超大跨度張弦拱形桁架帶水平側(cè)力滑移施工技術(shù)

付小敏，張德欣，馬翠娟

（北京市機(jī)械施工集團(tuán)有限公司，北京 100045）

1 工程概況

某超大跨度張弦拱形桁架為多段多階預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，自重大、水平側(cè)向力大，且同一桁架每個(gè)端部有兩個(gè)支座，各支座水平反力差異較大，滑移施工難度大。

如圖1、圖2 所示，某工程封閉煤場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)棚軸線跨度202.2m，長(zhǎng)286m，東西方向軸間距35m，上部桁架上弦管芯高度54.61m。結(jié)構(gòu)共有9 榀拱形桁架，其中7 榀預(yù)應(yīng)力索主桁架、2 榀山墻桁架。相鄰主桁架間設(shè)置11 榀次桁架共計(jì)88榀次桁架，鋼結(jié)構(gòu)棚重約3 500t。

圖1 拱形桁架三維圖

圖2 結(jié)構(gòu)平面布置圖

主桁架如圖3 所示，張弦拱形桁架為倒梯形立體桁架，桁架上弦寬6m，下弦寬4m，桁架高約5～8m。桁架設(shè)置有受力主索和抗風(fēng)穩(wěn)定索，主索采用2×?66 的高釩拉索，強(qiáng)度1 670MPa，每根長(zhǎng)140m。每榀桁架設(shè)置兩道抗風(fēng)吸的穩(wěn)定索，采用?80 的高釩拉索。拉索通過(guò)撐桿和上部桁架下弦相連，每榀7 根撐桿，撐桿為V 字型，最長(zhǎng)撐桿11.7m，撐桿截面有P219×10mm、P273×14mm、P299×12mm3 種。穩(wěn)定索通過(guò)斜拉桿和桁架相連，斜拉桿為V 字型，截面為P299×12mm。每榀張弦桁架在兩端設(shè)置有兩個(gè)支座，間距4m。

圖3 主桁架

結(jié)構(gòu)下部為既有煤場(chǎng)，煤場(chǎng)需要保證電廠正常生產(chǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)的限定條件，大量堆煤不能騰挪，因此只能采用累積滑移的施工技術(shù)。

2 工程重難點(diǎn)分析

1）202.2m 超大跨度張弦拱形桁架，其空間原位拼裝、累積滑移過(guò)程，結(jié)構(gòu)安全控制難度大。

2）張弦桁架結(jié)構(gòu)索分為主索、邊索和穩(wěn)定索，索的預(yù)應(yīng)力張拉難度大。

3）超大跨度張弦拱形桁架其兩端支座存在較大的水平推力，單榀桁架一端最大水平推力約46t，滑移過(guò)程水平推力控制難度大。

3 超大跨度張弦拱形桁架累積滑移施工技術(shù)

3.1 臨時(shí)支撐

為滿足張弦拱形桁架累積滑移施工的需要，設(shè)計(jì)的臨時(shí)支撐包括桁架安裝臨時(shí)支撐和滑移軌道體系，臨時(shí)支撐如圖4 所示。

圖4 臨時(shí)支撐布置圖

3.1.1 桁架安裝臨時(shí)支撐

桁架安裝臨時(shí)支撐設(shè)置時(shí)考慮靠近預(yù)應(yīng)力索節(jié)點(diǎn)處方面拉索施工，本項(xiàng)目軸線跨度202.2m，結(jié)合支撐材料數(shù)量、吊裝設(shè)備選擇以及現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地情況，主桁架分成7 段共設(shè)置6 組臨時(shí)支撐架；每組臨時(shí)支撐架兩個(gè)，中心間距4 000mm，為減少輔助工裝主要采用山墻結(jié)構(gòu)抗風(fēng)柱和山墻次桁架；支撐頂部采用H300×200×16×20mm 型鋼梁做成平臺(tái)，并在下部增加?180×8mm 斜撐；臨時(shí)支撐從拉索下部約4m 處分段，通過(guò)法蘭連接，方便卸載滑移。桁架安裝臨時(shí)支撐如圖5 所示。

圖5 桁架安裝臨時(shí)支撐

3.1.2 滑移軌道體系

本工程在桁架端部基礎(chǔ)間累積滑移，過(guò)程中較大的水平側(cè)向力，滑移軌道體系作為滑移施工的臨時(shí)支撐，包括滑移基礎(chǔ)、滑移梁、滑軌和斜撐。滑移基礎(chǔ)采用混凝土基礎(chǔ)與已有擋煤墻基礎(chǔ)連成一體，寬4 200mm，高650mm，在柱間通長(zhǎng)設(shè)置；滑移梁采用1 425×500×12（25）mm“目”型鋼梁，材質(zhì)Q235，每間隔2 000mm 設(shè)置1 道?203×8 斜撐；滑軌采用43#重軌，滑移軌道體系如圖6 所示。施工過(guò)程中滑移梁旁彎≤L／1 000且不大于20mm，鋼梁內(nèi)側(cè)表面要平滑；軌道拼接處高差≤1mm，接頭當(dāng)凸起過(guò)大時(shí)，進(jìn)行打磨處理，將表面磨光，嚴(yán)禁出現(xiàn)硬錯(cuò)臺(tái)。

圖6 滑移軌道體系

3.2 滑移單元?jiǎng)澐旨绊斖泣c(diǎn)位布設(shè)

3.2.1 滑移單位劃分

考慮到結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及施工過(guò)程中盡量減小場(chǎng)地占用，工程采用累積滑移施工，共分成4 次滑移，滑移單元分別為7-8 軸、6-8 軸、5-8 軸和4-8 軸桁架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)兩端采用原位安裝，如圖7 所示。

圖7 滑移單元?jiǎng)澐謭D

3.2.2 滑移頂推點(diǎn)位布設(shè)

如圖8 所示，頂推設(shè)備選用TX-60-J 型液壓頂推器，額定頂推力570kN。根據(jù)鋼材間摩擦系數(shù)、豎向力及水平力的數(shù)值分析設(shè)置頂推器的數(shù)量。豎向?yàn)榛瑝K和鋼軌直接接觸為滑動(dòng)摩擦；水平側(cè)向?yàn)闈L輪主要為滾動(dòng)摩擦，但考慮到可能用滑動(dòng)情況，亦取滑動(dòng)摩擦計(jì)算。根據(jù)相關(guān)資料和以往經(jīng)驗(yàn)，鋼軌與滑塊間涂抹黃油滑動(dòng)摩擦系數(shù)取0.15，同時(shí)考慮到滑移過(guò)程雙向受力、結(jié)構(gòu)跨度大、滑移結(jié)構(gòu)面積大等因素阻力系數(shù)取1.4，頂推器計(jì)算如表1 所示。頂推點(diǎn)均布置在每榀桁架沿滑移方向的前端支座，并采用鋼管將兩支座進(jìn)行臨時(shí)拉結(jié)。

表1 頂推器計(jì)算表

圖8 頂推滑移裝置

3.3 張弦拱形桁架滑移施工工藝

本工程累積滑移4 次，每次都包括支撐安裝、桁架安裝、拉索安裝、支撐截短和滑移等過(guò)程，初始單元滑移如圖9 所示，依次循環(huán)直至完成整個(gè)結(jié)構(gòu)累積滑移。以初始單元闡述滑移工藝。

圖9 張弦拱形桁架累積滑移施工流程

1）桁架拼裝及臨時(shí)支撐安裝 將主桁架旋轉(zhuǎn)90°采用整體胎架在現(xiàn)場(chǎng)地面分段整榀拼裝，次桁架、山墻連系桁架均采用整體臥拼的方式進(jìn)行。同時(shí)在現(xiàn)場(chǎng)安裝位置設(shè)置桁架臨時(shí)支撐，并在沿滑移軸線方向布置滑移裝置，包括滑移梁、滑移導(dǎo)軌，滑移導(dǎo)軌上設(shè)置滑移機(jī)構(gòu)。

2）桁架安裝 桁架安裝采用260t 履帶起重機(jī)塔式工況進(jìn)行，主桁架分成7 段，拱腳段采用兩臺(tái)履帶起重機(jī)抬吊安裝；次桁架整根直接安裝。根據(jù)先主桁架后次桁架順序，將結(jié)構(gòu)從拱腳向中間依次安裝。

3）拉索安裝和支撐卸載 桁架完成后開始拉索安裝，先受力主索再穩(wěn)定索，后文有詳細(xì)描述。

4）支撐截短和結(jié)構(gòu)滑移 張弦桁架拉索張拉完成后，結(jié)構(gòu)滑移前需要將桁架的臨時(shí)支撐頂部一段拆除，使臨時(shí)支撐高度小于拉索標(biāo)高。然后采用楔塊式頂推器將結(jié)構(gòu)滑移1 個(gè)柱距35m。

3.4 多段多階預(yù)應(yīng)力拱形桁架拉索施工和支撐架卸載綜合技術(shù)

3.4.1 多段多階預(yù)應(yīng)力拉索張拉力確定

桁架拉索分為受力索和穩(wěn)定索，受力索分為主索和邊索，穩(wěn)定索為抗風(fēng)索。根據(jù)拉索設(shè)計(jì)值，進(jìn)行施工過(guò)程仿真分析，對(duì)索力進(jìn)行工況分析，索力變化曲線如圖10 所示。從圖可看出拉索索力主要受步驟2 受力索張拉，步驟3 穩(wěn)定索張拉，步驟4 桁架支撐架卸載的影響，相鄰桁架施工對(duì)索力影響不大。根據(jù)索力變化情況，確定拉索張拉值為受力索1 940kN，穩(wěn)定索1 850kN。

圖10 索力變化曲線

3.4.2 拉索高空安裝

每榀桁架安裝完成后即開始安裝拉索。受力拉索規(guī)格2×?66 高釩索，每米重量約25kg，錨具重量約1.5t，單根拉索總重約5t。高空放索安全要求很高，在放索過(guò)程中需要做到拉索和胎架不能發(fā)生碰撞。撐桿隨主桁架一同吊裝，拉索由吊車和登高車配合安裝（圖11、圖12）。

圖11 拉索軸測(cè)圖

圖12 拉索現(xiàn)場(chǎng)安裝圖

3.4.3 多段多階預(yù)應(yīng)力拱形桁架拉索張拉和支撐架卸載綜合技術(shù)

主桁架鋼索張拉時(shí)對(duì)臨時(shí)支撐架受力會(huì)產(chǎn)生明顯影響。施工時(shí)，靠近拱腳的兩組臨時(shí)支撐在拉索張拉前先行卸載；受力主索張拉完成后，安裝拉索交叉節(jié)點(diǎn)斜拉桿和穩(wěn)定索，張拉穩(wěn)定索至設(shè)定值，完成多段多階預(yù)應(yīng)力拉索張拉；中間4組臨時(shí)支撐架按位移逐級(jí)卸載，采用火焰切割和沙漏方式卸載，具體流程如圖13 所示。

圖13 拉索張拉和臨時(shí)支撐卸載流程

桁架張弦受力索在桁架兩端均設(shè)置調(diào)節(jié)端，采用兩端張拉的方式。一端先張拉50%，然后到另一端張拉至100%；穩(wěn)定索采用調(diào)節(jié)端單端張拉的方式，單端分級(jí)張拉至100%（圖14）。

圖14 拉索張拉方式

桁架拉索張拉力最大約200t，張拉過(guò)程中1臺(tái)油泵帶2 個(gè)150t 千斤頂工作。預(yù)應(yīng)力鋼索張拉采用雙控，以索力控制為主、變形控制為輔。預(yù)應(yīng)力鋼索張拉完成后，應(yīng)立即測(cè)量校對(duì)。如發(fā)現(xiàn)異常，應(yīng)暫停張拉，待查明原因，并采取措施后，再繼續(xù)張拉。油泵啟動(dòng)供油正常后，開始加壓，當(dāng)壓力達(dá)到鋼索設(shè)計(jì)拉力時(shí)，超張拉5%左右，然后停止加壓，完成預(yù)應(yīng)力鋼索張拉。張拉時(shí)，要控制給油速度，給油時(shí)間不應(yīng)低于0.5min。

3.5 水平側(cè)向力影響分析和控制措施

3.5.1 水平側(cè)向力分析

取4 榀桁架作為研究對(duì)象，分別考慮桁架拱腳向往位移20mm、拉索預(yù)應(yīng)力增加20%、溫度升高15℃、兩端拱腳滑移不同步50mm、支座剛鉸接形式等因素下，4 榀桁架16 個(gè)拱腳支座的水平側(cè)向力的不同，如圖15 所示，支座剛接和鉸接對(duì)其水平側(cè)向力幾乎沒(méi)有影響，故沒(méi)有列入曲線。

圖15 支座水平側(cè)向力圖

由圖15 可以看出：預(yù)應(yīng)力張拉完成后，拱腳向外位移20mm，各支座的水平外推力減小約1.69t；拉索預(yù)應(yīng)力值增加20%，各支座的水平外推力減小約8.32t；溫度升高15℃，支座的最大水平外推力增加9.62t，最小水平外推力減小6.62t，支座水平外推力總量增加，且差異進(jìn)一步加大；滑移出現(xiàn)不同步時(shí)，會(huì)使支座水平外推力的差異加大。

3.5.2 抗水平力滑移節(jié)點(diǎn)

抗水平力滑移節(jié)點(diǎn)主要包括平衡臂、側(cè)向擋塊、鋼滑塊、滑移基座等。主桁架滑移過(guò)程中存在較大的側(cè)向水平推力，滑移過(guò)程中滑移節(jié)點(diǎn)除了要抵抗結(jié)構(gòu)豎向力外，還有抵抗水平側(cè)向力。綜合原有結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和缺點(diǎn)，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)滑移機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)、大膽改進(jìn)（圖16），滑移機(jī)構(gòu)通過(guò)滑板裝置與滑移導(dǎo)軌配合、平衡臂通過(guò)銷軸與基座結(jié)合固定，且平衡臂滾輪與滑移梁一側(cè)承載受力面滾動(dòng)配合，該滑移節(jié)點(diǎn)平衡機(jī)構(gòu)優(yōu)勢(shì)與創(chuàng)新如下：采用滾動(dòng)方式，解決滑動(dòng)摩擦力大的問(wèn)題，解決現(xiàn)場(chǎng)該滑移施工滑動(dòng)摩擦力大、不好操作的問(wèn)題，減少了摩擦阻力；有效降低水平力作用點(diǎn)作用位置，從而降低了對(duì)鋼梁和基礎(chǔ)的影響作用，解決了水平力作用點(diǎn)不易控制的問(wèn)題；采用平衡臂形式，通過(guò)平衡臂自動(dòng)找平特點(diǎn)，可以有效平衡滑移施工中側(cè)向水平力，保證施工過(guò)程的安全性。直角座會(huì)起臨時(shí)滑移的支撐作用，滑移裝置的雙重保障，滿足滑移要求的安全性要求。

圖16 滑移節(jié)點(diǎn)

3.5.3 降低水平側(cè)向力影響的其它措施

除了設(shè)計(jì)抗水平力的滑移節(jié)點(diǎn)外，在現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)還采取了一些針對(duì)性的措施來(lái)降低水平側(cè)推力的影響，保證了滑移的順利實(shí)施：在結(jié)構(gòu)受力許可范圍內(nèi)增加拉索的預(yù)應(yīng)力值，以減小支座的水平力；為了降低溫度變化對(duì)支座水平力的影響，選擇在早晨4 點(diǎn)至8 點(diǎn)溫度比較穩(wěn)定時(shí)間滑移；滑移過(guò)程中除了設(shè)備自動(dòng)控制同步外，還降低滑移速度、增設(shè)人工輔助測(cè)控，嚴(yán)格控制滑移同步。

3.6 滑移施工監(jiān)測(cè)

超大跨度張弦桁架結(jié)構(gòu)，采用累積滑移施工方法，特別第一次滑移時(shí)僅用兩榀桁架，結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定尤為關(guān)注?；七^(guò)程中主要進(jìn)行結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)和應(yīng)力監(jiān)測(cè)。

1）變形監(jiān)測(cè) 施工中在桁架上弦（滑移方向那側(cè)）跨度中心、四分之一及穩(wěn)定索端部處貼好反光片，并記錄好初始坐標(biāo)，滑移過(guò)程中，采用全站儀觀測(cè)其坐標(biāo)，重點(diǎn)觀測(cè)初始單元啟動(dòng)滑移時(shí)的側(cè)向變形情況。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，初始單元滑移時(shí)8 軸桁架w3 觀測(cè)點(diǎn)桁架豎向變形約10mm，水平向變形約54mm 為最大變形，結(jié)構(gòu)時(shí)安全的（圖17）。

圖17 滑移變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)

2）應(yīng)力監(jiān)測(cè) 主要針對(duì)初始滑移單元在7軸、8 軸主桁架受力較大的桿件上設(shè)置了30 個(gè)振弦式應(yīng)變計(jì)，獲取了桁架弦桿、腹桿和撐桿應(yīng)變，而后通過(guò)虎克定律計(jì)算獲取力值，測(cè)試周期時(shí)間為6s，總計(jì)獲取數(shù)據(jù)7 000 多條。經(jīng)數(shù)據(jù)分析，索張拉及卸載過(guò)程對(duì)桁架腹桿受力變化較為明顯，影響存在不可逆性，與施工模擬變化一致；滑移工況下，測(cè)試桿件受力影響較小，變化范圍約10MPa，主要為溫度影響，說(shuō)明整體滑移施工過(guò)程對(duì)絕大部分桿件的受力影響不大，滑移施工對(duì)結(jié)構(gòu)是安全的。

3.7 大跨度張弦桁架支座轉(zhuǎn)換技術(shù)

結(jié)構(gòu)滑移拱腳支座共有24 個(gè)，支座同步轉(zhuǎn)換難以實(shí)現(xiàn)。根據(jù)實(shí)際情況并經(jīng)過(guò)分析計(jì)算，采取從9 軸向2 軸逐榀順序轉(zhuǎn)換，單榀桁架4 個(gè)支座同時(shí)施工?；乒?jié)點(diǎn)及滑移軌道設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮后期結(jié)構(gòu)卸載及支座轉(zhuǎn)換安裝的需要。支座轉(zhuǎn)換時(shí)先用千斤頂把滑移節(jié)點(diǎn)撐起來(lái)，去掉滑移導(dǎo)軌，放入成品支座，切掉多余板材，去掉千斤頂，完成支座轉(zhuǎn)換。

4 結(jié)論

某煤場(chǎng)超大跨度張弦桁架鋼結(jié)構(gòu)采用累積滑移施工方法，共滑移4 次，長(zhǎng)度175m，該方法可以快速地完成大跨度張弦拱形鋼結(jié)構(gòu)桁架搭建施工，無(wú)需架設(shè)大量的支撐系統(tǒng)和施工作業(yè)腳手架，安全可靠，降低施工成本，提高施工效率。采用平衡臂滑移節(jié)點(diǎn)可有效平衡大跨張弦拱形桁架滑移施工中產(chǎn)生的側(cè)向水平力，摩擦阻力小，零部件可被重復(fù)利用，安裝及拆卸方便，可滿足滑移施工要求的安全性。在料場(chǎng)封閉環(huán)保工程中的成功使用可以有效地較少施工用地，減少施工設(shè)備工具在現(xiàn)場(chǎng)的二次搬移，便于施工現(xiàn)場(chǎng)的管理，確保施工現(xiàn)場(chǎng)安全。同時(shí)可以保證電廠的煤存儲(chǔ)任務(wù)盡量不受現(xiàn)場(chǎng)施工的干擾，確保了電廠的日常工作。本工程的成功實(shí)施，為今后類似工程建設(shè)提供了多一份的選擇。結(jié)論如下。

1）利用雙軌楔塊反力滑移裝置，采用累積滑移施工方法可安全有效地完成超大跨度（202.2m）張弦拱形桁架滑移。

2）大跨度張弦拱形桁架結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，采用滑移法施工，有一定的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)施工仿真和施工設(shè)計(jì)都提出較高的要求，需要較強(qiáng)的綜合技術(shù)能力；特別是水平側(cè)向力對(duì)滑移影響非常大，需要重點(diǎn)關(guān)注，做好切實(shí)可行的應(yīng)對(duì)措施。

3）采用累積滑移的施工方案，能較大的節(jié)省施工場(chǎng)地，減少儲(chǔ)料和既有設(shè)備的倒運(yùn)，能夠保證廠區(qū)的正常運(yùn)作，非常適用于已經(jīng)投產(chǎn)的堆料場(chǎng)地封閉施工。

4）此類環(huán)保封閉大跨度張弦拱形桁架適合設(shè)計(jì)施工一體化，特別時(shí)采用滑移施工時(shí)，結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)和滑移基礎(chǔ)、側(cè)向水平力和拉索預(yù)應(yīng)力值需要綜合考慮才能達(dá)到經(jīng)濟(jì)最優(yōu)。