索力控制为主、变形控制为辅。预应力钢索张拉完成后，应立即测量校对。如发现异常，应暂停张拉，待查明原因，并采取措施后，再继续张拉。油泵启动供油正常后，开始加压，当压力达到钢索设计拉力时，超张拉5%左右，然后停止加压，完成预应力钢索张拉。张拉时，要控制给油速度，给油时间不应低于0.5min。

4 结语

该煤场封闭钢结构工程超大跨度预应力拱形桁架共7 榀，桁架跨度大、杆件多，单榀桁架重量大、施工场地受限，又要保证电厂发电工作的正常运转，因此施工难度极大。采用本施工方法，高质高效完成了7 榀张弦拱形桁架的施工，安装过程中计算最大扰度为96mm，实际预起拱105mm，实测竖向变形为100mm 与模拟值非常吻合。

本文施工方法临时支撑架设置考虑拉索施工，减少了拉索操作架；临时支撑架采用结构构件周转，减少施工辅助工装材料；多段多阶预应力索索力一次张拉完成，施工简单方便；地面整体拼装，空间原位安装，预应力拉索原位安装张拉，工程施工精度高；此方法可以在设计位置安装，也可以是设计位置平移后的“原位”，配合滑移施工时可以不是轴线位置安装，施工比较灵活。在既有厂区采用此施工方法经济合理、安全可靠，还解决了大跨度张弦拱形钢结构的受力索、稳定索之间的张拉以及支撑架的卸载问题，可供类似工程提供借鉴。