超大跨度張弦拱形桁架空間原位施工技術

付小敏，張德欣，杜彥凱，馬翠娟

（1.北京市機械施工集團有限公司，北京 100045；2.北京市建筑工程研究院有限責任公司 北京 100039）

1 工程概況

如圖1、圖2 所示，某工程封閉煤場鋼結構工程平面投影尺寸286m×208.2m。鋼結構煤棚軸線跨度202.2m，長度286m，東西方向軸間距35m，上部桁架上弦管芯高度54.61m。結構共有9 榀拱形桁架，其中7 榀預應力索主桁架、2 榀山墻桁架。相鄰主桁架間設置11 榀次桁架，共計88 榀次桁架，東西兩側為山墻桁架。

圖1 拱形桁架三維圖

圖2 結構平面布置圖

主桁架為封閉煤棚主要受力構件，桁架弦桿最大截面規格為P500×25，最小截面規格為P299×8，拱形桁架為倒梯形立體桁架，桁架上弦寬度6m，下弦寬度4m，桁架高度6m（圖3）。

圖3 主桁架

2 技術特點

超大跨度預應力拱形桁架鋼結構空間原位施工技術主要特點如下。

1）該施工技術既適用多段多階超大跨度預應力拱形桁架設計位置安裝，也可用于桁架空間平移后的“原位”安裝。

2）大跨度拱形桁架采用現場拼裝，分段安裝高空對接的方法，單榀桁架安裝時遵循從兩端向中間順序。

3）預應力索采用汽車起重機安裝，局部登高車配合，先安裝和張拉主索然后安裝和張拉穩定索。主索采用兩端張拉，穩定索單邊張拉。

4）超大跨度桁架臨時支撐點位設置要結合預應力拉索節點，臨時支撐架兼做預應力拉索張拉操作平臺。

5）臨時支撐架主要采用山墻立柱桁架和山墻次桁架。

6）預應力拉索張拉和臨時支撐卸載相互影響，張拉前須將穩定索與桁架連接節點處的臨時支撐卸載。

3 關鍵技術

超大跨度張弦拱形桁架空間原位施工技術其主要施工流程為：桁架地面拼裝→架設滑移軌道（采用整體滑移時需要）和臨時支撐架→吊裝主桁架第一、第五分段（拱腳分段）→主桁架第二、第四分段組拼→吊裝中間分段→完成1 個單元吊裝、焊接→拉索張拉→卸載支撐架（滑移）。

3.1 大型立體桁架整體臥拼技術

主桁架為彎曲空間立體桁架，跨度202.2m，弧長約265m，斷面為6m×4m×（5～8)m（圖4），彎曲矢高53.61m，單榀主桁架構件數量約520 根，拼裝精度要求高，拼裝難度大。根據結構的特殊性以及現場的具體施工條件，主桁架采用整體胎架分段臥拼的方式（圖5）：將主桁架繞拱腳中心線連線旋轉90 度放平，預起拱拼裝；胎架立柱采用?180×6 鋼管間距6000mm，胎架牛腿采用HM148×100×6×9型鋼；立柱間頂部設置通長通道。

圖4 主桁架斷面圖

圖5 桁架拼裝流程

大跨度主桁架采用整體胎架在現場分段整榀拼裝；次桁架、山墻連系桁架均采用整體臥拼的方式進行（圖6）。

圖6 主桁架現場拼裝

3.2 臨時支撐點位設置及支撐架

桁架支撐架設置時考慮靠近預應力索節點處拉索施工，本項目軸線跨度202.2m，共設置6 組臨時支撐架；臨時支撐架較高，兩個成對使用，主要采用山墻結構抗風柱和山墻次桁架，以減少輔助工裝（圖7）。

圖7 主桁架臨時支撐

3.3 大型異形桁架吊裝技術

3.3.1 桁架分段

結合臨時支撐、吊裝設備選擇以及現場場地情況，將主桁架分成7 段，如圖8 和表1 所示。

表1 桁架吊裝分析

圖8 主桁架分段圖

3.3.2 大型復雜桁架構件翻身

如圖9 所示，主桁架分段單元吊裝前處于平臥狀態，構件需要在吊裝前轉換位置進行構件翻身，采用兩臺履帶起重機進行構件位置轉換，其中1 臺吊車按吊裝主桁架方式進行吊索具設置（2個吊點），另1 臺吊車進行輔助吊裝，兩臺吊車同時起鉤使構件脫離地面，輔助吊車靜止，主吊車緩慢進行起鉤，直至構件位置轉換到設計位置后，2 臺汽車起重機同時落鉤，構件與地面接觸后，輔助汽車起重機進行摘鉤后，主汽車起重機重新設置吊索具進行桁架吊裝。

圖9 桁架吊裝翻身示意圖

3.3.3 中間桁架單車吊裝

桁架吊裝吊點選擇在桁架上弦，每個吊次選擇至少4 個吊點，吊點選擇在上弦節點處，在吊裝時，吊鉤保證在吊裝構件質心正上方，采取鋼絲繩捆綁式吊裝。

3.3.4 大型弧形桁架雙機抬吊

拱腳桁架長度約24m，彎曲矢高2 450mm，重量約40t，起吊前平臥放置，就位時78°豎立放置，吊裝采用雙機抬吊翻身和扳起就位（圖10）。

圖10 弧形桁架雙機抬吊

3.4 多段多階桁架拉索張拉和支撐架卸載技術

3.4.1 多段多階預應力拉索索力確定

根據設計單位提供的拉索預應力值，進行施工仿真計算，對索力進行工況分析，計算可得，索力變化曲線如圖11 所示。

圖11 索力變化曲線

3.4.2 拉索高空安裝

桁架拉索分為受力索和穩定索，受力索分為主索和邊索，穩定索為抗風索，每榀桁架安裝完成后即開始拉索（圖12、圖13）。拱桁架最大跨度202m，受力拉索規格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。在放索過程中為了保護拉索還需要做到拉索和胎架不能發生碰撞，因此對高空放索安全要求很高。撐桿隨主桁架一同吊裝，拉索由吊車和登高車配合安裝。

圖12 拉索軸測圖

圖13 拉索現場安裝圖

3.4.3 拉索張拉和支撐架卸載技術

如圖14 所示，主桁架吊裝時，每榀主桁架分成7 段，共設置6 組臨時支撐架。主桁架鋼索張拉時對臨時支撐架受力會產生明顯影響。施工時，靠近拱腳的兩組臨時支撐在拉索張拉前先行卸載；受力主索張拉完成后，安裝拉索交叉節點斜拉桿和穩定索，張拉穩定索至設定值，完成多段多階預應力拉索張拉；按位移逐級卸載中間四組臨時支撐架，采用火焰和沙漏卸載。

圖14 拉索張拉和臨時支撐卸載流程

如圖15 所示，桁架張弦主索在桁架兩端均設置調節端，采用兩端張拉的方式，雙端張拉。一端先張拉50%，然后到另一端張拉至100%。張弦穩定索采用調節端單端張拉方式。

圖15 拉索張拉方式

桁架拉索張拉力最大約200t，張拉過程中1臺油泵帶2 個150t 千斤頂工作。預應力鋼索張拉采用雙控，以索力控制為主、變形控制為輔。預應力鋼索張拉完成后，應立即測量校對。如發現異常，應暫停張拉，待查明原因，并采取措施后，再繼續張拉。油泵啟動供油正常后，開始加壓，當壓力達到鋼索設計拉力時，超張拉5%左右，然后停止加壓，完成預應力鋼索張拉。張拉時，要控制給油速度，給油時間不應低于0.5min。

4 結語

該煤場封閉鋼結構工程超大跨度預應力拱形桁架共7 榀，桁架跨度大、桿件多，單榀桁架重量大、施工場地受限，又要保證電廠發電工作的正常運轉，因此施工難度極大。采用本施工方法，高質高效完成了7 榀張弦拱形桁架的施工，安裝過程中計算最大擾度為96mm，實際預起拱105mm，實測豎向變形為100mm 與模擬值非常吻合。

本文施工方法臨時支撐架設置考慮拉索施工，減少了拉索操作架；臨時支撐架采用結構構件周轉，減少施工輔助工裝材料；多段多階預應力索索力一次張拉完成，施工簡單方便；地面整體拼裝，空間原位安裝，預應力拉索原位安裝張拉，工程施工精度高；此方法可以在設計位置安裝，也可以是設計位置平移后的“原位”，配合滑移施工時可以不是軸線位置安裝，施工比較靈活。在既有廠區采用此施工方法經濟合理、安全可靠，還解決了大跨度張弦拱形鋼結構的受力索、穩定索之間的張拉以及支撐架的卸載問題，可供類似工程提供借鑒。