預應力穹頂鋼結構安裝施工實踐

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，屋頂采用索桿預應力穹頂結構體系，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進行構件的切割制作，并將其運至現場施焊成鋼管桁架。根據結構荷載和施工荷載設計工裝支架基礎及工裝支架，將穹頂頂部的中心環形桁架架設到工裝支架上，并滿足設計標高及軸線要求，再對稱將每榀主桁架依次吊裝焊接到支座及環形桁架上，施工過程中對每榀主桁架上的預應力索預加部分應力，減輕工裝支架的荷載，主桁架完成后進行次桁架安裝，最后對預應力索施加剩余的應力，并反復調校，達到應力及變形協調要求后，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

廠內穹頂構件制作→支座安裝施工→現場構件焊接→中心支撐工架搭設→中心環形桁架安裝→主桁架安裝→預應力索安裝及初張拉→次桁架（支撐）安裝→預應力索最終張拉→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。混凝土澆筑至支座標高處應及時布置支座預埋件，用全站儀每隔0.5 h校核一次預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 現場構件焊接

1）構件焊接時先焊接主桁架，后焊接次桁架。考慮到施工現場小的問題，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，柱角滿焊設置。使用手拉葫蘆將桁架鋼管架設至胎具上，每榀主桁架設置6個胎具，次桁架設置3個胎具并均勻布置（圖1）。

2）根據工程特點和設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

穹頂中心支撐工架的數據經過詳細的計算，并結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（環形桁架底）單向通長設置[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，中心搭設腳手架處回填深度為1 000 mm。在搭設腳手架范圍內用C30混凝土進行硬化，厚度為220 mm，設置鋼筋網雙向φ14 mm，立桿底座下設置厚50 mm腳手墊板，布設平穩。

3.4.2 立桿

立桿間距嚴格按照方案中的技術參數和規范中關于立桿接頭的有關規定搭設。接頭交錯布置，各接頭中心距主節點的距離不大于400 mm。

3.4.3 橫桿

橫桿必須縱橫雙向連續設置，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。掃地桿按規范要求設置。

3.4.4 剪刀撐

水平剪刀撐從掃地桿算起，每6步設1道，本工裝支架共設置3道水平剪刀撐；豎向剪刀撐在工裝支架四面連續布置，支架內縱橫方向每6排設1道（圖2）。剪刀撐與立桿或橫桿固定好，固定點距主節點距離不大于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 防護設施

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

3.5 中心環形桁架安裝

穹頂中心2個環形桁架均采用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核，確保中心環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間法，即對稱安裝成對主桁架，同時將主桁架下的預應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，緩慢提升至環形桁架位置，與頂層環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，直到高強螺栓緊固完畢以及焊接結束后，吊機方可松鉤。依此類推，逐片形成索拱張弦結構，直至所有主桁架全部安裝完畢（圖3～圖5）。

圖4 環形桁架與主桁架連接立面示意

圖5 環形桁架與主桁架連接平面示意

3.7 預應力索安裝及初張拉

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

主桁架安裝完畢后對預應力索進行初步張拉。預應力索張拉分初步張拉和最終張拉，其預應力值分別為設計值的70%和100%。底層環形桁架的平衡預應力索的另一端用吊機對稱吊至索節點處，配合手拉葫蘆拉緊預應力索，插入鋼銷，進行初步張拉。初步張拉的應力值均為設計值的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 預應力索最終張拉

3.9.1 預應力索張拉

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，并在拉索按設計尺寸調整完畢后，按照前拉索、后拉索、穩定索的順序，對預應力索進行最終張拉，最終張拉力為設計值的100%，并對每個預應力索進行檢測，必要時對個別進行調整張拉，確保所有需控制的內力及變形滿足設計要求。

3.9.2 預應力張拉監測

1）為保證預應力索張拉與設計相符，本工程對預應力索的受拉應力和穹頂桁架結構的變形監測主要為：索力P、桿件內力、跨度L、控制節點和矢高f。

2）采用壓力傳感器和DH3818數據采集儀器。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測預應力鋼索的拉力，每根預應力鋼索上安裝3個振弦式應變計，應變計分別安裝在預應力索的兩側和中間，以監測預應力索中實際的應力，從而保證施加在預應力索上的應力與設計單位要求的應力相吻合。

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

3.9.3 張拉注意事項

1）張拉設備采用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）每階段張拉時預應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件事先補漆，再對其表面進行涂裝。

4 質量、安全及文明施工主要保證措施

1）焊接設備采用直流電焊機，不允許使用交流電焊機。

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

3）主、次桁架的吊裝以及預應力索的張拉均對稱施工，吊機在預應力索張拉完畢，形成能夠承受自身質量的索拱張弦結構后才允許松鉤。

4）吊裝過程中，松鉤時注意監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層鋪設安全平網。

5 實施效果

該工程穹頂結構安裝完成后，經檢測各項指標均符合設計和規范要求，施工過程安全，先后獲評江蘇省“揚子杯”優質工程、江蘇省安全文明標準化工地、江蘇省新技術應用示范工程，社會和經濟效益顯著。