CN101029518A - 大跨度双向张弦钢屋架的施工方法 - Google Patents

Abstract

一种大跨度双向张弦钢屋架的施工方法，先在地面拼装纵向桁架的各段；然后在高空组装平台上将纵向桁架的各段拼成一榀纵向桁架，再组拼两榀纵向桁架；在两榀纵向桁架之间拼装横向桁架，构成钢屋架上层单元，钢撑杆上端与屋架上层单元固定连接，钢撑杆下端连接索夹节点，纵向预应力索和横向预应力索穿过索夹节点，构成钢屋架滑移单元；使钢屋架滑移单元沿滑道向前滑移一个柱距，纵向预应力索和横向预应力索随屋架钢结构一起滑移并预紧，依次往复，逐跨组装纵向桁架和横向桁架，逐跨推进，直至滑移到位；待钢屋架滑移就位后，使支座与钢屋架连接，进行预应力索张拉。本发明用材省，工期短，施工费用少，承载力高，结构稳定性好。

Description

大跨度双向张弦钢屋架的施工方法

(一)技术领域

本发明涉及一种预应力张弦钢屋架的施工方法。

(二)背景技术

国家体育馆是北京2008年奥运会三大主场馆之一，奥运期间将主要进行体操比赛、手球决赛，残奥会进行轮椅篮球比赛。其建筑由比赛馆、热身馆组成，比赛馆可容纳观众约1.8万人，总建筑面积80890m²，地下一层、地上四层。屋盖平面投影为两个矩形，纵向长195.5m，横向宽114m，分别覆盖比赛馆和热身馆，其中比赛馆尺寸为114m×144.5m，热身馆尺寸为51m×63m。由于比赛馆跨度超大，四周有多层看台，看台结构是主体劲性钢筋混凝土框架的一部分，已先期施工，另外工期紧，施工总体安排需要组织立体交叉施工，最大限度地减少对其他后续分项工程的影响，因此，如此大跨度的钢屋架及其施工就成为施工中的技术难题。

目前国内外的大跨度预应力钢结构屋盖采用的大都是单向张弦桁架结构或单向张弦梁，尚无双向张弦桁架钢结构预应力张拉工程先例。如上海浦东国际机场航站楼，张弦梁结构的跨度为82.6m，广州国际会展中心，张弦桁架结构的跨度为126.5m、哈尔滨体育会展中心，张弦桁架结构的跨度为126.8等。在国外方面，英国伦敦的千禧穹顶跨度达325m，但采用的是域内多点支承结构体系。日本也有十几座张弦体系的场馆如Green Dome Maebashi，Ogasayama Dome，Urayasu Municipal Sports Hall等，其中Green Dome Maebashi的平面尺寸达167×122m。

(三)发明内容

本发明的目的是提供一种大跨度双向张弦钢屋架的施工方法，要解决加快大跨度双向张弦钢屋架施工速度、降低施工费用、不影响其它后续分项工程的问题。

本发明的目的是这样实现的：

一种大跨度双向张弦钢屋架的施工方法，其特征在于施工步骤如下：

(1)、先在地面拼装纵向桁架的各段；

(2)、然后在高空组装平台上将纵向桁架的各段拼成一榀纵向桁架；

(3)、在高空组装平台上组拼两榀纵向桁架；

(4)、在两榀纵向桁架之间拼装横向桁架，构成钢屋架上层单元；

(5)、安装钢撑杆，钢撑杆上端与屋架上层单元固定连接，钢撑杆下端连接索夹节点，纵向预应力索穿过索夹节点的纵向索孔道，横向预应力索穿过索夹节点的横向索孔道，形成钢屋架下层单元，钢屋架上层单元和钢屋架下层单元共同构成钢屋架滑移单元；

安装钢屋架下层单元，安装钢撑杆，在其下端连接索夹节点，纵向预应力索穿过索夹节点的纵向索孔道，横向预应力索穿过索夹节点的横向索孔道，构成钢屋架滑移单元；

(6)、使钢屋架滑移单元沿高空支撑架上的滑道向前滑移一个柱距，纵向预应力索和横向预应力索随屋架钢结构一起滑移，但不张拉，仅预紧，预紧力为10％索张拉力；

(7)、依次往复，逐跨组装纵向桁架和横向桁架，逐跨推进，直至滑移到位；

(8)、待钢屋架滑移就位后，使支座与钢屋架连接，进行预应力索张拉。

上述(8)中，预应力索张拉分三级施加预应力，第一级预应力索张拉施加80％，第二级施加至105％设计索力，第三级根据张拉监测结果对索体进行细微调整，调整到设计要求的索力。

上述第一级预应力索张拉是用千斤顶由钢屋架四角往中间双向对称张拉，每次张拉四根预应力索，第一级张拉完成后，将千斤顶从中间向两侧移动进行第二级张拉，直至符合设计要求。

上述的大跨度双向张弦钢屋架结构：钢屋架的边端由支座支撑在建筑周边的支撑体系上面，其特征在于：钢屋架呈波浪形曲面造型，其平面投影为矩形，纵向的支座在垂直方向呈曲线状布置；钢屋架上层单元由横向桁架和纵向桁架交织成网格形正交钢桁架，每榀桁架由上弦杆、下弦杆，斜向连接于上弦杆与下弦杆之间的人字形腹杆组成，上弦杆与人字形腹杆顶部交接处为焊接球节点，下弦杆与人字形腹杆下端部交接处为铸钢节点，钢屋架下层单元为钢撑杆及双向预应力空间张拉索网，钢撑杆的顶端与钢屋架上层单元的铸钢节点固定连接，钢撑杆的下端连接索夹节点，索夹节点开有上下错开的纵向索孔道和横向索孔道，纵向预应力索穿过纵向索孔道，横向预应力索穿过横向索孔道，形成双向预应力空间张拉索网。

上述双向预应力空间张拉索网的网格间距可为8-10m。

上述纵向预应力索和横向预应力索可以是双根或单根的挤包双护层大节距扭绞型缆索。

上述钢撑杆径向连接翅片，其长度可以是1-10m。

上述上弦杆和腹杆可以是无缝圆钢管。

上述下弦杆可以是矩形钢管。

上述钢撑杆的顶端为葫芦头状，该葫芦头嵌入两节点卡板和盖板组成的卧槽中，并由高强螺栓固定连接。

本发明与现有传统技术相比具有的有益效果：本发明为双向张弦预应力空间结构体系，施工中采用了地面分段组装，高空整榀拼装，纵向桁架横向带索累积滑移，滑移到位后进行双向预应力索分级对称张拉的施工工艺。本发明的钢屋架为曲面造型，使桁架下弦纵向支座呈竖曲线状布置；桁架节点构造复杂、种类多，本发明采用了球节点、铸钢节点；钢撑杆下端与索采用带钢球的索夹节点连接。本发明的钢屋架同时满足了外形美观、跨度超大、用材省、承载力高、结构稳定性好的要求。

本发明采用沿横向滑移的方法，桁架滑移采取了带索滑移的方法。滑移跨度大，滑移次数少，附属工作所占比例高，从效益上看似乎不合算，但可以解决本工程遇到的特殊情况，滑移轨道变成了水平、直线，可以由逐条滑移改为累积滑移。在平台上能先组成双向结构，滑移时更接近设计状态；减少了滑移后的高空作业量，达到了减少对其他工序的影响，能组织交叉施工的目的。为最大限度减少屋盖施工对其他工序的影响，该钢屋架施工速度快、缩短了工期，降低了施工费用。本发明采用双向张弦桁架结构和带索累积滑移方法，施工期间其他工序按计划实现了交叉，保证了施工总体部署的实现。在钢屋盖施工过程中，为了控制钢结构的施工精度和施工安全，对结构形态、就位精度、应力应变等进行了实时监测，已完成工序的监测数据显示，监测结果与理论分析基本吻合，处于预控范围之内。

(四)附图说明

图1是屋架钢结构的示意图。

图2是钢屋架的纵剖面的结构示意图。

图3是钢屋架的横剖面的结构示意图。

图4是钢屋架下层结构的示意图。

图5是钢撑杆上端节点分解图。

图6是钢撑杆下端索夹节点分解图。

图7是支撑体系及滑道的俯视示意图。

图8是第一级预应力索张拉顺序的示意图；

图9是第二级预应力索张拉顺序的示意图。

图10是钢屋架的立体结构示意图。

图11是本发明施工步骤的示意图。

图12是本发明施工步骤的示意图。

图13是本发明施工步骤的示意图。

图14是本发明施工步骤的示意图。

图15是本发明施工步骤的示意图。

图中：1-纵向预应力索、2-横向预应力索、3-钢撑杆、4-上弦杆、5-下弦杆、6-支座、7-腹杆、8-焊接球节点、9-铸钢节点、10-索夹节点、11-纵向索孔道、12-横向索孔道、13-承重柱、14-边滑道、15-中滑道、16-钢屋架、17-翅片、18-葫芦头、19-盖板、20-节点卡板、21-高强螺栓。

(五)具体实施方式

实施例参见图1所示，钢屋架16呈波浪形曲面造型，其平面投影为矩形，纵向的支座在垂直方向呈曲线状布置。

参见图2-5，这种大跨度双向张弦钢屋架的边端由支座6支撑在建筑周边的支撑体系上面。钢屋架16的平面投影为两个矩形，纵向长195.5m，横向宽114m，分别覆盖比赛馆和热身馆，其中比赛馆尺寸为114m×144.5m，热身馆尺寸为51m×63m，钢屋面呈南高北低的波浪形曲线，结构最高点标高为42.454m。比赛馆钢屋盖结构形式为单曲面双向张弦桁架钢结构，其上层为正交正放的平面桁架(横向18榀，纵向14榀)，网格间距为8.5m，结构高度为1.518～3.973m。钢屋盖(包括热身馆)投影面积22788m²，总重量约3000t。上述上弦杆4和腹杆7是无缝圆钢管。上述下弦杆5是矩形钢管。桁架材质为Q345C。下层为钢撑杆及双向预应力空间张拉索网，横向14榀，纵向8榀带索，横向为双索，纵向为单索，钢索采用挤包双护层大节距扭绞型缆索，强度等级1670MPa，φ5×109～φ5×367；钢撑杆3为φ219×12的钢管，最长9.248m。

参见图2-4，钢屋架上层单元由横向桁架和纵向桁架交织成网格形正交钢桁架，每榀桁架由上弦杆4、下弦杆5，斜向连接于上弦杆与下弦杆之间的人字形腹杆7组成，上弦杆4与人字形腹杆7顶部交接处为焊接球节点8。下弦杆5与人字形腹杆7下端部交接处为铸钢节点9。钢屋架下层单元为钢撑杆3及双向预应力空间张拉索网，钢撑杆3的顶端与钢屋架上层单元的铸钢节点9固定连接，钢撑杆3的下端连接索夹节点10。，索夹节点开有上下错开的纵向索孔道11和横向索孔道12，纵向预应力索1穿过纵向索孔道11，横向预应力索2穿过横向索孔道12，形成双向预应力空间张拉索网。上述双向预应力空间张拉索网的网格间距为8-10m。

参见图5，为加强钢撑杆的强度，在钢撑杆3径向四方向分别连接四个翅片17，钢撑杆3的顶端为葫芦头18的形状，该葫芦头18嵌入两节点卡板20和盖板19组成的卧槽中，并由高强螺栓21固定连接。

参见图6，支撑体系可包括承重柱13或承重墙体、支架及滑道。钢桁架通过六个三向固定球铰支座和五十四个单向滑动球铰支座支承在周边劲性钢筋混凝土柱顶。

上述的大跨度双向张弦钢屋架的施工方法，其特征在于施工步骤参见图10-15：

(1)、先在地面拼装纵向桁架的各段；

(2)、然后在高空组装平台上将纵向桁架的各段拼成一榀纵向桁架。

(3)、在高空组装平台上组拼两榀纵向桁架。

(4)、在两榀纵向桁架之间拼装横向桁架，构成钢屋架上层单元。

(5)、安装钢撑杆3，钢撑杆上端与屋架上层单元固定连接，钢撑杆下端连接索夹节点10，纵向预应力索1穿过索夹节点的纵向索孔道11，横向预应力索2穿过索夹节点的横向索孔道12，形成钢屋架下层单元，钢屋架上层单元和钢屋架下层单元共同构成钢屋架滑移单元。

参见图4、图5。

(6)、使钢屋架滑移单元沿高空支撑架上的滑道向前滑移一个柱距，纵向预应力索和横向预应力索随屋架钢结构一起滑移，但不张拉，仅预紧，预紧力为10％索张拉力；

(7)、依次往复，逐跨组装纵向桁架和横向桁架，逐跨推进，直至滑移到位；

(8)、待钢屋架滑移就位后，使支座与钢屋架连接，进行预应力索张拉。

上述(8)中，预应力索张拉分三级施加预应力，第一级预应力索张拉施加80％，第二级施加至105％设计索力，第三级根据张拉监测结果对索体进行细微调整，调整到设计要求的索力。

参见图8、9，上述第一级预应力索张拉是用千斤顶由钢屋架四角往中间双向对称张拉，每次张拉四根预应力索，第一级张拉完成后，将千斤顶从中间向两侧移动进行第二级张拉，直至符合设计要求。

张拉设备采用相应的千斤顶和配套油泵。预应力钢索的张拉控制采用张拉力和伸长值同时控制，其中张拉力作为主要控制要素，伸长值作为辅助控制要素。张拉时最多需要同时张拉纵、横向各两个轴线的索，即六根索十二个千斤顶。

预应力钢索张拉采用双控，即控制钢索的拉力、伸长值及钢结构变形值。预应力钢索张拉完成后，应立即测量校对。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。

为保证钢结构的安装精度以及结构在施工期间的安全，并使钢索张拉的预应力状态与设计要求相符，对钢结构的安装精度、张拉过程中钢索的拉力及钢结构的应力与变形进行监测。对钢索拉力的监测采用压力传感器测试，压力传感器安装于液压千斤顶下方，通过数据采集仪器实时监测到预应力钢索的拉力，以保证预应力钢索施工完成后的应力与设计所要求的应力吻合。在预应力钢索进行张拉时，钢结构部分会随之变形，采用全站仪和百分表对变形进行监测，采用振弦应变计对钢结构应力进行监测。

Claims (10)

1.一种大跨度双向张弦钢屋架的施工方法，其特征在于施工步骤如下：

(1)、先在地面拼装纵向桁架的各段；

(2)、然后在高空组装平台上将纵向桁架的各段拼成一榀纵向桁架；

(3)、在高空组装平台上组拼两榀纵向桁架；

(4)、在两榀纵向桁架之间拼装横向桁架，构成钢屋架上层单元；

(5)、安装钢撑杆，钢撑杆上端与屋架上层单元固定连接，钢撑杆下端连接索夹节点，纵向预应力索穿过索夹节点的纵向索孔道，横向预应力索穿过索夹节点的横向索孔道，形成钢屋架下层单元，钢屋架上层单元和钢屋架下层单元共同构成钢屋架滑移单元；

(6)、使钢屋架滑移单元沿高空支撑架上的滑道向前滑移一个柱距，纵向预应力索和横向预应力索随屋架钢结构一起滑移，但不张拉，仅预紧，预紧力为10％索张拉力；

(7)、依次往复，逐跨组装纵向桁架和横向桁架，逐跨推进，直至滑移到位；

(8)、待钢屋架滑移就位后，使支座与钢屋架连接，进行预应力索张拉。

2.根据权利要求1所述的大跨度双向张弦钢屋架的施工方法，其特征在于：上述(8)中，预应力索张拉分三级施加预应力，第一级预应力索张拉施加80％，第二级施加至105％设计索力，第三级根据张拉监测结果对索体进行细微调整，调整到设计要求的索力。

3.根据权利要求2所述的大跨度双向张弦钢屋架的施工方法，其特征在于：上述第一级预应力索张拉是用千斤顶由钢屋架四角往中间双向对称张拉，每次张拉四根预应力索，第一级张拉完成后，将千斤顶从中间向两侧移动进行第二级张拉，直至符合设计要求。

4.一种权利要求1大跨度双向张弦钢屋架的施工方法所述的大跨度双向张弦钢屋架，钢屋架的边端由支座支撑在建筑周边的支撑体系上面，其特征在于：钢屋架呈波浪形曲面造型，其平面投影为矩形，纵向的支座在垂直方向呈曲线状布置；钢屋架上层单元由横向桁架和纵向桁架交织成网格形正交钢桁架，每榀桁架由上弦杆、下弦杆，斜向连接于上弦杆与下弦杆之间的人字形腹杆组成，上弦杆与人字形腹杆顶部交接处为焊接球节点，下弦杆与人字形腹杆下端部交接处为铸钢节点，钢屋架下层单元为钢撑杆及双向预应力空间张拉索网，钢撑杆的顶端与钢屋架上层单元的铸钢节点固定连接，钢撑杆的下端连接索夹节点，索夹节点开有上下错开的纵向索孔道和横向索孔道，纵向预应力索穿过纵向索孔道，横向预应力索穿过横向索孔道，形成双向预应力空间张拉索网。

5.根据权利要求4大跨度双向张弦钢屋架的施工方法所述的大跨度双向张弦钢屋架，其特征在于：上述双向预应力空间张拉索网的网格间距为8-10m。

6.根据权利要求4大跨度双向张弦钢屋架的施工方法所述的大跨度双向张弦钢屋架，其特征在于：上述纵向预应力索和横向预应力索是双根或单根的挤包双护层大节距扭绞型缆索。

7.根据权利要求4大跨度双向张弦钢屋架的施工方法所述的大跨度双向张弦钢屋架，其特征在于：上述钢撑杆径向连接翅片，其长度是1-10m。

8.根据权利要求4大跨度双向张弦钢屋架的施工方法所述的大跨度双向张弦钢屋架，其特征在于：上述上弦杆和腹杆是无缝圆钢管。

9.根据权利要求4大跨度双向张弦钢屋架的施工方法所述的大跨度双向张弦钢屋架，其特征在于：上述下弦杆是矩形钢管。

10.根据权利要求4大跨度双向张弦钢屋架的施工方法所述的大跨度双向张弦钢屋架，其特征在于：上述钢撑杆的顶端为葫芦头状，该葫芦头嵌入两节点卡板和盖板组成的卧槽中，并由高强螺栓固定连接。

Images