超大跨度張弦拱形桁架帶水平側力滑移施工技術

付小敏，張德欣，馬翠娟

（北京市機械施工集團有限公司，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應力結構，自重大、水平側向力大，且同一桁架每個端部有兩個支座，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，某工程封閉煤場鋼結構棚軸線跨度202.2m，長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，鋼結構棚重約3 500t。

圖1 拱形桁架三維圖

圖2 結構平面布置圖

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。桁架設置有受力主索和抗風穩定索，主索采用2×?66 的高釩拉索，強度1 670MPa，每根長140m。每榀桁架設置兩道抗風吸的穩定索，采用?80 的高釩拉索。拉索通過撐桿和上部桁架下弦相連，每榀7 根撐桿，撐桿為V 字型，最長撐桿11.7m，撐桿截面有P219×10mm、P273×14mm、P299×12mm3 種。穩定索通過斜拉桿和桁架相連，斜拉桿為V 字型，截面為P299×12mm。每榀張弦桁架在兩端設置有兩個支座，間距4m。

圖3 主桁架

結構下部為既有煤場，煤場需要保證電廠正常生產運轉的限定條件，大量堆煤不能騰挪，因此只能采用累積滑移的施工技術。

2 工程重難點分析

1）202.2m 超大跨度張弦拱形桁架，其空間原位拼裝、累積滑移過程，結構安全控制難度大。

2）張弦桁架結構索分為主索、邊索和穩定索，索的預應力張拉難度大。

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

3.1 臨時支撐

為滿足張弦拱形桁架累積滑移施工的需要，設計的臨時支撐包括桁架安裝臨時支撐和滑移軌道體系，臨時支撐如圖4 所示。

圖4 臨時支撐布置圖

3.1.1 桁架安裝臨時支撐

桁架安裝臨時支撐設置時考慮靠近預應力索節點處方面拉索施工，本項目軸線跨度202.2m，結合支撐材料數量、吊裝設備選擇以及現場場地情況，主桁架分成7 段共設置6 組臨時支撐架；每組臨時支撐架兩個，中心間距4 000mm，為減少輔助工裝主要采用山墻結構抗風柱和山墻次桁架；支撐頂部采用H300×200×16×20mm 型鋼梁做成平臺，并在下部增加?180×8mm 斜撐；臨時支撐從拉索下部約4m 處分段，通過法蘭連接，方便卸載滑移。桁架安裝臨時支撐如圖5 所示。

圖5 桁架安裝臨時支撐

3.1.2 滑移軌道體系

本工程在桁架端部基礎間累積滑移，過程中較大的水平側向力，滑移軌道體系作為滑移施工的臨時支撐，包括滑移基礎、滑移梁、滑軌和斜撐?；苹A采用混凝土基礎與已有擋煤墻基礎連成一體，寬4 200mm，高650mm，在柱間通長設置；滑移梁采用1 425×500×12（25）mm“目”型鋼梁，材質Q235，每間隔2 000mm 設置1 道?203×8 斜撐；滑軌采用43#重軌，滑移軌道體系如圖6 所示。施工過程中滑移梁旁彎≤L／1 000且不大于20mm，鋼梁內側表面要平滑；軌道拼接處高差≤1mm，接頭當凸起過大時，進行打磨處理，將表面磨光，嚴禁出現硬錯臺。

圖6 滑移軌道體系

3.2 滑移單元劃分及頂推點位布設

3.2.1 滑移單位劃分

考慮到結構特點及施工過程中盡量減小場地占用，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 軸桁架結構，結構兩端采用原位安裝，如圖7 所示。

圖7 滑移單元劃分圖

3.2.2 滑移頂推點位布設

如圖8 所示，頂推設備選用TX-60-J 型液壓頂推器，額定頂推力570kN。根據鋼材間摩擦系數、豎向力及水平力的數值分析設置頂推器的數量。豎向為滑塊和鋼軌直接接觸為滑動摩擦；水平側向為滾輪主要為滾動摩擦，但考慮到可能用滑動情況，亦取滑動摩擦計算。根據相關資料和以往經驗，鋼軌與滑塊間涂抹黃油滑動摩擦系數取0.15，同時考慮到滑移過程雙向受力、結構跨度大、滑移結構面積大等因素阻力系數取1.4，頂推器計算如表1 所示。頂推點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行臨時拉結。

表1 頂推器計算表

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程，初始單元滑移如圖9 所示，依次循環直至完成整個結構累積滑移。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）桁架拼裝及臨時支撐安裝 將主桁架旋轉90°采用整體胎架在現場地面分段整榀拼裝，次桁架、山墻連系桁架均采用整體臥拼的方式進行。同時在現場安裝位置設置桁架臨時支撐，并在沿滑移軸線方向布置滑移裝置，包括滑移梁、滑移導軌，滑移導軌上設置滑移機構。

2）桁架安裝 桁架安裝采用260t 履帶起重機塔式工況進行，主桁架分成7 段，拱腳段采用兩臺履帶起重機抬吊安裝；次桁架整根直接安裝。根據先主桁架后次桁架順序，將結構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，先受力主索再穩定索，后文有詳細描述。

4）支撐截短和結構滑移 張弦桁架拉索張拉完成后，結構滑移前需要將桁架的臨時支撐頂部一段拆除，使臨時支撐高度小于拉索標高。然后采用楔塊式頂推器將結構滑移1 個柱距35m。

3.4 多段多階預應力拱形桁架拉索施工和支撐架卸載綜合技術

3.4.1 多段多階預應力拉索張拉力確定

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。根據拉索設計值，進行施工過程仿真分析，對索力進行工況分析，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 穩定索張拉，步驟4 桁架支撐架卸載的影響，相鄰桁架施工對索力影響不大。根據索力變化情況，確定拉索張拉值為受力索1 940kN，穩定索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，在放索過程中需要做到拉索和胎架不能發生碰撞。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 拉索軸測圖

圖12 拉索現場安裝圖

3.4.3 多段多階預應力拱形桁架拉索張拉和支撐架卸載綜合技術

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；中間4組臨時支撐架按位移逐級卸載，采用火焰切割和沙漏方式卸載，具體流程如圖13 所示。

圖13 拉索張拉和臨時支撐卸載流程

桁架張弦受力索在桁架兩端均設置調節端，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%；穩定索采用調節端單端張拉的方式，單端分級張拉至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。

3.5 水平側向力影響分析和控制措施

3.5.1 水平側向力分析

取4 榀桁架作為研究對象，分別考慮桁架拱腳向往位移20mm、拉索預應力增加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 個拱腳支座的水平側向力的不同，如圖15 所示，支座剛接和鉸接對其水平側向力幾乎沒有影響，故沒有列入曲線。

圖15 支座水平側向力圖

由圖15 可以看出：預應力張拉完成后，拱腳向外位移20mm，各支座的水平外推力減小約1.69t；拉索預應力值增加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，且差異進一步加大；滑移出現不同步時，會使支座水平外推力的差異加大。

3.5.2 抗水平力滑移節點

抗水平力滑移節點主要包括平衡臂、側向擋塊、鋼滑塊、滑移基座等。主桁架滑移過程中存在較大的側向水平推力，滑移過程中滑移節點除了要抵抗結構豎向力外，還有抵抗水平側向力。綜合原有結構的特點和缺點，對鋼結構滑移機構進行設計、大膽改進（圖16），滑移機構通過滑板裝置與滑移導軌配合、平衡臂通過銷軸與基座結合固定，且平衡臂滾輪與滑移梁一側承載受力面滾動配合，該滑移節點平衡機構優勢與創新如下：采用滾動方式，解決滑動摩擦力大的問題，解決現場該滑移施工滑動摩擦力大、不好操作的問題，減少了摩擦阻力；有效降低水平力作用點作用位置，從而降低了對鋼梁和基礎的影響作用，解決了水平力作用點不易控制的問題；采用平衡臂形式，通過平衡臂自動找平特點，可以有效平衡滑移施工中側向水平力，保證施工過程的安全性。直角座會起臨時滑移的支撐作用，滑移裝置的雙重保障，滿足滑移要求的安全性要求。

圖16 滑移節點

3.5.3 降低水平側向力影響的其它措施

除了設計抗水平力的滑移節點外，在現場施工時還采取了一些針對性的措施來降低水平側推力的影響，保證了滑移的順利實施：在結構受力許可范圍內增加拉索的預應力值，以減小支座的水平力；為了降低溫度變化對支座水平力的影響，選擇在早晨4 點至8 點溫度比較穩定時間滑移；滑移過程中除了設備自動控制同步外，還降低滑移速度、增設人工輔助測控，嚴格控制滑移同步。

3.6 滑移施工監測

超大跨度張弦桁架結構，采用累積滑移施工方法，特別第一次滑移時僅用兩榀桁架，結構安全穩定尤為關注?；七^程中主要進行結構變形監測和應力監測。

1）變形監測 施工中在桁架上弦（滑移方向那側）跨度中心、四分之一及穩定索端部處貼好反光片，并記錄好初始坐標，滑移過程中，采用全站儀觀測其坐標，重點觀測初始單元啟動滑移時的側向變形情況。根據現場實測，初始單元滑移時8 軸桁架w3 觀測點桁架豎向變形約10mm，水平向變形約54mm 為最大變形，結構時安全的（圖17）。

圖17 滑移變形監測點

2）應力監測 主要針對初始滑移單元在7軸、8 軸主桁架受力較大的桿件上設置了30 個振弦式應變計，獲取了桁架弦桿、腹桿和撐桿應變，而后通過虎克定律計算獲取力值，測試周期時間為6s，總計獲取數據7 000 多條。經數據分析，索張拉及卸載過程對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，測試桿件受力影響較小，變化范圍約10MPa，主要為溫度影響，說明整體滑移施工過程對絕大部分桿件的受力影響不大，滑移施工對結構是安全的。

3.7 大跨度張弦桁架支座轉換技術

結構滑移拱腳支座共有24 個，支座同步轉換難以實現。根據實際情況并經過分析計算，采取從9 軸向2 軸逐榀順序轉換，單榀桁架4 個支座同時施工。滑移節點及滑移軌道設計時，充分考慮后期結構卸載及支座轉換安裝的需要。支座轉換時先用千斤頂把滑移節點撐起來，去掉滑移導軌，放入成品支座，切掉多余板材，去掉千斤頂，完成支座轉換。

4 結論

某煤場超大跨度張弦桁架鋼結構采用累積滑移施工方法，共滑移4 次，長度175m，該方法可以快速地完成大跨度張弦拱形鋼結構桁架搭建施工，無需架設大量的支撐系統和施工作業腳手架，安全可靠，降低施工成本，提高施工效率。采用平衡臂滑移節點可有效平衡大跨張弦拱形桁架滑移施工中產生的側向水平力，摩擦阻力小，零部件可被重復利用，安裝及拆卸方便，可滿足滑移施工要求的安全性。在料場封閉環保工程中的成功使用可以有效地較少施工用地，減少施工設備工具在現場的二次搬移，便于施工現場的管理，確保施工現場安全。同時可以保證電廠的煤存儲任務盡量不受現場施工的干擾，確保了電廠的日常工作。本工程的成功實施，為今后類似工程建設提供了多一份的選擇。結論如下。

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構較為復雜，采用滑移法施工，有一定的技術風險，對施工仿真和施工設計都提出較高的要求，需要較強的綜合技術能力；特別是水平側向力對滑移影響非常大，需要重點關注，做好切實可行的應對措施。

3）采用累積滑移的施工方案，能較大的節省施工場地，減少儲料和既有設備的倒運，能夠保證廠區的正常運作，非常適用于已經投產的堆料場地封閉施工。

4）此類環保封閉大跨度張弦拱形桁架適合設計施工一體化，特別時采用滑移施工時，結構基礎和滑移基礎、側向水平力和拉索預應力值需要綜合考慮才能達到經濟最優。