大跨度预应力张拉拱桁架施工与监测

孙荣庆（扬州市万福城市投资发展有限公司， 江苏 扬州 225002）

0 引 言

随着社会的发展和科技的进步，建造大跨度、大空间和结构更加复杂的建筑以满足人们对生活空间的追求已成为可能。大跨度钢结构预应力张拉拱桁架具有减轻结构自重、提高结构承载力、节约钢材的优点。本工程采用了该项技术，使得整个结构形体更具有活力，也使其先进性、合理性和经济性得到充分展示。

1 工程概述

扬州体育公园体育场占地面积 36 533.42 m2，总建筑面积为 41 721.78 m2，总座席数量为 3 万座，建筑层数为 4层，地下 1 层。本工程钢结构分为上部屋盖罩棚结构和下部预埋劲性柱梁结构。屋盖罩棚为大跨度预应力张弦拱钢桁架结构，设置于西看台，由主拱、背拱、侧桁架（环桁架）、轴线桁架组成，两侧由 4 根弦杆，中间由 5 根弦杆组成的不规则四边、五边形桁架，内部布置马道。主拱西面通过 26榀轴向桁架与下部劲性结构连接，轴向桁架之间通过侧桁架、背拱和斜向撑杆连接。建筑物顶棚最高点结构标高(结构中心线）为 47.594 m (起拱后为 47.88 236 m)。主拱跨度为 280.707 m，弧长约 314 m，重量约 1 200 t，罩棚钢结构总吨位约 2 400 t。体育场俯瞰效果，如图 1 所示。

图1 体育场俯瞰效果图

2 施工工艺

大跨度屋盖预应力张拉拱桁架施工工艺流程如下：主拱地面拼装→主拱支撑胎架安装→主拱安装→轴向桁架安装→罩棚胎架安装→罩棚安装→主拱预应力施工→罩棚横向杆件支撑安装→罩棚胎架拆除→主拱胎架拆除→罩棚斜向支撑杆件安装→轴向桁架临时支撑拆除。钢结构构件安装施工平面布置，如图 2 所示。

图2 构件安装施工平面布置图

2.1 主拱地面拼装

2.1.1 分段原则

为保证主拱的拼装安全、吊装精度，避免大量的高空焊接，将 15 段主拱在地面按四大段进行拼装，A1～A4 为第一大段，A5～A8 为第二大段，A9～A11 为第三大段，A12～A15 为第四大段。

2.1.2 坐标转换原则

主拱分四大段在地面进行拼装，其实质相当于对各分段进行一次预拼装。拼装时将大段内主拱高的一端沿 55°平面斜放至地面，胎架依据弧型线进行设置。

2.1.3 建立拼装坐标系

每大段主拱拼装时，以第一根管起、终点为坐标系X轴，建立局部坐标系，用以控制拼装胎架、主弦杆、腹杆的定位坐标。

2.1.4 拼装胎架

主拱胎架设置原则是依据主弦杆出厂长度而定，每根弦杆下方设置两个胎架，胎架位置须避开腹杆，胎架柱下部与路基箱焊接（如图 3 所示）。

图3 胎架图

2.1.5 腹杆定位

主弦杆安装完成后，将每根腹杆的中心线与主拱的交点用全站仪定位在主弦杆上，然后根据该根腹杆直径设置两点标记，腹杆安装时以两点标记为参照点。

2.1.6 主拱地面拼装步骤

每段主拱由弦杆和腹杆组成，根据设计所定原则：先大后小、先厚后薄、先斜后直、先内后外，同时兼顾熔透焊缝的 UT 探伤，将每段主拱的腹杆分批进行安装。安装时先将主弦杆安装就位，然后依次安装各步骤腹杆。

2.1.7 主拱地面拼装注意事项

（1）严格执行拼装顺序：主拱腹杆拼装必须严格按照相应步骤进行，对于有熔透焊步骤必须经探伤合格后方能进行下一步拼装。

（2）腹杆拼接：在后续步骤中若有腹杆无法直接拼装时，须经现场相关管理人员确认，不可擅自切割。对于必须断开才能拼装的腹杆，采取增加腹杆对接口的方式进行，对接口为一级焊缝。

（3）控制焊接变形：主弦杆从下往上进行拼装，对口、找正完成后先进行临时固定，然后拼装第一批腹杆，拼装完成后进行整体测量（主弦杆对角线长度及弯曲矢高），符合要求后依次进行主弦杆和腹杆的焊接。

（4）胎架监测：安装时同步监测胎架沉降值，并将其作为拼装精度的调整值。

2.2 主拱支撑胎架安装

主拱支撑胎架主要用于支撑主拱结构施工。主拱胎架截面形式为 3 m×5.5 m。主拱支撑胎架共计 14 组，在地面用 50 t 履带吊和 25 t 汽车拼装成 12 m 的标准节，标准节重约 20 t。在地面拼装成大段后利用 QUY180 型 180 t 履带吊、56 m 主臂、24 m 副臂进行安装，同时安装轴向桁架的临时支撑，共计 6 根。

2.3 主拱安装

主拱在地面拼装完成和主拱支撑胎架安装完成后进行安装。安装主拱时利用 750 t 履带吊装，在吊装前首先确定主拱吊装参数、选择钢丝绳，确定安装布置吊点，吊机占位。主拱自两边向中间进行吊装，即先吊装一端 A1～A7段，待安装到合拢段后，吊机转场从另一端继续依次吊装A15～A9 段，最后吊装至合拢段，即主拱中间 A8 位置。

2.4 轴向桁架安装

在主拱吊装至 A5、A10 后，利用 QUY180 履带吊对轴向桁架、背拱、侧向桁架及斜撑杆进行安装。

2.5 罩棚胎架安装和罩棚安装

（1）在主拱及轴向桁架安装完成后，进行罩棚胎架的安装，罩棚胎架共计 12 组。罩棚胎架截面形式为 4 肢格构式截面，最大截面为 3 m×3 m，主肢 HW300×300，最小截面为 1.2 m×1.2 m，主肢 φ114×8，采用 180 t 履带吊进行安装。

（2）罩棚结构在地面拼装成块单元（径向桁架）（共计 7 片，A1～A7），用 750 t 履带吊进行吊装。

2.6 主拱预应力张拉

主拱及屋盖杆件焊接完成后，对两拱脚之间拉索预应力张拉。对拉索由 132 根 1 860 级 φ15.2 环氧喷涂 PE 钢绞线组成，单边端部按照 6 束分束布置，对应采用 22 孔防松夹片锚具，对索施加预拉力 5400 kN。拉索施工包括制作、安装和张拉锚固。具体为：施工机具准备→钢绞线在厂家定尺下料→编束加工并卷成整盘→运输到现场→采用卷扬机牵引放索（单次牵引 3～5 根钢绞线）→拉索安装端锚具→预紧并临时锚固→张拉→最终锚固→防松装置、保护罩安装。

（1）张拉机具：考虑到张拉力的均匀性，本工程采用250 t 千斤顶整束张拉。

（2）拉索张拉采用双控原则：控制钢绞线索内力和张拉点的水平位移，其中以内力为主。为了实现张拉力控制，把张拉力平均分成 20%→40%→60% →80%→100%五等分，分级控制；为弥补拉索及锚具松弛造成的预应力损失，拟进行 5% 的超张拉，张拉到位后，拧紧螺栓，张拉结束。具体的预应力拉张数据，如表 1 所示。

表1 预应力拉张数据

2.7 罩棚横向杆件支撑安装

在混凝土养护期间进行罩棚分块之间的横向杆件支撑安装，横向杆件支撑用 QUY 180T 履带吊进行吊装。

2.8 罩棚胎架和主拱胎架卸载和拆除

（1）支撑胎架卸载顺序：在拱脚对索张拉完成和罩棚支撑杆件安装完成后，进行罩棚支撑胎架的卸载。罩棚胎架卸载结束后，同时待拱脚混凝土养护强度达到设计要求后进行主拱支撑胎架的卸载。

（2）罩棚结构较轻，采用千斤顶进行其胎架卸载，最大卸载值为 25.8 mm，进行一次性卸载。

（3）主拱胎架卸载时存在三个方向位移，采用专项设计的同时满足三向位移的沙漏装置进行其胎架卸载，最大竖向卸载值为 175.4 mm。主拱胎架分级卸载，卸载时以20 mm 为一级，分 9 级进行卸载。

（4）当罩棚胎架和主拱胎架卸载完成后开始进行罩棚胎架和主拱胎架的拆除。

2.9 罩棚斜向支撑杆件安装和轴向桁架临时支撑拆除

主拱胎架卸载完成后，开始进行罩棚斜向支撑杆件安装和轴向桁架临时支撑拆除。

3 现场钢结构质量控制措施

3.1 构件进场报验

构件进场后，施工方填写构件进场报验单，提供构件出厂确认单等有关资料，报监理验收，未经报验通过的构件不得进行拼装和焊接。

3.2 焊接前确认检验

构件拼装结束，正式焊接前，施工单位应进行自检，提供错边、间隙等自检资料，提供构件拼装测量资料，并对上一安装单元有关对接口的测量资料进行核对检查，核查合格后，报监理工程师进行焊接前检查确认。

3.3 焊接质量控制

（1）根据母材材质、焊接位置，现场地面组装焊接采用二氧化碳气体保护焊（相贯口可采用手工电弧焊)，高空组装焊接采用手工电弧焊或药芯焊丝二氧化碳气体保护焊。

（2）拼装胎架位置需避开焊接接点的位置，最小高度约 800 mm，以便焊接、矫正与检查。

（3）桁架上下弦对接处，应预留 3 mm 左右焊接收缩余量，同时装设内衬板，以保证对接光滑，焊缝平整。

（4）拼装完毕后焊接前应进行全面的尺寸检查，避免拼装过程中因地基的局部沉降而影响拼装精度，如发现个别点位出现偏差，应采用千斤顶和斜坡垫进行调整。

（5）焊接前对拼装构件进行检验，特别是坡口质量检查，确保坡口间隙和坡口角度符合设计及焊接要求。焊接时，实施多人对称焊接，焊接量大的部位应先焊接，最大限度减少焊接变形。

（6）做好焊前预热与焊后消氢。弦杆材质分为 Q460E、Q345GJC 两类，壁厚最薄的为 16 mm（Q460E），最厚的为 60 mm（Q345GJC），为确保焊接质量，根据焊接工艺评定，对母材采用电加热片进行预热，加热区域为焊缝坡口两侧各 200 mm。焊后利用预热设备将焊缝处升温至 250℃，保温时间根据壁厚每 25 mm板厚不小于 0.5 h，且总保温时间不小于 1 h，达到保温时间后缓冷至常温。

（7）桁架拼装结束后，应进行外形尺寸检查，以作为安装就位的依据和后续桁架拼装的参照依据，避免误差累积。

（8）由于主桁架分段拼装，故必须严格控制分段点的尺寸精度，以确保主桁架分段高空能够顺利进行对接，避免出现错口现象。

3.4 第三方探伤、焊接、拼装检验批检验

拼装单元在焊接过程中，施工方和监理对施工过程进行检查。焊接结束后，在规定时间间隔后进行自检探伤，不合格焊缝需要进行返修，返修后在规定间隔时间后进行再次探伤，全部自检探伤合格后，进行第三方见证探伤，第三方探伤合格、经施工方和监理共同对焊缝外观进行检查，合格后签认焊接检验批验收记录。

4 工程难点及其应对措施

4.1 工期要求紧

本项目施工区域主要集中在场馆内部。由于工期要求紧迫，可流水线施工的工序必须全面开展，临时措施如拼装胎架、挡风棚、机械设备及人力资源等均需成倍增加。针对工期紧张，首先制定详细的施工计划和措施，对各项工作按工期要求进行细致的安排，同时采取人闲机不闲，专业工种保驾的策略。

4.2 钢结构体系复杂

钢结构主拱向西倾斜 55°，为大跨度预应力张弦拱桁架，受力体系复杂，且要求罩棚分块之间的横向杆件支撑和斜向支撑杆件须处在无应力状态下焊接，施工难度较大。为确保结构安装过程及胎架卸载过程安全可靠，利用有限元软件 SAP2000 对施工进行非线性过程模拟分析，为施工提供理论依据，指导现场施工。与主拱连接的杆件焊接部分，均预制牛腿（无应力段），以达到设计要求的无应力状态焊接，牛腿的安装坐标根据支撑胎架卸载后主拱结构的坐标而定。

4.3 节点形式多样，同节点处相贯复杂

本工程节点形式包括插板式、相贯式、铸钢件连接式、锥体式。其中相贯节点位置腹杆最多达到 11 根，依据设计要求“先大后小、先厚后薄、先斜后直、先内后外”的原则，主拱单元的腹杆装、焊转换步骤多达 8 步，对拼装及焊接要求高。为此，对所有节点进行逐个梳理，并结合设计的相关要求制定合理的组焊工艺。安装各区域焊缝要求以离该区域最近的杆件为参照，按原规则实施，同时满足角度要求和焊工操作空间方按熔透焊缝考虑。

4.4 高强钢占比大

罩棚结构 Q460E 材质占比为 48.6%，由于 Q460E 材料可焊性及可加工性能较差，对加工工艺、焊接参数（电流、电压、线能量、层间温度）、预热、消氢等要求非常苛刻。本工程大量使用 Q460E 高强度钢板（卷管用）、无缝管，而高强度钢对温度较为敏感，为确保焊接质量，采用措施如下：

（1）施工前对 Q460E 进行了 70 项焊接工艺评定，40项焊接试验；

（2）对每个节点的焊缝要求进行逐个梳理；

（3）焊接前根据工艺评定、试验结果进行挂牌管控；

（4）焊接口材质用不同颜色进行标识，避免焊材混用；

（5）现场焊接时对每道焊接进行焊前、焊中、焊后管控。

4.5 焊接量大难度大

鉴于上述复杂的钢结构体系、形式多样的节点和采用了高占比的高强钢等因素外，本工程焊接吊装分段多，现场焊缝长度长，焊接工作量大和焊接形式多。如，焊接既有薄板焊接，又有厚板焊接；既有平焊、立焊，又有仰焊，既有高强钢的焊接，又有铸钢件的焊接。薄板焊接变形大，厚板焊接熔敷量大，温度控制和劳动强度要求高，而高空焊接、冬雨季焊接的防风雨防低温措施更使得焊接难度增大。

4.6 安装精度控制难

由于施工过程中结构本身因自重和温度变化均会产生变形，而且支撑胎架在荷载作用下也会产生变形，加之结构形体复杂，安装精度受现场环境、温度变化等多方面的影响，安装精度极难控制。施工时必须采取必要的措施，提前考虑好如何对安装误差进行调整和消除，现场进行测量和监控，使安装在受控状态下完成，以保证整体造型和施工质量。

4.7 主拱支撑胎架卸载难度大

经施工模拟计算，主拱胎架在卸载过程中卸载值高达175.6 mm，胎架支撑反力 162.7 t，且同时在 X、Y 平面内也存在较大位移，须设置合理的卸载措施，保证过程安全。对于主拱卸载装置，由于主拱结构跨度大从而造成支撑胎架卸载值较大，为保证卸载过程安全，避免产生较大冲击，同时实现三方向位移控制，本工程选用沙漏卸载装置进行胎架卸载操作。

5 对主拱和轴向桁架部位应变和位移进行施工期监测

5.1 应变监测

5.1.1 测试概况

应变测试仪拟采用 DH3821 静态应变测试分析系统静态应变仪。应变测试工作分为四个测试阶段，第一阶段采集监测结构张拉过程中应变，第二阶段为张拉结束后罩棚胎架卸载后应变，第三阶段为主拱胎架卸载过程中应变，第四部为膜结构安装过程中监测。在应变采集过程中参照设计院提供的各个阶段的应变预警值，出现预警情况，立即反馈信息。应变测点应变计采用表面焊接方式固定。监测共有6个测点，每个测点布控 4 个应变计。

5.1.2 监测方案

（1）根据安装主拱与支撑拱的顺序，依照测点节点位置，在现场安装好应变计，保护好传感器保证高的灵敏度。

（2）待主拱与支撑拱吊装稳定后，进行首次测试，以观察应变计是否完好，确定完好后记录初次采集值。

（3）对第一步张拉阶段的监测。结构张拉前，先对测点进行采集。整个张拉过程分五级进行。进行第一级张拉后，待支座滑移稳定静止后，进行应变采集，进行第二级张拉，待支座滑移控制不动时，进行应变采集，依次完成预应变张拉过程中 5 级张拉的数据采集。

（4）对第二步罩棚胎架卸载阶段的应变采集。对罩棚胎架进行一次性卸载，待罩棚胎架卸载脱模后，结构稳定，进行数据采集。

（5）对第三步主拱胎架卸载时监测。主拱胎架分九级卸载完成。首先进行主拱胎架卸载前初始值监测。主拱胎架卸载开始，进行第一级卸载结构稳定后数据采集，采集完毕，进行第二次卸载，待第二次卸载稳定后，采集数据。依次进行第三次至第九次卸载，直至每级卸载完成后数据采集完成。数据采集要在每级卸载结构稳定后进行。

（6）对第四步膜结构安装后的监测。由于主拱胎架卸载后至第四步膜结构安装后采集时间间隔较长，所以在胎架拆除完后一段时间进行期间数据采集。在膜结构安装前，对整体钢结构进行数据采集，待膜安装完成稳定后，再次对钢结构整体进行数据采集。

（7）等胎架拆除全部完毕，在保证拆除稳定后的 2 h后，再次对整体结构进行数据采集。

（8）在以上数据采集过程，根据采集数据对比各个过程中的预警值，如发现采集值接近或者超过预警值，立即向项目管理及监理反馈信息，确保各个过程安全无误。

（9）待全部数据采集完成后，对数据进行分析处理，整理数据，出具报告。

5.2 位移监测

5.2.1 测试概况

对于各测点的位移情况，拟采用高精度全站仪进行各测点的三维空间位移监测。具体技术措施包括：在体育场场地周围建立测站点和基准点来确定初始空间坐标系，主要以固定不易位移和变形的站点为主；同时在各测点粘贴进口高精度十字反射片（进口）与焊接棱镜，作为长期测点使用。原理是通过测站点与基准点两个固定点建立相对坐标，确定各测点相对于此坐标系的空间位置，建立三点间的原始坐标关系，测试施工阶段各测点相对位移，位移共7个测点。

钢结构位移测试分为四个阶段：

（1）桁架拼装完成后测试每个测点对应测站与基准点的原始基础坐标、用测站与基准点建立空间假设坐标系，利用坐标系可以准确测试 X、Y、Z 综合位移的功能，便于施工过程中各个测点在各个方向相对位移的测量。

（2）预应力施加后分段测试各测点位移情况。将张拉过程分为5级，分别给出了每级预应力张拉的主拱位移量。用坐标法在每级张拉结束后，测试各测试点的位移量。

（3）罩棚及主拱卸载过程测试桁架各测点位移。测试步骤与卸载步骤统一，每卸载一级，立即测试所有测点的位移量。要求密切注意位移量控制范围，一旦发生超限情况，立即停止卸载工作分析原因。

（4）膜结构安装完成后测试桁架的位移、全部安装到位后测试位移与上次位移的差值。

通过各阶段测试测点在空间的位移量，计算分析出各测点在每个施工阶段的测点位移量是否符合设计单位制定的位移要求。

5.2.2 监测方案

（1）在主拱与罩棚吊装前做好所有测试准备工作。确定测点位置，在主拱与罩棚地面拼装时，将十字反射片与棱镜粘贴与焊接到测试位置。十字反射片用环氧树脂粘贴于测点的防火涂料上，防止脱落。

（2）在主拱吊装后，在体育场适当位置寻找可以测到每个测点的测站位置。在测站周边设立前视点，前视点设立于现场人员与车辆均不易接触到的位置。

（3）在测站与前视点位置确定后，将主拱上测点作为后视点建立假设空间坐标系。空间坐标系建立完成后，重新架设全站仪，复合前视点与后视点之间的坐标关系，如复合测试后两点的坐标关系符合原始坐标系中的位置差，视为此坐标系可以用于后续的位移测试。在张拉前测试好所有测点与前视点的坐标关系，便于张拉后计算各点相对位移差。

（4）张拉分五级实施，张拉中测试与张拉节奏同步。在每次张拉后，迅速读取个测点的坐标值，并计算相对于前视的相对位移量，如有超限情况立即停止张拉工作。

（5）在罩棚胎架拆除前测试相对坐标，待胎架拆除后测试一次各测点的相对坐标。计算胎架拆除后各测点相对拆除前的位移量是否符合设计位移量。

（6）主拱胎架拆除分九级实施，每级卸载竖向位移量为 20 mm，每级卸载后测试各测点的相对位移量，通过与前视点的差值，计算是否符合竖向位移的要求。

（7）膜结构安装测试，在主拱胎架拆除后，待后装杆件与膜结构全部安装到位后，单次测试钢结构各测点的总体位移量。

6 结 语

大跨度预应力张拉拱桁架结构具有其特有的优势，相信在以后的建筑工程中会被设计师们广泛应用，但此种结构易锈蚀和耐腐蚀性差，尤其在潮湿和有腐蚀介质环境中更容易锈蚀，因而维修成本较高。随着防锈蚀技术研发和新型防锈蚀材料的不断应用，该种类型建筑结构的应用前景将会更广阔。