檔案館工程大噸位預(yù)應(yīng)力懸臂鋼桁架結(jié)構(gòu)施工技術(shù)

王云，唐來順

（江蘇省建設(shè)集團(tuán)公司，江蘇 南京 210008）

1 工程概況

江蘇省檔案館工程位于南京市河西新城區(qū)中部地區(qū)，工程總建筑面積約4.8萬m2,地下一層、地上七層，室外地面到主屋面高度為33.4 m，突出屋面塔樓一層。其中五層以下為混凝土框架與勁性鋼骨柱結(jié)構(gòu)，五層以上為全鋼結(jié)構(gòu)，屋面大桁架為預(yù)應(yīng)力平面桁架結(jié)構(gòu)，五層以上5軸向左和D軸向下區(qū)域為大懸臂區(qū)域，由屋面大桁架端部吊柱下掛懸吊5、6層鋼結(jié)構(gòu)。整個屋蓋設(shè)計有18榀預(yù)應(yīng)力主桁架結(jié)構(gòu)，在主桁架上弦和下弦穿入1860級Ф15.2無粘結(jié)環(huán)氧噴涂鋼絞線，鋼絞線抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值 fptk=1860 MPa，彈性模量 Es=1.95×105MPa，直徑d=15.2 mm，單根截面面積為139 mm2，其中大截面大噸位預(yù)應(yīng)力懸臂鋼桁架的制作、吊裝及布索具有相當(dāng)?shù)氖┕るy度。該工程布置預(yù)應(yīng)力索臂鋼桁架構(gòu)造如圖1和圖2所示。

圖1 未布預(yù)應(yīng)力索懸臂鋼桁架構(gòu)造

圖2 布置預(yù)應(yīng)力索懸臂鋼桁架構(gòu)造

2 預(yù)應(yīng)力鋼桁架精細(xì)化制作技術(shù)

大跨度、大噸位箱型構(gòu)件體積龐大，制作精度要求高，包括拉索的布置，其關(guān)鍵制作流程包括：精確下料與預(yù)拼、腹板及隔板坡口的精致制作、胎架的制作、高質(zhì)量的焊接及檢驗、表面處理和預(yù)處理技術(shù)以及全過程的監(jiān)督、檢查及不合格品控制等。

在下料的過程中采用數(shù)控精密切割，對接坡口采用半自動精密切割且下料后進(jìn)行二次矯平處理，而腹板兩長邊采用刨邊加工隔板及工藝隔板組裝的加工，其要求在組裝前對四周進(jìn)行銑邊加工以作為大跨箱形構(gòu)件的內(nèi)胎定位基準(zhǔn)，并在箱形構(gòu)件組裝機(jī)上按T形蓋部件上的結(jié)構(gòu)定位組裝橫隔板；組裝兩側(cè)T型腹板部件，與橫隔板、工藝隔板頂緊定位組裝，考慮承載力的需要，大跨度、大噸位箱型構(gòu)件采用單元模塊化整體制作技術(shù)，并采用結(jié)構(gòu)內(nèi)部施加局部預(yù)應(yīng)力的方式進(jìn)行整體制作安裝。

制作無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋的鋼絞線，其性能應(yīng)符合國家標(biāo)準(zhǔn) 《預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線》（GB/T5224-2003）的規(guī)定，無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋用的鋼絞線不應(yīng)有死彎，當(dāng)有死彎時必須切斷，無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋中的每根鋼絲應(yīng)是通長的且嚴(yán)禁有接頭，采用的無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋系指帶有專用防腐油脂涂料層和外包層的無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋，所采用的單根鋼絞線的技術(shù)性能如表1所示。

表1 單根鋼絞線技術(shù)性能

預(yù)應(yīng)力筋用錨具、夾具和連接器的性能均應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《預(yù)應(yīng)力筋用錨具、夾具和連接器》（GB/T 14370）的規(guī)定，在預(yù)應(yīng)力筋強度等級已確定的條件下，預(yù)應(yīng)力筋-錨具組裝件的靜載錨固性能試驗結(jié)果應(yīng)同時滿足錨具效率系數(shù)等于或大于0.95和預(yù)應(yīng)力筋總應(yīng)變等于或大于2.0%兩項要求。

3 大噸位懸臂預(yù)應(yīng)力鋼桁架的施工

3.1 預(yù)應(yīng)力鋼桁架安裝的總流程（圖3）

圖3 預(yù)應(yīng)力鋼桁架安裝總流程圖

3.2 預(yù)應(yīng)力鋼桁架梁安裝工序流程及要求

為便于鋼桁架梁安裝就位，型鋼柱在工廠預(yù)制鋼梁腹板加勁肋和下翼緣蓋板，鋼梁安裝前測量、定位鋼桁架梁安裝中心線及標(biāo)高并作明顯標(biāo)示，同時檢查鋼桁架梁安裝節(jié)點板位置的正確性，并根據(jù)測量定位標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)整；鋼梁進(jìn)場后由質(zhì)檢技術(shù)人員檢驗鋼梁的尺寸，對變形部位予以修復(fù)；鋼梁吊裝采用加掛鐵扁擔(dān)兩繩四點法進(jìn)行吊裝，吊裝過程中于兩端系掛控制長繩；鋼梁吊起后緩慢起鉤，吊到離地面200 mm時吊起暫停，檢查吊索及塔機(jī)工作狀態(tài)，檢查合格后繼續(xù)起吊。吊到鋼梁基本位后由鋼梁兩側(cè)靠近安裝；鋼桁架梁就位后，在穿入高強螺栓前，鋼桁架梁和鋼柱連接部位必須先打入定位銷，兩端至少各2根，再進(jìn)行高強螺栓的施工，高強螺栓不得強行穿入且穿入方向一致，并從中央向上下、兩側(cè)進(jìn)行初擰，撤出定位銷，穿入全部高強螺栓進(jìn)行初擰、終擰；鋼桁架梁在高強螺栓終擰后，應(yīng)進(jìn)行翼緣板的焊接；在鋼梁與鋼柱間焊接處采用6 mm鋼板做襯墊、用氣體保護(hù)焊或電弧焊進(jìn)行焊接；在鋼梁焊接24 h后請焊縫質(zhì)量相關(guān)的檢測人員對其質(zhì)量進(jìn)行無損探傷（圖4）。

圖4 預(yù)應(yīng)力鋼桁架安裝工序流程

3.3 懸臂區(qū)域中懸挑桁架梁的施工技術(shù)

江蘇省檔案館工程5層以上的5軸向左和D軸向下區(qū)域為大懸臂區(qū)域，由屋面大桁架梁下端部吊柱掛懸5、6層。懸掛桁架梁設(shè)計材質(zhì)Q345，板厚30～80 mm，受現(xiàn)場條件限制，安排在生產(chǎn)廠家加工出合格的整榀懸掛梁以減少施工現(xiàn)場焊接工作量并保證工程質(zhì)量。懸掛桁架梁分 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，考慮受力工況和施工方便，其中HJ5、HJ6分段后現(xiàn)場高位組裝焊接，單榀懸掛梁最大起吊重量48～70 t，起吊高度33.75 m。

其對應(yīng)的施工順序是先施工屋面大桁架，再施工5、6兩層懸掛部分梁柱，樓板先澆筑5、6、7層非懸臂區(qū)樓板和屋面，待預(yù)應(yīng)力張拉完屋面桁架再澆筑懸臂區(qū)樓板。前期準(zhǔn)備要求 《施工組織設(shè)計》、《桁架梁安裝方案》、《焊接工藝評定》已報驗批準(zhǔn)，施工人員已進(jìn)行過安全教育、技術(shù)交底，關(guān)鍵工種已經(jīng)過培訓(xùn)全部持證上崗；構(gòu)件、原材料已進(jìn)場并驗收合格；施工機(jī)具、電器設(shè)備、大型吊裝設(shè)備已進(jìn)場驗收合格；施工場地、道路、電源滿足施工要求；施工用腳手架已搭設(shè)驗收合格；F軸、G軸、H軸、J軸、K 軸/7軸、8軸、9軸、10軸、11軸、12軸、13軸、14軸、15軸、16軸鋼骨柱、連接梁安裝已到7層；對于五層E-H/8、9、10、12軸的鋼梁由于跨度重量較大擬分段制作；鋼梁的整榀重量在7～11.6 t不等，采用2臺3T的卷揚機(jī)采取滑輪組裝整體吊裝。

鋼梁的平面組裝要求E-H/8、9軸鋼梁位置位于二層大廳內(nèi)設(shè)的工作間，其鋼梁的組裝必須在工作間屋頂面進(jìn)行，組裝前在工作間南北沿軸線在空隙和工作間屋頂面挑沿處要搭設(shè)一定寬度的支撐平臺，高度結(jié)合工作間屋面高度14.80 m，走道高度14.50 m和北面挑沿高度15.0 m一并找平以便于鋼梁連接；10、12軸鋼梁在二層平臺拼裝前需拆除二層所有障礙腳手等；鋼梁拼裝后焊接結(jié)點在下面的焊縫用托板待就位后補焊，10/E軸無柱節(jié)點支撐，吊裝前應(yīng)先吊裝9～10軸之間的梁，其后組裝吊裝鋼梁支點；吊裝前在鋼梁的上翼緣位置焊接一個10 t標(biāo)準(zhǔn)吊耳，具體如圖5所示。

圖5 吊裝設(shè)備及吊耳的設(shè)置

3.4 鋼桁架與鋼骨柱對接位

側(cè)向穩(wěn)定要求單榀鋼桁架安裝標(biāo)高33.3 m，最長22.2 m，鋼桁架最大截面高度4.9 m左右，最大重量70 t左右。在未形成分塊穩(wěn)定單元之前，鋼桁架分段安裝單元的側(cè)向穩(wěn)定性較差，需保證鋼桁架的安裝精度以確保施工過程的安全性，因此采用必要的工藝措施和側(cè)向穩(wěn)定措施。D軸、E軸、F軸、G軸、H 軸、J軸、K軸/5軸、6軸和D軸、E軸/7軸、8軸、9軸、10軸、11 軸、12 軸、13 軸、14 軸、15軸、16軸之間鋼骨柱柱頭下600 mm位置處之間用300#工字鋼臨時連系梁將鋼骨柱焊接加固成剛性體，所有鋼骨柱位置公差驗收符合規(guī)范要求。第一榀鋼桁架就位后，在鋼桁架側(cè)向用2道60 mm松緊螺栓來控制側(cè)向失穩(wěn)和定位；第二榀鋼桁架就位后，將這兩榀之間的連系梁焊接完盡快形成穩(wěn)定的剛性體。鋼桁架就位后，未焊接完吊機(jī)不容許摘鉤。

吊裝時要保證鋼桁架的平衡以避免產(chǎn)生碰撞，懸挑梁應(yīng)盡量放在吊機(jī)指定站位的作業(yè)半徑內(nèi)。因鋼桁架進(jìn)場后平行擺放，鋼桁架吊裝立起時應(yīng)選取合適的吊點以避免產(chǎn)生過大的變形。在確定吊點和進(jìn)行鋼絲繩配置時，應(yīng)調(diào)整好吊裝的空間角度，且吊鉤處于分段中心的正上方。為保證施工安全及便于操作，吊裝時應(yīng)在接口處設(shè)操作平臺。吊裝對接時各分段之間應(yīng)設(shè)置工裝件以確保各梁柱的對口精度，且避免過大的焊接變形。鋼桁架吊裝時應(yīng)提前做好準(zhǔn)備工作，就位時用2道60 mm松緊螺栓來調(diào)整左右角度和定位、用楔鐵和千斤調(diào)整對接錯口，其它高空安裝的掛藍(lán)、鋼爬梯、安全帶等安全設(shè)施也一并安裝好和鋼桁架一起吊裝到位。鋼桁架吊裝就位對接焊時，先進(jìn)行找正點焊牢固以保證鋼桁架的垂直度、軸線和標(biāo)高符合圖紙設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)要求，焊接時用兩個焊工同時在懸挑梁同一立面進(jìn)行對接焊。先進(jìn)行鋼柱橫焊，再進(jìn)行鋼桁架對接焊的立焊－平焊－仰焊。桁架吊柱與鋼柱節(jié)點如圖6所示，鋼桁架就位后應(yīng)采取穩(wěn)定措施，如增加臨時支撐等防止側(cè)向失穩(wěn),鋼桁架焊接過程中應(yīng)采用對稱焊接以減少焊接變形，對接焊未完成前禁止吊機(jī)摘鉤。

圖6 桁架吊柱與剛節(jié)點構(gòu)造

HJC鋼桁架吊裝中鋼桁架梁 HJC、HJD、HJE和鋼桁架梁HJ5、HJ6水平位置交叉，考慮受力工況和施工方便，HJ5、HJ6分段后現(xiàn)場焊接，HJC采取整體抬吊安裝。吊裝順序為1/2HJ5－1/2HJ6－HJC－1/2HJ5－1/2HJ6 因桁架梁 HJC、HJ5、HJ6 下部懸空，因此在C軸交1/3軸和5軸之間下方要搭設(shè)承載排架以方便鋼桁架梁HJC吊裝時找正安裝，排架承載載荷按鋼桁架梁擱置重量考慮。實際安裝中鋼桁架梁重量主要由吊機(jī)負(fù)擔(dān)載荷，排架只承載鋼桁架梁一頭部分重量，承重組合鋼排架安裝支撐平臺要與5-6/D-E軸鋼筋混凝土核心筒及周邊已澆筑完的鋼筋混凝土柱相牢固連接以保持穩(wěn)定。

4 預(yù)應(yīng)力拉索的施工

4.1 預(yù)應(yīng)力拉索的工藝流程

拉索施工包括：制作、安裝和張拉錨固，其施工流程如圖7所示。

圖7 預(yù)應(yīng)力拉索施工工藝圖

無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線應(yīng)采用適當(dāng)包裝以防止正常搬運中的損壞；無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線盤徑不應(yīng)小于1.0 m，盤重不宜低于350 kg；無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼紋線宜成盤運輸，在運輸、裝卸過程中吊索應(yīng)外包橡膠、尼龍帶等材料并應(yīng)輕裝輕卸，嚴(yán)禁摔擲或在地上拖拉，嚴(yán)禁鋒利物品損壞無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線；無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線在成品堆放期間，應(yīng)按不同規(guī)格分類成捆、成盤掛牌整齊堆放在通風(fēng)良好的倉庫中；露天堆放時嚴(yán)禁放置在受熱影響的場所，不宜直接與地面接觸并覆蓋雨布。當(dāng)每盤質(zhì)量約為2000 kg時，成盤疊加堆放時不應(yīng)超過10000 kg；吊裝采用避免破損的吊裝方式裝卸整盤的無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線；下料的長度根據(jù)設(shè)計圖紙，并綜合考慮各方面因素，包括孔道長度、錨具厚度、張拉伸長值、張拉端工作長度等準(zhǔn)確計算無粘結(jié)鋼絞線的下料長度，具體拉索下料長度計算公式如下所示：

式中：n的取值安裝一端張拉時為1，兩端張拉時為2。

同時，無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線下料宜采用砂輪切割機(jī)切斷。

4.2 預(yù)應(yīng)力拉索張拉前的準(zhǔn)備工作

拉索張拉前主體鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)全部安裝完成并合攏為一整體以檢查支座約束情況,考慮張拉時結(jié)構(gòu)狀態(tài)是否與計算模型一致以免引起安全事故；直接與拉索相連的中間節(jié)點的轉(zhuǎn)向器以及張拉端部的墊板，其空間坐標(biāo)精度需嚴(yán)格控制。張拉端的墊板應(yīng)垂直索軸線以免影響拉索施工和結(jié)構(gòu)受力。拉索安裝、調(diào)整和預(yù)緊要求：①拉索制作長度應(yīng)保證有足夠的工作長度。②對于一端張拉的鋼絞線束，穿索應(yīng)從固定端向張拉端進(jìn)行穿束；對于兩端張拉的鋼絞線束，穿索應(yīng)從桁架下弦張拉端向5層懸掛柱張拉端進(jìn)行穿束，同束鋼絞線依次傳入。③穿索后應(yīng)立即將鋼絞線預(yù)緊并臨時錨固；拉索張拉前為方便工人張拉操作，事先搭設(shè)好安全可靠的操作平臺、掛籃等，拉索張拉時應(yīng)確保足夠人，且人員正式上崗前進(jìn)行技術(shù)培訓(xùn)與交底；設(shè)備正式使用前需進(jìn)行檢驗、校核并調(diào)試以確保使用過程中萬無一失。拉索張拉設(shè)備須配套標(biāo)定，其要求：①千斤頂和油壓表須每半年配套標(biāo)定一次且配套使用，標(biāo)定須在有資質(zhì)的試驗單位進(jìn)行。②根據(jù)標(biāo)定記錄和施工張拉力，計算出相應(yīng)的油壓表值，現(xiàn)場按照油壓表讀數(shù)精確控制張拉力。索張拉前應(yīng)嚴(yán)格檢查臨時通道以及安全維護(hù)設(shè)施是否到位以保證張拉操作人員的安全；索張拉前應(yīng)清理場地并禁止無關(guān)人員進(jìn)入以保證索張拉過程中人員安全；在一切準(zhǔn)備工作做完之后且經(jīng)過系統(tǒng)的、全面檢查無誤后，現(xiàn)場安裝總指揮檢查并發(fā)令后才能正式進(jìn)行預(yù)應(yīng)力索張拉作業(yè)。

4.3 預(yù)應(yīng)力拉索張拉力的控制

鋼絞線拉索的張拉點主要分布在5層吊柱的底部或桁架內(nèi)側(cè)懸挑上、下弦端，對于5層吊柱的底部，可直接采用外腳手架或根據(jù)外腳手架的搭設(shè)而搭設(shè)，對于桁架內(nèi)側(cè)上弦端，可直接站立在桁架上張拉。對于桁架內(nèi)側(cè)下弦端，需要在六層平面搭設(shè)2 m×2 m，高度約3.5 m的方形腳手平臺，工作平臺需能承受千斤頂、張拉工作人員、及其他設(shè)備等施工荷載，腳手架立桿強度及穩(wěn)定要滿足要求，張拉分兩個循環(huán)進(jìn)行，其張拉的控制值如表2、表3所示。

表2 第一循環(huán)張拉的有效預(yù)應(yīng)力值

表3 第二循環(huán)張拉的有效預(yù)應(yīng)力值

直線束一端張拉超張拉系數(shù)，以HJC為例直線束采用一端張拉的施工示意圖如下圖8所示，由于結(jié)構(gòu)變形很小，在鋼絞線逐根張拉過程中先后張拉對鋼絞線的預(yù)應(yīng)力的影響也很小，對于單根鋼絞線張拉的孔道摩擦損失和錨固回縮損失，則通過超張拉來彌補預(yù)應(yīng)力損失。

圖8 直線束一端張拉示意圖

4.4 預(yù)應(yīng)力拉索施工質(zhì)量控制措施

為保證鋼絞線張拉施工順利實施，提高拉索施工質(zhì)量需采取以下措施：鋼絞線制作長度應(yīng)保證有足夠的工作長度；穿索應(yīng)盡量保證同束鋼絞線依次穿入；穿索后應(yīng)立即將鋼絞線預(yù)緊并臨時錨固；結(jié)構(gòu)形成整體成形后方可進(jìn)行張拉；為保證張拉錨固后達(dá)到設(shè)計有效預(yù)應(yīng)力，在正式張拉前應(yīng)進(jìn)行預(yù)應(yīng)力損失試驗以測定摩擦損失和錨具回縮損失值，從而確定超張拉系數(shù)；同束鋼絞線張拉順序應(yīng)注意對稱的原則；直接與拉索相連的中間節(jié)點的轉(zhuǎn)向器以及張拉端部的墊板，其空間坐標(biāo)精度需嚴(yán)格控制。張拉端的墊板應(yīng)垂直索軸線以免影響拉索施工和結(jié)構(gòu)受力；千斤頂張拉過程中油壓應(yīng)緩慢、平穩(wěn)并且控制錨具回縮量；千斤頂與油壓表需配套校驗，標(biāo)定數(shù)據(jù)的有效期在6個月以內(nèi)，嚴(yán)格按照標(biāo)定記錄，計算與索張拉力一致的油壓表讀數(shù)，并依此讀數(shù)控制千斤頂實際張拉力；張拉過程中每個張拉點由一至兩名工人看管，每臺油泵均由一名工人負(fù)責(zé)，并由一名技術(shù)人員統(tǒng)一指揮、協(xié)調(diào)管理；拉索張拉過程中應(yīng)停止對張拉結(jié)構(gòu)進(jìn)行其它項目的施工；拉索張拉過程中若發(fā)現(xiàn)異常應(yīng)立即暫停，查明原因進(jìn)行實時調(diào)整。

5 結(jié)語

江蘇省檔案館工程上部鋼結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力鋼桁架施工技術(shù)難度大?；趯嵺`經(jīng)驗及實際工況深入研究大噸位預(yù)應(yīng)力鋼桁架結(jié)構(gòu)的安裝技術(shù)，研究結(jié)果表明，預(yù)應(yīng)力拉索的布置及內(nèi)部預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的安裝是大噸位預(yù)應(yīng)力桁架結(jié)構(gòu)精細(xì)化制作的核心技術(shù)，基于施工總工藝流程的大噸位鋼桁架安裝及預(yù)應(yīng)力拉索施工技術(shù)科學(xué)合理、安全可靠，是工程順利進(jìn)行的保證，解決了省檔案館工程懸臂區(qū)域懸掛預(yù)應(yīng)力鋼桁架的施工難度大、結(jié)構(gòu)易于變形的技術(shù)問題和18榀鋼結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定性問題，其工程綜合效益良好。

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