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大跨度张弦拱桁架拉索施工仿真和主要施工步骤
发布时间:2021-11-02

  摘    要: 针对预应力拉索施工难度大、工艺复杂的特点,以某245 m张弦拱桁架结构煤场封闭改造工程为例,分析预应力拉索施工过程中的难点和特点,对张弦拱桁架结构施工工艺进行仿真模拟,论述滑道辅助挂索、张拉工装等关键工序的技术要点,介绍拉索、张拉的施工步骤。

  关键词 :     大跨度;预应力;拉索;封闭改造;张弦拱桁架;

  火力发电厂、港口码头、煤矿、冶金、焦化等企业露天煤场在作业和堆场过程中,遇到大风天气会产生扬尘,不仅造成大量的物料损失,而且破坏生态环境,影响人类的健康[1]。目前,全国各地都出台了相关文件,要求煤场实施全封闭。煤场封闭工程一般结构大跨度,张弦拱桁架作为一种新颖的钢结构形式,自重轻,跨度大[2],特别适合应用在煤场封闭改造工程中。

  预应力拉索根据钢结构的施工方法主要有两种方案:

  1)对跨度较小的桁架结构,钢结构在胎架上整体拼装完成后,预应力拉索在胎架上进行施工,拉索施工完成后随钢结构整体吊装到结构部位;
  2)钢结构在高空中采用原位分段拼装的方法,预应力拉索采用多台吊车配合的方法进行挂索施工[3]。

  以上两种方案对工程环境均有严格的要求,即钢结构下方需要有足够大场地进行胎架的搭设或有能满足吊车和吊车臂杆移动的空间。而多数煤场改造工程结构下方都有堆煤和大型机械,无法长时间满足吊车操作要求。本文以煤场改造工程为背景,对大跨度张弦拱桁架预应力拉索施工进行研究,在实践中不断改进,最终形成一套低成本、高效率,适用于结构下方没有足够空间的大跨度张弦拱桁架预应力拉索施工工艺。
 

大跨度张弦拱桁架拉索施工仿真和主要施工步骤
 

  1 、工程概况

  首钢京唐钢铁联合有限责任公司球团料场A、B两个料条需进行封闭,封闭长度为650 m,跨度为245m,为一跨、中间无柱管桁架形式,外铺设彩钢板。245 m跨采用两端铰支的拱桁架,张拉段为空间三角形圆管桁架,非张拉段为三角形圆管桁架。为减小拱脚推力,在满足斗轮机操作空间要求的前提下,在约37.2 m标高处设置一道189.2 m长的平衡拉索。拉索为?7 mm×91 mm半平行预应力钢丝束,整个封闭罩棚共布置40道预应力拉索,各桁架的布置间距为15.9 m。见图1和图2。

  图1 封闭罩棚三维透视布置
图1 封闭罩棚三维透视布置

  图2 预应力拉索立面布置
图2 预应力拉索立面布置

  单跨张弦拱桁架结构跨度达245 m,预应力拉索长为189.2 m,质量达6.9 t(含索头),如此大跨度的钢结构只能在高空中完成拼装,增加施工的难度和危险性。如何保证安全,同时能够低成本、高效率的完成施工是本工程的重点。

  钢结构的制作拼装精度,直接影响到后续预应力拉索安装、张拉等工序能否正常进行,因此确定一套适用度广,能灵活应对现场施工条件的拉索施工工艺及施工过程中相关设备、工具的选用、施工工装的设计是本工程的施工难点。

  2 、仿真模拟

  张弦拱桁架跨度大,在支撑架上按照图纸要求进行拼装,拼装完成后向前滑移一榀的距离,安装此桁架预应力拉索的同时,继续在腾空的拼装支撑架上进行下一个拱桁架拼装[3],两榀拱桁架作为一个张拉单元,两个拱桁架之间在张拉前只是将端部和距端部最近的纵向桁架相连,中间的纵向桁架需等两榀桁架均张拉完毕后再相连,重复此过程直到所有桁架均拼装完成。

  预应力拉索和钢构件是结构中重要组成部分,它们的施工需紧密配合,以保证张弦拱桁架施工的安全性、经济性、合理性、快捷性[4],因此施工前需采用Midas软件软件对拱桁架的拼装、吊装及预应力拉索张拉等过程进行详细仿真计算分析,使得构件在拼装和就位过程中能同时对节点的位移和构件的内力进行双控制并最终确定每道预应力拉索的实际张拉力值,使得结构受力更加精确。

  3 、主要施工步骤

  3.1 、滑道辅助挂索

  由于该项目张弦拱桁架的拉索长而重,呈鱼腹状[5],为减少与桁架下部结构的干扰,采用滑道辅助、卷扬机和吊车配合的方法进行挂索。

  1)对钢丝绳及钢绞线性能及优缺点进行综合分析后,最终选用常见的1 860级?15.2mm钢绞线作为辅助滑道,作为滑道的钢绞线长度要足够长,为后续放张循环使用留出余量,本工程挂索钢绞线长度确定为300 m。
  2)单根1 860级?15.2mm钢绞线最大承受质量为26 t,该工程索质量约为7 t,初始固定钢绞线滑道并保持其呈水平状态时,需对钢绞线施加一定力。考虑各种不利因素并留有足够的安全储备系数,最终确定选用2根钢绞线同时作用,即2根钢绞线之间互相交错设置吊点,保证2根钢绞线受力均匀。
  3)挂索前,采用小吨位千斤顶对滑道钢绞线进行张拉预紧,初拉力约80 k N,使挂索滑道保持顺直。
  4)在拱桁架一侧设置专用放索盘,另一侧固定卷扬机,卷扬机提前牵引钢丝绳到放索盘一侧,挂索前将两端索头丝扣长度调到最大。
  5)放索盘侧用吊车配合,将索头一端提升到安装高度后,将索头与卷扬机牵引钢丝绳连接,将索从结构的一端向另一端移动。
  6)根据经验确定拉索每移动约7 m左右,在滑道上挂滑轮将拉索进行悬挂,每道拉索共计布置26个吊点,滑轮在2根钢绞线上交替悬挂,增加施工安全系数。
  7)将索体牵引到结构另一端,安装该端索头销轴。索头的安装是拉索施工中的难点:受钢结构的拼装和安装精度影响,销轴孔距索头往往还有一段距离,施工时一般有两种方法解决:方法一是在定制成品索时,直接在厂家定制几根不同长度索头连接杆或者加长成品索头丝扣调节长度,快速应对现场构件拼装精度对挂索的影响;方法二是给索施加一定初始力,将索拉紧到结构安装位置,再安装该端索头销轴。方法一简单快捷,但施工成本提高;方案二不需要额外增加成本,只是挂索时间相对较长,但由于钢结构本身拼装需要较长时间,只需在构件滑移前完成拉索安装张拉即可,这段时间的增加不影响其他工序的施工,因此更加经济。综上,该项目施工中采用方法二进行另一端索头的连接。
  8)另一端索头连接时,传统倒链配合拖拽的方法根本无法拉动如此大跨度的拉索,经多次实践研究,最终采用自制挂索工装,配合张拉工装一起使用,最终完成挂索安装。见图3。

  图3 挂索安装
图3 挂索安装

  9)挂索滑道多次使用过程中,要注意观察固定钢绞线滑道夹片的卡牙深度并定期进行更换,防止夹片咬不住钢绞线,造成钢绞线脱落,引起安全事故。

  3.2 、拉索张拉

  3.2.1、 张拉工装设计

  由于索长达189.2 m,为保证结构受力均匀,对各拱桁架的拉索确定为采用两端对称张拉的施工工艺。

  索头两端均为叉耳式,传统施工中大多采用在索头连接处焊接张拉耳板,配合张拉夹持工装进行拉索张拉。此种施工方法需要索头端部有足够的焊接空间且张拉完成后还需将张拉耳板进行切除恢复,施工繁琐,焊接工作量大,浪费材料。

  为简化施工过程,经研究,本工程采用U形圆钢配套夹持工装作为张拉固定措施。见图4。

  图4 张拉工装
图4 张拉工装

  3.2.2、 张拉操作要点

  1)根据仿真模拟,各拱桁架中最大张拉力约为1 480 k N,两端共4台100 t千斤顶,对桁架拉索进行对称张拉。
  2)拉索张拉时采用索力与变形双控且以变形控制为主,如果施加预应力过程中,拉力没有到位,桁架结构变形超过设计允许范围即停止张拉并记录实际索力及结构变形值。
  3)拉索张拉时采用分级加载的方法,按40%→60%→80%→100%分级张拉至给定张拉力值。
  4)由于张拉设备组件较多且为高空作业,在进行安装时必须小心安放,使张拉设备形心与拉索重合,以保证预应力拉索在张拉时不偏心。
  5)开始启动油泵、千斤顶进行张拉,张拉千斤顶要缓慢加载,控制给油速度,给油时间不应少于0.5min,给油过程中及时旋紧调节螺杆。
  6)张拉过程中随时监测结构起拱变形高度,量测调节螺杆的外露长度并做好记录。

  4 、结论与建议

  1)通过仿真分析,可以简化施工过程,减少拉索拉力调节次数。
  2)采用钢绞线作为滑道辅助进行挂索,不受施工场地限制,不需要全程吊车配合,适用范围广。
  3)本工艺省去单独展索的施工工序,可以在展索的同时进行拉索的安装,提高施工效率。
  4)摈弃传统耳板的张拉固定方式,采用U形圆钢替代,减少了焊接工作量及耳板材料浪费,使得施工更加灵活方便。

  参考文献

  [1]高艳艳,潘俊,何晨玲.煤场扬尘影响预测与措施研究[J.工业安全与环保, 2007.(11):40-42.
  [2]韩启中,李锋,陈量大跨度预应力空间张弦梁桁架钢结构施工技术和J]城市建设理论研究(电子版) , 2015,(4):2054-2056.
  [3]可高大跨度钢桁架累计同步卷扬滑移施工技术和[J]山西建筑, 2010,36(5):160-161.
  [4]佘远逄,李维滨,董军,等烟台世界贸易中心张弦梁预应力拉索施I技术[J]施工技术, 2007.(3).28-30.
  [5]鲍光卿,李根胜大型预应力张弦桁架拉索施工技术[A]清华大学、东南大学、中国建筑设计研究院、中国建筑工程总公司、中国中建设计集团有限公司、中建钢构有限公司、上海宝冶集团有限公司、长江精工钢结构(集团)股份有限公司、浙江东南网架股份有限公司、浙江杭萧钢构股份有限公司、江苏沪宁钢机股份有限公司第五届全国钢结构工程技术交流会论文集[C].清华大学、东南大学、中国建筑设计研究院、中国建筑工程总公司、中国中建设计集团有限公司、中建钢构有限公司、.上海宝冶集团有限公司、 长江精工钢结构(集团)股份有限公司、浙江东南网架股份有限公司、浙江杭萧钢构股份有限公司、江苏沪宁钢机股份有限公司:施I技术编辑部, 2014:3.

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