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1、 空间大跨度张弦梁结构施工工艺的研究摘要：本文介绍了南京会议展览中心“空间大跨度张弦梁结构”施工工艺的研究。关键词：空间，大跨度，张弦梁结构。作者：上海松昊钢结构有限公司 蒋振彦（副总经理/本工程原项目经理）1、引言南京会议展览中心的36号展厅为大跨度张弦梁结构体系，局部大悬挑。每座展厅有18榀张弦梁，跨度74m，上弦为II120040024（20）35（30）组合截面，下弦为PES7301的预应力钢索。尽管单榀张弦梁为平面结构，但由于两端支座处的标高按照不同的等差数列上升，因此，相邻两榀张弦梁在空间上并不共面，屋面整体造型为马鞍形，见下图。36号展厅总体效果图完成一半后屋面结构整体图单榀张弦
2、梁总体及部分细部图与以往其它张弦结构相比较，以往工程的上弦构件多为拱形结构，即使为平面结构也使用桅杆吊索结构体系，而本工程的上弦钢梁上表面为平面，施工和张拉工艺不尽相同。尽管单榀张弦梁与地面倾斜，但设计要求张拉完成后拉索撑杆垂直于大地，且张拉产生的张弦梁起拱在屋面载荷施加后张弦梁表面仍为平面，所以施工难度非常高。2、工程概况南京会议展览中心位于南京市河西中央区的中心位置，一期建设项目的钢结构工程由36#展厅和9#展厅、会议中心及附属结构、门庭结构和连廊、登录厅组成。6#展厅5#展厅4#展厅3#展厅9#展厅会议中心36#四个展厅的跨距和结构形式完全一样，沿圆弧形布置，为单层建筑：跨距（AJ列）7
3、4m，柱距9m，从121轴长度180m。2011轴张弦梁为一个整体，112轴为一个整体，在11轴用张弦桁架过渡。屋面结构主要为：74m大跨度张弦梁和局部大悬挑构件组成，张弦梁和屋面梁为II组合断面，主截面为II120040024（20）35（30），端部悬挑段截面为II60040024（20）35（30），最大悬挑距离37m。张弦梁的拉索为7301，撑杆为3258，上端与张弦梁下翼缘铰接，下段铸钢球节点将拉索固定。悬挑段在111轴和2轴外，由于悬挑距离较大，在柱上设钢管支撑。张弦梁ZXL1最重89t，张弦桁架重154t。张弦梁通过支座与钢柱连接。钢柱除2轴的A、J列为四管格构柱外，其它均为双管
4、格构柱，管径基本为60020，腹管35112。钢柱下段2.5m锚固在钢筋混凝土柱内，底部标高+9.50m，柱内压灌混凝土。四管格构柱单件最重16.4t，双管格构柱单件最重8.8t，柱顶设置联系梁和柱间支撑。建筑造型新颖，结构体系明了，安装精度要求高，索力分析和拉索施工难度大。3、施工方案3.1 方案的制订由于会展中心的展厅四周为混凝土框架结构，柱距只有9m，地面承载力3t/m2，采用何种施工方案，既可以满足钢结构施工，又能减小总包单位的施工配合工作，是工程的难点。经过对工程的结构特点和难点分析，我们对几种可能的施工方案进行了综合比较，拟选择施工效率高、风险性低的常规吊装方案。主吊机选用100t
5、履带吊，跨内行走，张弦梁部分分三段吊装，悬挑段张拉后紧随吊装。展厅的吊机和构件预留场通道设在J列的23轴，土建施工周围结构时预留二、三层框架；张弦梁跨中设置两个临时胎架，100t履带吊将张弦梁分三段吊装到位，进行高空拼装；张弦梁成型后安装拉索和撑杆，进行张拉。施工过程中，吊机行走和吊装位置铺设钢制路基箱，使施工荷载扩散分布，施工中对地坪进行保护。3.2 施工思路分别组织，同时施工；流水作业，合理穿插。施工组织分段吊装，高空拼装；中型吊机，保护地坪。施工方案稳步悬挑，适时安装；模拟计算，单榀张拉。施工重点科学组织，按期竣工；安全生产，争创省优。施工目标（1）分别组织，分区施工；流水作业，合理穿插
6、在施工组织上，四座展厅分别组织，平行施工。每座展厅以11轴为界分两区施工，区与区之间、工序与工序之间组织流水作业。悬挑结构和连廊、登录厅及附属结构合理穿插。（2）分段吊装，高空拼装；中型吊机，保护地坪经过方案综合比较，展厅施工方案选用常规吊装方案，即：主吊机为100t履带吊，张弦梁部分分三段吊装就位，高空拼装成型后进行拉索撑杆和拉索安装。100t履带吊为中型吊机，在施工时吊机行走和吊装位置铺设钢制路基箱，对施工荷载扩散分布，施工中加强对地坪的保护。（3）稳步悬挑，适时安装；模拟计算，单榀张拉本工程难度最大的是展厅的张弦梁安装，施工重点为：大悬挑结构的安装时机、安装方法，及拉索的索力确定和撑杆的
7、垂直度控制。稳步外挑：主跨张弦梁成型后，在悬挑段的合适位置设置临时支承胎架，将悬挑段安装就位，及时与主梁固定，并安装斜支撑，使结构稳步外挑，保证其空间稳定性。适时安装：运用电脑模拟计算，根据大悬挑结构安装对张弦梁索力的影响和相应措施，确定悬挑结构的安装时机。模拟计算，单榀张拉：根据索力和位移双控的原则，对张弦结构的施工全过程进行模拟计算分析，最终确定单榀张弦梁张拉的施工方案。（4）科学组织，按期竣工；安全生产，争创省优工程的总体目标是：高度重视，科学组织，保证钢结构工程按期竣工的工期目标；在施工过程中，加强安全措施的投入和安全各项制度的落实情况，创造安全施工环境，确保安全生产。执行全面质量管理
8、（TQC），以GB/T19000质量管理与质量保证为标准，建立健全工程质量保证体系，完善质量管理制度，建立质量控制流程。以工序控制和精度控制为重点，编制专项施工方案，达到省优工程的质量目标。3.3 展厅施工流程施工工艺流程见下图。3.4 张弦梁施工方案简介张弦梁从20轴向2轴逐榀安装，张弦梁部分分三段吊装，每座展厅主吊机选用一台1495-3A型100t履带吊，在跨内行走，吊机行走和吊装站位处铺设钢制路基箱。3.4.1 单榀张弦梁施工流程：3.4.2 张弦梁的吊装分段张弦梁ZXL18和ZXL1018的张弦梁部分分三段吊装，悬挑段单独吊装，构件最长26m，单件最重26t，单件最重26t；张弦梁ZX
9、L9的张弦梁部分分五段吊装，上下两层悬挑段单独吊装，最长18.5m，单件最重36t(安装起拱30mm)。3.4.3 吊机性能张弦梁选用1495-3A型100t履带吊吊装，吊机在展厅内行走，吊机性能见下表：吊机接杆工作幅度(R)允许吊重(t)备 注L=36.58mR=8m39.1tZHXL-9分段吊装，单件吊装最重36tR=9m35.0tZHXL-1018分段吊装，单件最重29tR=10m30.7tZHXL-1018分段吊装，单件最重29t张弦梁分段吊装选用两点或四点起吊，在张弦梁上翼缘焊接吊装吊耳，对口部位焊接工装件，使得构件能第一时间就位。3.4.4 张弦梁的安装当张弦梁起吊离开地面约1.5
10、m后，将拉索撑杆组装到张弦梁上，与张弦梁一起吊装就位，张弦梁吊装见立面示意图。 就位后根据柱顶和胎架顶部的测量定位轴线及时找正，支座与锚栓临时固定，接口部位与胎架临时固定，进行对接口焊接。临时胎架上设置爬梯，顶部设置操作平台，张弦梁上翼缘设置安全栏杆，见下图。悬挑段吊装立面图3.5 拉索的张拉方案3.5.1 张拉顺序张弦梁的拉索安装、张拉和张弦梁的安装方向相同，从20轴向3轴方向进行。(1)先安装好20轴和19轴的张弦梁，以及张弦梁之间的系杆和20轴横向外侧悬挑屋盖，然后两榀同步张拉。(2)18轴到3轴的张弦梁每装一榀拉一榀。张拉前装好该榀张弦梁的悬挑屋盖，以及与相邻已张拉张弦梁之间的系杆。3
11、.5.2 悬挑段的安装由于2012轴悬挑屋盖的悬挑长度较小，因此该部分悬挑屋盖的安装直接由吊机完成，悬挑屋盖端部不设支架；113轴悬挑屋盖的悬挑长度较大，该部分悬挑屋盖端部设置支架，在张弦梁张拉完毕后安装。3.5.3 单榀张弦梁的施工程序首先在跨内安装胎架，安装撑杆到上弦杆底部，然后分三段起吊上弦杆，把索展开并就位，挂上索球后，用卷扬机三点将索吊起，并牵引到位，安装自提升马道，然后从中间向两端连接撑杆和索夹，索一次性张拉到设计值后，二次拧紧索夹，并安装好撑杆的下端。单榀张弦梁安装示意图如下：(1)胎架就位和安装。整榀桁架分三段拼装，搭设两个胎架。(2)张弦梁和撑杆的安装。张弦梁部分分三段吊装。
12、构件离开地面1.5m后，将拉索撑杆组装到张弦梁底部，撑杆与张弦梁一起就位，与钢柱和临时胎架固定。 （3）拉索索体展开：索就位后，利用卷扬机将索沿放置好的放索工具展开。 （4）安装好球形索夹：在地面将索夹安装到索体上。（5）拉索的起吊：拉索采用三点起吊，便于安装。（6）工作马道的就位和吊装：马道两侧是倾斜的，吊挂在张弦梁上。（7）连接撑杆与索夹索夹与撑杆连接顺序：从中间向两侧进行。（8）索一次张拉到设计值 （9）二次拧紧索夹，安装下部撑杆 （10）安装悬挑段，拆除临时马道和跨中临时胎架 （11)拆除端部悬挑段的胎架拉索提升图拉索张拉图3.6 方案实施的难点和对策3.6.1构件的安装精度是保证张弦
13、梁正常张拉的基本（1）建筑物轴线的定位和放线根据测量基准点，采用坐标定位的放线方法，精确放出建筑物的轴线；根据施工需要，将标高基准点投放到各施工面上。（2）高空拼装胎架的定位放线由于张弦梁跨度大，需要分段吊装高空拼装成型，张弦梁分段点处的标高和位置控制是测量放线的关键，所以拼装胎架的精确定位和监控调整是工程的重点。（3）构件安装精度的控制钢柱、临时胎架的安装精度是保证张弦梁能正确安装的前提，施工中我们严格控制钢柱和临时胎架的轴线偏差和垂直度，加强工序报验，全程严控。张弦梁分段安装的精度是影响结构张拉后构件是否正常变形的关键，我们对每段张弦梁的就位精度都全程监控，用全站仪测量张弦梁两端支座处和跨
14、中两点的平面位置和标高；三段就位后精心对口，控制张弦梁整体的直线度和垂直度，确认后焊接。3.6.2加强焊工培训和工艺控制，控制焊接变形，保证焊接质量对于张弦梁为双拼II的特点，腹板和翼缘板厚均为30和35mm的Q345B中厚板焊接。焊接质量是工程的重点，我们组织操作水平高的焊工，焊前交底培训100%考试，并接受业主委托的第三方抽查，保证焊工的实际操作能力。 焊前的试件编号 焊后试件正确制订焊接工艺，控制焊接变形。针对构件的断面特点，制订焊接工艺和顺序如下图，采取对称焊接，控制焊接变形。 翼缘板焊接顺序示意图 腹板焊接顺序示意图为保证夏季多雨季节，焊接不受风雨影响，在焊接部位我们搭设防风防雨棚，
15、见下图：加强焊后自检，对每条焊缝100%进行超声波检查，发现问题及时处理；自检合格后接受第三方每条焊缝20%的抽检，合格后才能进行下工序施工拉索张拉。梁编号规格(mm)数量焊缝长度(m)自检合格率第三方检测合格率质量监督抽检合格率ZXL梁1200400/2030/30353662299%100%100%BM-31200600/2030/3035239.4100%100%BM梁1200400/600/203010637299%GL600300/142045052899%3.6.3 全工况模拟计算，正确制订拉索张拉方案（1）施工全工况模拟计算施工阶段计算的目的是通过科学计算指导施工，保证每个施工阶
16、段的结构安全性，确保设计要求的结构尺寸、受力参数。我们采用有限元分析程序ansys建立了分析模型，对各个施工阶段的受力情况进行模拟计算，模拟了各个连接杆件和支撑在各阶段参与工作或退出工作的连续过程，采用一个计算模型计算了施工过程的连续受力阶段，计算得到各项关键点内力、应力、变形能够很好地预测结构在施工阶段的受力特点。在计算中考虑了大变形和几何非线性、材料非线性，也考虑了拉索的材料非线性（抗拉不抗压）。单榀张弦梁计算模型图对于本结构的张弦梁，其下弦索的张拉是结构仿真模拟的关键。在工程实践中，通过对端部节间的索两端节点分别施加对称的反向力模拟索力，分析中采用了降温法进行预应力的模拟，非常真实地模拟
17、施加预应力的过程。（2）张拉索的出平面平衡张弦索在出平面方向没有任何支撑，与张弦梁的连接方式是铰接，机构分析表明在出平面方向并不满足“结构”所需的约束量。因此，张弦索的出平面稳定完全依靠索应力和几何形状提供的应力刚度。针对此，建立了简化模型，直观地分析了出平面刚度的原理和影响因素。（3）张拉方案的确定张弦索是本结构中最重要的结构组成之一，何时张拉可以使得索力能够最有效地施加在张弦梁结构上，是本工程施工方案确定的重要环节。张拉时机的不同，张拉施工作业对其它结构构件的影响程度也不一样。张拉时机的选择也要考虑结构在施工过程中的可行性和安全性，通过有效合理的计算，在计算结果的基础上制定详细的施工方案。
18、（4）张拉力的确定和控制我们采用有限元分析模型对张拉过程进行了分析，确定出对应施工工况下的各预应力索的张拉力，且得出各轴张弦梁均“一次张拉完成”是可行的。由于张弦梁上弦杆的刚度较小，结构变形对预应力值十分敏感，在张拉时索力的微小变化会引起大幅度的变形。为满足设计要求，确定双控目标：控制索力和结构竖向变形，其中以变形为主控项目。经过对各种工况计算分析，制订索力如下：在最终确定的索力作用下，屋盖的竖向位移如下图所示：为保证索力和拉索撑杆在张拉后能垂直于大地，计算出索夹的固定位置见下表：4、结束语南京会议展览中心的空间大跨度张弦梁结构看起来结构简单，其实结构体系复杂，施工精度要求高，实施难度大，由于我们对施工全工程进行了模拟计算，制订了科学可行的施工方案和施工工艺，在施工过程中加强了质量监控，工程无论是在安全方面、进度方面，还是在质量方面都得以全面有序的完成了既定目标，在工程建设史上为平面张弦结构的施工积累了丰富的施工经验，受到了国内知名专家的一致好评，该项目获2007年度上海市金属结构建设工程金钢奖（特等奖）和2009年度中国建设工程鲁班奖。
