双层双向预应力索桁架及其施工方法 【技术领域】
本发明涉及大跨度的场馆及会展中心顶部施工技术领域。背景技术 建筑物的顶部通常采用纵、 横交错的全钢管构成， 不但自重很重， 而且耗用大量的 钢材。 预应力索桁架结构是近年来发展起来的一种新型的适用于大跨度的场馆或会展中心 顶部施工预应力钢结构。
现有的预应力索桁架结构通常是 ： 在一根钢管上通过钢性撑杆支撑钢索， 通过对 钢索进行预应力牵拉后安装在建筑顶部的环桁梁上。可以节约全钢管用材， 也使顶部整体 重量大大降低。
发明内容
本发明目的是发明一种可进一步节约顶部自重、 节约用材的双层双向预应力索桁 架的施工方法。
本发明设有双向布置的上、 下弦， 上、 下弦分别采用预应力钢索， 在上、 下弦之间用 钢撑杆连接。
本发明形成的双层双向预应力索桁架结构， 适用于大跨度建筑屋顶的预应力施 工。相对普通钢桁架或钢网架， 双层双向预应力索桁架结构跨度大， 结构受力合理， 各种材 料均充分发挥作用， 自重轻， 即大大节省了钢材又具有很好的整体刚度， 美观经济， 是一种 新型的空间结构形式， 代表了当今世界空间结构的发展水平， 具有良好应用价值和前景的 新型结构形式。
本发明还提出了具有以上特点的双层双向预应力索桁架的施工方法 ： 搭设脚手架同时将拉索在地面纵横放开， 在拉索上标注出钢撑杆下节点的安装位置 标记 ； 在各钢撑杆的上端分别穿置上弦纵、 横两根拉索， 在各钢撑杆的下端分别穿置下弦 纵、 横两根拉索， 并使拉索上的标记位于相应的钢撑杆上 ； 对各拉索张拉到设计张拉力的 100 ～ 105%， 并将拉索两端分别与环形架固定连接 ； 最后将整个双层双向预应力索桁架举 升至屋顶安装位置固定。
本发明的施工方法简单、 占地面积小， 工程安全、 快速， 工程质量好， 稳定性高。 具体实施方式
一、 某工程概况 平面投影为 某游泳跳水馆屋面结构 C-G 轴 /9-17 轴区域采用双向预应力索桁架结构， 33m×56m 的异型圆弧。索网短向主要受力构件为 12 榀互相联系的索桁架。索桁架的上 弦、 下弦均采用钢索 5×55(5 根 55 的钢丝束， 钢丝束截面积 1080mm)， 每两榀之间的间距为 4.5m。12 榀之间联系的稳定索上下弦均为为钢索 5×7(5 根 7 的钢丝束 )， 稳定索各榀之间 的间距约为 3.5m~4.5m。二、 施工步骤 1、 脚手架搭设同时将拉索在地面放开。
2、 在拉索上标注出每个钢撑杆下节点的安装位置标记。
3、 在各钢撑杆的上端分别穿置上弦纵、 横两根拉索， 在各钢撑杆的下端分别穿置 下弦纵、 横两根拉索， 并使拉索上的钢撑杆下节点的安装位置标记位于相应的钢撑杆上。
4、 正式张拉前对结构的变形、 稳定性和预应力张拉过程进行计算机仿真模拟， 经 计算分析， 确定各个张拉阶段的主要控制点和相应的理论数值， 得出每一步张拉各榀之间 相互影响的关系和规律， 给出预应力损失的数值， 并最终得出每榀需要张拉的力， 形成完整 的张拉和监控方案， 对张拉过程中可能出现的差异情况， 编制合理的预控方案和处理方法。
对各拉索张拉到设计张拉力的 100 ～ 105%， 正式张拉时同时张拉 2 个轴线 2 根索， 每根是中间调节套筒张拉， 因此共采用了 4 台 25T 千斤顶同时进行张拉。并将拉索两端分 别与环形架固定连接。
5、 将整个双层双向预应力索桁架举升至屋顶安装位置固定。
三、 操作要领 1、 深化设计 ： 根据设计及预应力工艺要求， 计算出钢索的下料长度， 以及索体上撑杆节 点的安装位置标记点。完成钢撑杆上、 下节点和桁架张拉端节点的加工图设计。 2、 施工仿真计算 针对具体工程建立结构整体模型， 进行施工仿真模拟计算， 得出如下结果 ： 1） 根据设计要求的撑杆的垂直状态， 给出撑杆节点位置的标记力 ； 2） 验证张拉施工方案的可行性， 确保张拉过程的安全 ； 3）给出每张拉步张拉力的大小， 为实际张拉时的张拉力值的确定提供理论依据 ； 4） 给出每张拉步结构的变形及应力分布， 为张拉过程中的变形监测及索力监测提供理 论依据 ； 5） 根据计算出来的张拉力大小， 选择合适的张拉机具， 并设计合理的张拉工装。
3、 钢索制作 按照深化设计计算出的下料长度进行钢索制作。 制作完成的钢索在工厂内要进行预张 拉， 预张拉力为设计索力的 1.2 ～ 1.4 倍， 并在预张拉力等于设计索力的情况下， 在索体上 标注出每个钢撑杆下节点的安装位置。为便于施工， 要求每根索体都单独成盘出厂。
4、 安装缆索 1） 对结构施工脚手架搭设的要求 结构施工脚手架的竖杆应避让每个索夹安装位置， 横杆连接也要采用卡扣的方式， 以 便在个别横杆影响索体安装时， 可临时拆除。
2） 放索 为便于放开钢索， 现场需要配置放索盘。 为防止索体在移动过程中与地面接触， 索头用 布包住， 在与地面接触的地方沿放索方向铺设一些圆轴承， 以保证索体不与地面接触。
3） 安装钢索 双向预应力索桁架结构本身特点， 决定了结构安装主要有两种方案， 其一， 地面安装完 成， 整体提升 ； 其二， 搭设满堂脚手架进行安装钢索。 安装钢索过程中， 先安装位于一个方向 的钢索， 然后在安装另一个方向的钢索， 交替进行， 安装时要注意按照工厂中在索体标定的
标记点进行索夹安装。如果拉索为两端张拉方式， 在安装完成后要调节到两端螺纹外露长 度相同。为了弥补索体变细引起螺栓拉力减小， 索夹节点螺栓按照给定的力矩加损失拉力 进行紧固， 张拉完成后， 如果具有作业条件将索夹螺栓检查预紧一次。
5、 钢索张拉 1）张拉机具标定 张拉前张拉设备要在专业的检测机构进行标定， 并出具标定报告， 施工中根据标定报 告中的数据进行张拉。
2）张拉控制力原则 根据设计和施工仿真确定的控制张拉力， 双向分级、 分步对称实施张拉。张拉分为三 级， 第一级使索力达到设计索力的 30%， 第二级使索力达到设计索力的 60％， 第三级使拉索 索力达到设计索力的 100％， 最后根据监测结果对索力进行微调， 使最终索力值及结构应力 和变形符合设计要求。 需要说明的是， 在正式张拉前， 要完成两个方向预应力钢索的张拉预 紧， 张拉预紧力为设计索力的 20％。
钢索张拉以张拉力控制为主， 每台油泵上都安装有经过严格标定的油压传感器和 读数仪， 通过读数仪显示数据直接控制张拉力大小。 同时， 对钢索的张拉伸长值及张拉引起 的钢结构变形进行量测， 检查张拉效果是否与理论数值相符合。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。
3） 张拉操作要点 张拉前， 索头调节套筒上要安装工作锚、 工装承力架、 千斤顶和工具锚， 对于测量索力 的钢索， 张拉端与工作锚之间还要加装压力传感器。索头上安装的组件较多， 必须小心安 放， 以保证千斤顶形心与钢索重合， 避免张拉时产生偏心。 张拉时， 先开动油泵， 待油泵启动 供油正常后再开始给油、 加压， 给油速度要控制， 时间不应低于 0.5min。当油压力显示张拉 力达到钢索张拉控制力时应停止加压并稳住油压， 此时将索头上的工作锚拧紧。拧紧工作 锚后油泵立刻回油， 待千斤顶回缸后关闭油泵， 此次张拉结束。
张拉测量与监控 1 ） 张拉力与伸长值的测量 张拉力 ： 油泵上安装经过严格标定的油压传感器， 张拉时通过连接到油压传感器的读 数仪直接测量。
张拉伸长值 ： 把张拉前预应力钢索预紧后的张拉端长度作为原始长度， 当张拉完 成后， 再次测量张拉端长度， 两者之差即为实际伸长值。
2 ） 监控 监控内容 ： 张拉过程中及完毕后的钢索索力、 钢梁及撑杆应力、 结构变形。
监控点选取 ： 结构的重要部位及其它设计要求的监控部位。
监控方法 ： 索力监测采用压力传感器。 钢桁架变形监测采用全站仪或者水准仪， 钢 结构应力监测采用振弦应变计。通过监测数据与计算机施工仿真计算数值的比较， 控制张 拉施工质量， 保证施工安全。
质量保证措施 由于预应力钢索的可调节量只有 ±60mm， 因此施工中要严格控制四周环梁的安装精 度， 特别是同根拉索耳板孔中心之间距离在相关规范要求范围以内。钢环梁拼装就位后必须进行钢环梁， 特别是耳板孔之间尺寸的检查与复核， 根据复核后的实际尺寸对计算机施 工仿真模拟的计算模型进行调整、 重新计算， 用计算出的新数据指导预应力张拉施工， 并作 为张拉施工监测的理论依据。
钢撑杆的上下节点安装要严格按钢索在工厂预张拉时做好标记的位置进行， 以保 证钢撑杆的安装位置符合设计要求。 若钢撑杆上节点的安装位置由于钢环梁拼装的精度有 所调整， 则钢撑杆下节点在纵、 横向索上的位置要重新调整确定。
钢索要在防潮防雨的遮蓬中存放。成圈产品应水平堆放， 重叠堆放时逐层间应加 垫木， 避免压伤钢索 PE 护层。钢索安装过程中应注意保护 PE 护层， 避免护层损坏。如出现 损坏， 应及时修补。为防止钢索 PE 护层在安装过程中被其它硬物划坏或被钢桁架拼装焊接 的火星烧坏 , 安装钢索前要用防火布缠包整个索体， 待结构安装全部完毕后再进行拆除。
为消除钢索的非弹性变形， 保证使用时弹性工作， 钢索在工厂内需要进行预张拉。 预张力为设计索力的 1.2 ～ 1.4 倍， 持荷时间为 0.5 ～ 2.0h。在进行张拉伸长值计算和施 工仿真计算时， 应采用索厂提供的弹性模量。验收时要考虑索厂的弹性模量误差对伸长值 的影响。
为保证张拉质量， 张拉时采取以张拉力控制为主， 用监控结构竖向变形的双控方 法。同时布置应力监测点， 对张拉施工进行监控。 张拉施工中要采用双向对称、 分级、 分步张拉， 尽可能减少张拉中钢索间索力的相 互影响， 尽量保持钢索张拉的同步。 张拉时各张拉点要配备通讯工具， 保持相互间的联络通 畅。张拉操作要严格按技术要求进行， 若张拉出现问题或出现监控数据与理论值出入过大 的情况， 要立即停止张拉， 待查明原因并处理后， 方可恢复张拉。
在后续的结构施工过程中， 如屋面荷载、 悬挂荷载的施加步骤和方法， 要尽量保证 比较均匀、 对称、 匀速地施工， 避免出现过大的集中荷载。
四、 实施效果 实践表明， 该工程的双向预应力索桁架的张拉力严格按照方案进行施工， 总体偏差在 5％以内， 伸长值都在验收标准规定的范围之内 ； 张拉起拱变形与理论最大偏差别在 10％ 以内。 通过以上数据可以证明整个张拉施工是成功的， 保证了结构形态、 就位精度和应力应 变值。
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