大跨度干煤棚預應力鋼結構施工模擬仿真計算與施工技術研究

胡 洋

(北京市建筑工程研究院有限責任公司，北京 100039)

1 工程概況

大唐洛陽熱電公司煤場封閉改造干煤棚工程采用技術先進的預應力鋼桁架結構形式，封閉煤場中間不立柱，由預應力主桁架、剛性次桁架、柔性次桁架、山墻、鋼檁條、圍護結構等組成。煤場總長度約為260m，跨度約為135m(該部分長度約為200m)，局部跨度約117m(該部分長度約為60m)，建筑面積約35 377m2。主結構采用10榀四邊形拱形桁架，在中間8榀主桁架下部設置為2×D52預應力張弦索及撐桿，其中兩側落地拱形桁架為7榀，分布在④～⑩軸；一側拱形一側立柱桁架為1榀，分布在②軸，兩側落地且一側立柱桁架1榀，分布在③軸，桁架主要桿件截面規格φ70×4～φ351×16，鋼材材質Q345B；剛性次桁架為三角形桁架，桁架跨度達30m，桁架弦桿最大截面規格為φ273×14，腹桿最大截面規格為φ219×10，鋼材材質為Q345B，次桁架連接在兩榀主桁架之間；柔性次桁架采用拉索和鋼桁架相結合的方式形成穩定體系，屋蓋兩側斜交叉穩定索型號D30，屋蓋中間主桁架間柔性拉索桁架的型號為D26，D30和D36，如圖1所示。

圖1 干煤棚及結構示意

2 施工方案確定

2.1 現場條件

由于該工程是煤場改造工程，干煤棚原址中間安裝有1臺斗輪堆取料機，配合1條東西布置的皮帶機進行堆、取料作業，斗輪機外形尺寸為：東西長70.4m，南北寬9m，將干煤棚原址分為南北兩個煤場，業主要求施工中不能移動堆取料機和南北煤場中部分堆煤區。鑒于施工場地限制，中間東西向70m范圍內斗輪機不可移動，不能采取各榀桁架原位吊裝的施工工藝。基于現實條件，決定現場鋼結構工程施工采用先進的累積滑移+分段吊裝工藝，即①～②，⑨～⑩軸采用原位吊裝，③～⑨軸采用累積滑移，施工分區如圖2所示。

圖2 施工分區平面

2.2 施工方案

整體施工順序：滑移區→吊裝2區→吊裝1區。

1)滑移區

③～⑨軸桁架采用結構累積滑移施工(為方便表述，定義設計完成態桁架編號即為所在軸線編號，如②軸上的桁架即為桁架2，桁架2上的索即為張弦索2)，利用“液壓同步頂推滑移”系統將結構累積滑移到位。

滑移區桁架在③～④軸搭設拼裝平臺，每個軸線上有4個支撐胎架，為保證現場吊裝以及工廠加工制作精度，需進行預拼裝。單榀桁架的吊裝分為對稱的5段，如圖3所示。分段對稱累積拼裝，每段在地面上采用臥拼法完成，依次從兩邊到中間對稱吊裝分段1，5，2，4，3，其中分段3中張弦索和撐桿也在地面拼裝好，張弦索進行20%的預張拉，吊裝到位后進行校正和焊接。

圖3 主桁架分段及支撐胎架位置

施工順序：在④軸上完成桁架9的吊裝，張弦索9張拉至設計張拉力的80%，桁架9與支撐胎架脫離→在③軸上完成桁架8的吊裝，張弦索8張拉至設計張拉力的80%，桁架8與支撐胎架脫離→安裝桁架8與桁架9間剛性次桁架，安裝并張拉桁架8與桁架9間柔性次桁架→安裝桁架8與桁架9間主檁、次檁等，向東滑移一個柱距→在③軸上完成桁架7的吊裝，張弦索7張拉至設計張拉力的80%，桁架7與支撐胎架脫離→安裝桁架7與桁架8間剛性次桁架，安裝并張拉桁架7與桁架8間柔性次桁架→安裝桁架7與桁架8間主檁、次檁等，向東滑移一個柱距。依次類推，經過5次累積滑移，完成桁架3至桁架9的滑移施工。然后，按照由③軸到⑨軸的順序，依次張拉每榀桁架張弦索至設計張拉力的100%。

2)吊裝2區

在地面拼裝為吊裝段后，分別采用履帶式起重機分段吊裝，先吊裝⑩軸山墻，之后按照⑨軸向⑩軸方向，依次完成剛性次桁架安裝、柔性次桁架安裝及張拉、主檁及次檁安裝等。

3)吊裝1區

在地面拼裝為吊裝段后，分別采用履帶式起重機分段吊裝，吊裝方向由③軸向①軸依次進行。先吊裝②軸主桁架2，依次完成①軸山墻與②軸主桁架2間剛性次桁架安裝、柔性次桁架安裝及張拉、主檁與次檁安裝等；之后吊裝①軸山墻，依次完成剛性次桁架安裝、柔性次桁架安裝及張拉、主檁與次檁安裝等。最后，張拉桁架2的張弦索至設計張拉力的100%。

2.3 施工重點與難點

整個施工過程存在鋼結構施工、累積滑移施工、預應力索施工，各施工工藝相互交叉，整個結構現場拼裝工作量大、施工工藝復雜、施工協調難度大。

1)拉索沿拱架下弦布置，主要作用為平衡拱架對兩側支座的推力，由于設計方對支座的抗剪、抗拉、抗壓提出了明確的要求，因此在拱桁架施工過程中預應力的施加需滿足設計意圖，即減小拱架對支座的推力，確保支座受力在設計允許范圍以內。

2)鋼結構拱桁架采用累積滑移的施工方法，由于拱架在拼裝和滑移以及承載過程中，拉索索力在各個狀態均不相同，為了確保安裝時拱腳之間的距離，需要對各個狀態的索力進行精確計算，并在施工過程中對索力和結構變形進行監測，確保滑移過程的安全。

3)拱桁架施工分為單榀拼裝、拉索張拉、多榀累積滑移、屋面施工等狀態，為達到設計要求的結構位形、結構內力、支座位置及受力，預應力的施加是一個關鍵工序，因此需要對施工全過程進行施工仿真計算并在施工中進行全過程施工監測，確保施工過程的安全和質量。

4)采取可靠的監測手段，對預應力鋼索的張拉力和鋼結構的變形進行監測，以確保結構施工期的安全，保證結構張拉完成后狀態與原設計相符。

3 施工仿真計算分析

3.1 施工仿真計算的意義

施工仿真計算是預應力鋼結構施工方案中極其重要的工作，因為施工過程會使結構經歷不同的初始幾何態和預應力態，這樣實際施工過程必須和結構設計初衷吻合，加載方式、加載次序及加載量級應充分考慮，且在實際施工中嚴格遵守，才能保證工程施工的質量和安全。施工仿真計算的意義如下。

1)驗證張拉方案的可行性，確保張拉過程的安全。

2)給出每步張拉的鋼索張拉力大小，為實際張拉時張拉力值的確定提供理論依據。

3)給出每步張拉的結構變形及應力分布，為張拉過程中的變形及應力監測提供理論依據。

4)根據計算出來的張拉力，選擇合適的張拉機具，并設計合理的張拉工裝。

5)確定合理的張拉順序。

3.2 基本參數

采用大型通用有限元分析軟件Midas，按照圖紙對結構建立計算模型，構件規格、邊界條件和圖紙一致。結構自重由程序自動計算并考慮1.1倍的系數，采用初拉力的方式模擬預應力的施加。

3.3 預應力張拉

本結構中拉索有3種類型：主桁架的主索、屋面柔性次桁架次索、屋面兩側斜交叉穩定索。主桁架主索分2級張拉，第1級張拉至設計張拉力的80%，第2級張拉至設計張拉力100%；屋面柔性次桁架次索采用一級張拉至設計張拉力的100%；屋面兩側斜交叉穩定索采用一級張拉至設計張拉力的100%。

1)③～⑨軸的7榀主桁架依次吊裝到③～④軸的拼裝平臺上，在該平臺上將主索張拉至設計張拉力的80%，此時主桁架脫離了中間支撐胎架，③～⑨軸主索最大張拉力為415kN。

2)③～⑨軸的主桁架在累積滑移過程中，由于主桁架主索已經張拉至設計張拉力的80%，結構豎向最大撓度為72mm，最大起拱值為422mm，變形處于可控范圍內，滑移過程中，鋼結構的最大拉應力169MPa，最大壓應力180MPa，說明滑移方案安全可行。

3)滑移完成后，③～⑨軸的主桁架就位,完成與相應的支座焊接固定工作，依次張拉③～⑨軸的主桁架主索至設計張拉力100%，此時主索內力最大值478kN，結構豎向最大撓度為59mm，最大起拱值為441mm，鋼結構的最大拉應力183MPa，鋼結構的最大壓應力179MPa。

4)柔性次桁架的次索隨柔性次桁架安裝完成后，一級張拉至設計張拉力，③～⑨軸柔性次桁架中間水平索的最大張拉力為630kN。

5)吊裝1區②～③軸次索索力最大值為441kN， 吊裝1區斜交叉穩定索索力最大值為166kN，吊裝2區斜交叉穩定索索力最大值為163kN。

3.4 計算結果

滑移過程中計算結果如表1所示，整個結構在施工全部結束后結構各項指標計算結果如表2所示。

表1 滑移過程中計算結果統計

表2 全部施工完畢后計算結果

4 施工工藝

本工程的監測項目包括鋼框架變形與拉索索力。索網幕墻中外圈鋼環梁在拉索拉力作用下會有變形產生，而其變形又會在一定程度上影響索力的分布，為了獲知這種相互影響的大小，只有通過綜合監測，才能把握此類結構的實際受力狀態，并對施工過程中的偏差加以綜合控制。變形監測采用全站儀，索力監測采用法國Tractel 索力測試儀。

4.1 拼裝與吊裝工藝

本工程桿件在地面采用臥拼法進行拼裝，拼裝分為以下3部分：吊裝區桁架現場拼裝、滑移區現場拼裝、山墻部分桁架拼裝。

本吊裝需要考慮的因素主要有：大跨度桁架變形的控制、倒三角式的主桁架安裝定位后要保證桁架的穩定性、高空焊接和焊接變形的控制、工程場地和環境條件限制。

4.2 預應力張拉工藝

張弦主索在桁架一端均設置調節端，采用單端張拉的方式；柔性次桁架次索采用張拉中間水平索調節端的方式，單端張拉；屋面兩側斜交叉穩定索，采取單端張拉調節端的方式施加預應力(見圖4)。

圖4 拉索張拉位置示意

4.3 張拉力控制參數

預應力的張拉采取索力控制為主，通過油壓傳感器的數值反映拉索張拉力，以拉索的伸長值控制為輔，同時考慮結構變形。結構全部施工張拉完成后，對索力進行監測，根據實測的索力值，確定是否進行索力的調整。根據計算結果，各榀張弦桁架主索和屋面拉索索力之間相互影響較小，故可將主次桁架全部張拉完成狀態下的索力作為索力調整的目標值，進行索力調整。

4.4 累積滑移

采用雙軌道雙動力驅動滑移，其優點是不破壞支座管結構，滑移推動力均衡、結構穩定。滑移時，主桁架結構支座之間需要設置拉桿(見圖5)，直接傳遞水平向的荷載。在結構全部滑移到位后，拆除滑移設備后進行卸載作業，采用千斤頂將桁架頂起，再拆除下滑移軌道，將原將結構支座安裝后，將桁架下落至設計位置，完成結構的卸載。

圖5 滑移需要的拉桿位置

本工程預應力施工貫穿在整個鋼結構安裝過程中，從滑移前預緊、胎架卸載，再到結構成型態張拉，結構受力狀態隨著施工階段的推進變化較大，需選取若干關鍵施工階段進行變形和應力監測，整個施工過程中變形和應力監測可進行4次數據采集： ①滑移區結構安裝就位時； ②拆除吊裝區吊裝用和滑移用支撐胎架時； ③主索張拉完成時； ④屋面拉索張拉完成時。

對變形的監測采用全站儀和反光片。變形監測點在每一榀桁架端部、1/4跨和跨中布置；結構張拉成型后，應對撐桿垂直度進行監測，以使結構受力狀態與設計一致，保證結構安全；撐桿垂直度采用全站儀進行監測，選取中間一榀張弦桁架，在撐桿上、下端合適位置粘貼反光片；對鋼結構應力的監測采用振弦應變計，在張拉過程中選取邊榀和中間榀的張弦桁架進行應力監測，在張弦桁架端部、1/4跨和跨中布置振弦應變計，應變計的粘貼位置為桁架上表面。

在施工過程中，為保證施工質量，對結構進行施工監測。在整個施工過程中，監測以拉索索力控制為主，結構位移控制為輔。其中，位移監控預警值為理論變形的±10%且超過±10mm；撐桿垂直度允許偏差為撐桿長度的1/150，且不大于50mm；索力監控預警值為理論值的±5%。

5 結語

1)為實現大跨度干煤棚結構，采用了新穎的預應力鋼桁架結構體系，引入預應力體系，降低了用鋼量和工程成本，可以取得良好的經濟效益。

2)由于施工現場條件的制約，施工采用了先進的累積滑移+分段吊裝的施工工藝，不僅技術合理，也解決了施工現場無法移除堆煤區的難題。

3)施工前做了大量的準備工作，采用Midas做了施工模擬仿真計算分析，施工方案進行了專家論證，施工中采取了有效的監測手段，保證了工程的順利進行。

4)目前，本工程已經施工完畢并投入使用，實踐證明此種施工方法和施工工藝取得了較好的效果，為今后類似工程提供了參考。