預(yù)應(yīng)力穹頂鋼結(jié)構(gòu)安裝施工實踐

孟向惠 王 榮 盧 敏 王 成

正威科技集團有限公司 江蘇 泰州 225500

1 工程概況

某工程總建筑面積約20 000 m2，屋頂采用索桿預(yù)應(yīng)力穹頂結(jié)構(gòu)體系，穹頂半徑為29.5 m，穹頂頂標高為17.5 m。幕墻穹頂工程量約3 300 m2，玻璃采用8＋2.28PVB＋8＋12A＋10雙鋼化夾膠中空LOW-E玻璃。立面幕墻工程量約620 m2，玻璃采用12＋12A＋12雙鋼化中空LOW-E玻璃。

2 方案選擇

利用計算機輔助控制在工廠內(nèi)進行構(gòu)件的切割制作，并將其運至現(xiàn)場施焊成鋼管桁架。根據(jù)結(jié)構(gòu)荷載和施工荷載設(shè)計工裝支架基礎(chǔ)及工裝支架，將穹頂頂部的中心環(huán)形桁架架設(shè)到工裝支架上，并滿足設(shè)計標高及軸線要求，再對稱將每榀主桁架依次吊裝焊接到支座及環(huán)形桁架上，施工過程中對每榀主桁架上的預(yù)應(yīng)力索預(yù)加部分應(yīng)力，減輕工裝支架的荷載，主桁架完成后進行次桁架安裝，最后對預(yù)應(yīng)力索施加剩余的應(yīng)力，并反復(fù)調(diào)校，達到應(yīng)力及變形協(xié)調(diào)要求后，拆除工裝支架。

3 施工工藝流程及操作要點

3.1 施工工藝流程

廠內(nèi)穹頂構(gòu)件制作→支座安裝施工→現(xiàn)場構(gòu)件焊接→中心支撐工架搭設(shè)→中心環(huán)形桁架安裝→主桁架安裝→預(yù)應(yīng)力索安裝及初張拉→次桁架（支撐）安裝→預(yù)應(yīng)力索最終張拉→防腐油漆涂裝→支撐工架拆除

3.2 支座安裝施工

確認控制坐標點、高程點準確無誤后，使用全站儀對支撐16榀主桁架的混凝土柱進行定位，測出其軸線、控制線以及標高并安排專人對其進行校對，確保測量精度?；炷翝仓林ё鶚烁咛帒?yīng)及時布置支座預(yù)埋件，用全站儀每隔0.5 h校核一次預(yù)埋件的控制線和標高，直至混凝土終凝，確保支座安裝精度。

3.3 現(xiàn)場構(gòu)件焊接

1）構(gòu)件焊接時先焊接主桁架，后焊接次桁架。考慮到施工現(xiàn)場小的問題，主桁架焊接共分3次集中進行，先焊接部分主桁架，驗收合格后立刻安裝主桁架。桁架鋼管在專用胎具上進行焊接，胎具使用20號槽鋼以上的型鋼作立柱和橫梁，胎具按照實際鋼管間距進行放樣點焊固定，柱角滿焊設(shè)置。使用手拉葫蘆將桁架鋼管架設(shè)至胎具上，每榀主桁架設(shè)置6個胎具，次桁架設(shè)置3個胎具并均勻布置（圖1）。

2）根據(jù)工程特點和設(shè)計要求編制詳細的焊接專項施工方案，并嚴格按方案進行施工[1-3]。

3.4 中心支撐工架搭設(shè)

穹頂中心支撐工架的數(shù)據(jù)經(jīng)過詳細的計算，并結(jié)合了專家組的評審意見。工裝支架采用φ48 mm×3.6 mm的鋼管扣件式腳手架系統(tǒng)支撐，平面尺寸為9 000 mm×9 000 mm，立桿縱距、橫距均為500 mm，步距1 200 mm。立桿頂端（環(huán)形桁架底）單向通長設(shè)置[10型鋼作為圓形桁架的承載面，間距500 mm，并反向固定于立桿頂端。

3.4.1 地基處理

地面采用磚渣回填，每次填鋪厚200 mm，采用壓路機逐層壓實，中心搭設(shè)腳手架處回填深度為1 000 mm。在搭設(shè)腳手架范圍內(nèi)用C30混凝土進行硬化，厚度為220 mm，設(shè)置鋼筋網(wǎng)雙向φ14 mm，立桿底座下設(shè)置厚50 mm腳手墊板，布設(shè)平穩(wěn)。

3.4.2 立桿

立桿間距嚴格按照方案中的技術(shù)參數(shù)和規(guī)范中關(guān)于立桿接頭的有關(guān)規(guī)定搭設(shè)。接頭交錯布置，各接頭中心距主節(jié)點的距離不大于400 mm。

3.4.3 橫桿

橫桿必須縱橫雙向連續(xù)設(shè)置，同一步橫桿四周交圈，接頭交錯布置，相鄰接頭水平距離不小于500 mm，本工程接頭距立柱距離不大于150 mm，橫桿縱向水平高差不超過30 mm。掃地桿按規(guī)范要求設(shè)置。

3.4.4 剪刀撐

水平剪刀撐從掃地桿算起，每6步設(shè)1道，本工裝支架共設(shè)置3道水平剪刀撐；豎向剪刀撐在工裝支架四面連續(xù)布置，支架內(nèi)縱橫方向每6排設(shè)1道（圖2）。剪刀撐與立桿或橫桿固定好，固定點距主節(jié)點距離不大于150 mm，斜桿最下端與墊板抵緊。

圖1 焊接胎具示意

圖2 工裝支架立面示意

3.4.5 防護設(shè)施

整個工裝支架外側(cè)掛密目式安全網(wǎng)；工裝支架頂部，既要支撐穹頂環(huán)形管桁架，同時也是屋面的拼裝作業(yè)平臺，因此設(shè)臨時樓梯到達工裝支架頂部，在頂部四周設(shè)高1 000 mm護欄，并滿鋪腳手板。

3.5 中心環(huán)形桁架安裝

穹頂中心2個環(huán)形桁架均采用30 t吊機吊裝至工裝支架上，同時配合全站儀定位中心環(huán)形桁架，并注意對工裝支架頂端[10型鋼平臺進行水平平整度和垂直度的復(fù)核，確保中心環(huán)形桁架空間就位準確。

3.6 主桁架安裝

主桁架安裝時采用綜合節(jié)間法，即對稱安裝成對主桁架，同時將主桁架下的預(yù)應(yīng)力索安裝就位并完成初步張拉。成對安裝主桁架時采用雙吊機（2臺130 t）同時各吊起1榀主桁架，緩慢提升至環(huán)形桁架位置，與頂層環(huán)形桁架連接并進行焊接，同時另一端在柱頭支座就位，安裝高強螺栓并緊固。其間吊機一直處于起吊狀態(tài)，直到高強螺栓緊固完畢以及焊接結(jié)束后，吊機方可松鉤。依此類推，逐片形成索拱張弦結(jié)構(gòu)，直至所有主桁架全部安裝完畢（圖3～圖5）。

圖4 環(huán)形桁架與主桁架連接立面示意

圖5 環(huán)形桁架與主桁架連接平面示意

3.7 預(yù)應(yīng)力索安裝及初張拉

桁架安裝前，對桁架（包括主桁架和底層環(huán)形桁架）上預(yù)應(yīng)力索節(jié)點進行編號，在地面上將預(yù)應(yīng)力索提前打開，用吊機將預(yù)應(yīng)力索按照編號安裝到桁架預(yù)應(yīng)力索節(jié)點處，配合手拉葫蘆拉緊預(yù)應(yīng)力索。其中底層環(huán)形桁架的預(yù)應(yīng)力索僅一端安裝在節(jié)點上，而主桁架下的預(yù)應(yīng)力索兩端均安裝在節(jié)點處。

主桁架安裝完畢后對預(yù)應(yīng)力索進行初步張拉。預(yù)應(yīng)力索張拉分初步張拉和最終張拉，其預(yù)應(yīng)力值分別為設(shè)計值的70%和100%。底層環(huán)形桁架的平衡預(yù)應(yīng)力索的另一端用吊機對稱吊至索節(jié)點處，配合手拉葫蘆拉緊預(yù)應(yīng)力索，插入鋼銷，進行初步張拉。初步張拉的應(yīng)力值均為設(shè)計值的70%，初步張拉為對稱張拉[4-6]。

3.8 次桁架（支撐）安裝

次桁架安裝時也采用綜合節(jié)間法（圖6）。采用雙吊機（2臺130 t）同時對稱吊起一跨次桁架，緩慢提升至兩主桁架之間，與主桁架連接并進行焊接。等對稱兩跨次桁架焊接完畢后，吊機才可松鉤。依此類推，逐步對稱焊接次桁架。

3.9 預(yù)應(yīng)力索最終張拉

3.9.1 預(yù)應(yīng)力索張拉

圖6 次桁架安裝示意

待所有的主桁架和次桁架均安裝完畢，并在拉索按設(shè)計尺寸調(diào)整完畢后，按照前拉索、后拉索、穩(wěn)定索的順序，對預(yù)應(yīng)力索進行最終張拉，最終張拉力為設(shè)計值的100%，并對每個預(yù)應(yīng)力索進行檢測，必要時對個別進行調(diào)整張拉，確保所有需控制的內(nèi)力及變形滿足設(shè)計要求。

3.9.2 預(yù)應(yīng)力張拉監(jiān)測

1）為保證預(yù)應(yīng)力索張拉與設(shè)計相符，本工程對預(yù)應(yīng)力索的受拉應(yīng)力和穹頂桁架結(jié)構(gòu)的變形監(jiān)測主要為：索力P、桿件內(nèi)力、跨度L、控制節(jié)點和矢高f。

2）采用壓力傳感器和DH3818數(shù)據(jù)采集儀器。壓力傳感器安裝于液壓千斤頂下方，通過專用傳感器顯示儀器實時監(jiān)測預(yù)應(yīng)力鋼索的拉力，每根預(yù)應(yīng)力鋼索上安裝3個振弦式應(yīng)變計，應(yīng)變計分別安裝在預(yù)應(yīng)力索的兩側(cè)和中間，以監(jiān)測預(yù)應(yīng)力索中實際的應(yīng)力，從而保證施加在預(yù)應(yīng)力索上的應(yīng)力與設(shè)計單位要求的應(yīng)力相吻合。

3）采用水準儀以及百分表對穹頂結(jié)構(gòu)進行變形監(jiān)測，水準儀的測點位于每個桁架跨中上側(cè)，百分表放置到兩端支座處用于監(jiān)測桁架水平位移[7-9]。

3.9.3 張拉注意事項

1）張拉設(shè)備采用YCQ50S型液壓千斤頂（圖7）。

圖7 YCQ50S型液壓千斤頂示意

2）控制給油速度，給油時間不低于0.5 min。

3）每階段張拉時預(yù)應(yīng)力索系均整體對稱張拉。

3.10 防腐油漆涂裝

清除安裝焊縫焊藥后，對被燒去或碰去漆的構(gòu)件事先補漆，再對其表面進行涂裝。

4 質(zhì)量、安全及文明施工主要保證措施

1）焊接設(shè)備采用直流電焊機，不允許使用交流電焊機。

2）工裝支架基礎(chǔ)混凝土強度必須達到設(shè)計強度的75%以上時才允許搭設(shè)腳手架，并嚴格按照規(guī)范進行搭設(shè)和驗收。

3）主、次桁架的吊裝以及預(yù)應(yīng)力索的張拉均對稱施工，吊機在預(yù)應(yīng)力索張拉完畢，形成能夠承受自身質(zhì)量的索拱張弦結(jié)構(gòu)后才允許松鉤。

4）吊裝過程中，松鉤時注意監(jiān)控拱架及工裝支架變形，確保無誤后才可完全卸載并拆鉤。

5）嚴禁超載吊裝和歪拉斜吊，盡量避免起重機滿負荷行駛，起吊荷載質(zhì)量不允許大于起重機額定起重能力的80%。

6）在工裝支架第1層鋪設(shè)安全平網(wǎng)。

5 實施效果

該工程穹頂結(jié)構(gòu)安裝完成后，經(jīng)檢測各項指標均符合設(shè)計和規(guī)范要求，施工過程安全，先后獲評江蘇省“揚子杯”優(yōu)質(zhì)工程、江蘇省安全文明標準化工地、江蘇省新技術(shù)應(yīng)用示范工程，社會和經(jīng)濟效益顯著。