拱板屋架高空预制及成组滑移施工工法

荣誉表彰

2011年9月，中华人民共和国住房和城乡建设部发布《关于公布2009-2010年度国家级工法的通知》建质[2011]154号，《拱板屋架高空预制及成组滑移施工工法》被评定为2009-2010年度国家二级工法。 2100433B

双向张弦钢屋架滑移与张拉施工工法适用范围

《双向张弦钢屋架滑移与张拉施工工法》适用于大跨度双向张弦结构带索累积滑移及预应力张拉施工。

双向张弦钢屋架滑移与张拉施工工法工艺原理

《双向张弦钢屋架滑移与张拉施工工法》的工艺原理叙述如下：

1.双向桁架通过增加支撑点（减小跨度），可以像单向桁架一样采用累积滑移法安装；

2.通过加大组装平台宽度，增加平台上同时拼装桁架的数量，可以提高累积拼装方向（滑移方向）桁架的拼装精度，保证桁架的双向拼装质量；

3.滑移时采取拖带索的方法，既可解决桁架滑移到位后不易挂索的难题，又能保证工程质量、安全，且减少对其他工序施工的干扰；

4.累积滑移的推进装置采用计算机控制同步液压爬行器；

5.通过计算机仿真模拟计算分析，确定各个张拉阶段的主要控制点和相应的理论数值，得出每一步张拉各榀之间相互影响的关系和规律，给出预应力损失的数值，并最终得出每榀需要的张拉力，形成完整的张拉和监控方案。

双向张弦钢屋架滑移与张拉施工工法施工工艺

• 工艺流程

《双向张弦钢屋架滑移与张拉施工工法》的工艺流程见图1。

图1注：图中纵向桁架指垂直于滑移方向的桁架，横向桁架指平行于滑移方向的桁架。

• 操作要点

《双向张弦钢屋架滑移与张拉施工工法》的操作要点如下：

一、深化设计

根据设计及预应力工艺要求，计算出钢索的下料长度，以及索体上撑杆节点的安装位置标记点。完成钢撑杆上、下节点和钢桁架张拉端节点的加工图设计。

二、施工仿真计算

针对具体工程建立结构整体模型，进行施工仿真模拟计算，得出如下结果：

1.根据设计要求的撑杆的垂直状态，给出撑杆节点位置的标记力；

2.验证张拉施工方案的可行性，确保张拉过程的安全；

3.给出每步张拉张拉力的大小，为实际张拉时的张拉力值的确定提供理论依据；

4.给出每步张拉结构的变形及应力状态，为张拉过程中的变形监测及索力监测提供理论依据；

5.根据计算张拉力大小，选择合适的张拉机具，并设计合理的张拉工装。

三、钢索制作

按照深化设计计算出的下料长度进行钢索制作。制作完成的钢索在工厂内要进行预张拉，预张拉力为设计索力的1.2-1.4倍，并在预张拉力等于设计索力的情况下，在索体上标注出每个钢撑杆下节点的安装位置。为便于施工要求每根索体都单独成盘出厂。

四、高空组装平台搭设及桁架拼装

1.国家体育馆桁架在高空组装平台上组拼时是七点支撑，滑移时跨中设支点，变成三点支撑，即三条滑道（详见高空组装平台及滑道示意图2）。双向桁架累积滑移时，横向桁架不像纵向桁架那样可以在高空组装平台上一次拼装成型，而是在滑移过程中逐节间、逐步拼装而成。

2.如果按一般累积滑移作法，横向桁架将在前一节间已受力变形（七点支撑变三点支撑）后才组装。将造成横向桁架拼装质量难以保证。若增加平台宽度，使三榀纵向桁架能同时在高空组装平台上拼装，则可保证横向桁架在前一节间发生形变前拼装后一节间，如此则能较好地提高横向桁架的整体质量。所以高空组装平台搭设的宽度不是一般的满足两榀拼装的需要，而是满足三榀桁架拼装的需要。国家体育馆拼装平台的设计宽度为21米。

五、滑道支撑架及滑移胎架支设

1.双向桁架滑移时基本呈单向（或三边支撑）受力状态，如果在原支座、原跨度条件下滑移，则桁架应力、变形将超出设计允许值。故需增加1~2条支撑，以减小跨度。国家体育馆在跨中增设了一条滑道，使纵向桁架在滑移时变成了三支点。

2.张弦桁架因下弦为钢索，桁架的中滑道支撑点必须在上弦，如此滑道与支撑点存在一定高差，因此要在中滑道上增设滑移胎架。

3.滑移胎架可采用组装式标准架，轨道采用重型钢轨及H型钢梁。中间滑道爬行器与滑移胎架连接，通过耳板和加劲板传力，推动桁架移动。

4.为保证滑移过程桁架同步及滑移胎架在滑移时的稳定性。在滑移胎架水平方向上下各加设钢管桁架梁，在滑移胎架侧向设置交叉撑将滑移胎架连成一个整体排架。通过合理设定、稳定分析、整体有限元分析及合理设置液压爬向器的位置，改善滑移胎架的受力状态等方法，保证了滑移胎架的安全；解决了滑移过程中推力的传递及滑动胎架的稳定。且方便撑杆、双向预应力索的安装和固定支撑架向滑动胎架的转换等一系列难题。

六、液压同步滑移系统安装

液压同步滑移施工采用计算机控制，通过数据反馈和控制指令传递，可全自动实现各个爬行器（平面布置见图3）同步动作、负载均衡、姿态矫正、推力控制、操作闭锁、过程显示和故障报警等多种功能。

滑移设备总体规划布置应满足钢屋架滑移单元滑移驱动力的要求，使每台液压爬行器受载均匀；保证每台泵站驱动的液压爬行器数量相等，提高泵站利用率；确保系统的安全性和可靠性，降低工程风险。爬行器采用TJG-1000型液压爬行器，每台液压爬行器设计额定水平推进力为1000千牛。爬行器的数量根据最大滑移推力计算确定。最大滑移推力由最大滑移单元的重量，按照0.2的滑动摩擦系数计算确定。为减小滑移面的摩擦力，在桁架上高空组装平台前底座和滑道间预先涂抹黄油，黄油中不能存在砂粒等杂物。

七、撑杆及索安装

1.撑杆节点安装和索的安装是交叉进行的，预应力索固定在撑杆下节点。安装基本流程是：撑杆及上节点安装→穿纵向索→纵索安装→纵索索夹节点安装→横索安装→横索索夹节点安装。

2.撑杆重量较大，安装时要借助起重设备（国家体育馆使用的是塔吊）。撑杆上节点的安装已在高空组装平台外，如搭设操作架较困难，可使用吊篮安装。

3.横向索安装

横向索到达现场后全部吊运到高空组装平台后方硬化地面上，索盘与主体结构净距至少1.5米，索体的放置位置详见图4横向索放置平台。由于横向索体的安装高度一直在变化中，因此对应每个索盘位置处脚手架的立杆要避开放索位置，同时该部脚手架横杆采用卡扣连接的方式，以便在索体同其相交时，临时拆除。待调整完索体后再重新连接。在滑移前应将索体提前提运至脚手平台上，并预留出大于滑移距离的长度，以防止因在滑移过程中出现拖索现象而导致推进阻力增大；在滑移时应随时观察索体的预留长度，如果出现滑移使索体绷直的现象，应该立即停止滑移，待索体提运出滑移余量后再继续滑移。

4.纵向索安装

索盘放置于纵索安装平台（详见图5纵索安装平台）一端，安装时由一端向另一端牵引展开。当桁架首根纵索滑移至纵索安装平台上方后，下放索体至索夹高度，开始纵索安装；后续各索均按首根索方法安装（国家体育馆纵索安装平台设置于钢结构的22、23、N、M轴间的桁架网格间，索盘设于索安装平台的南端。）

放纵向索时可采用卷扬机牵引索体。并注意纵向索与横向索体相互关系。放索时，先将牵引绳捆绑在索头上，然后缓慢开动卷扬机，牵引索体放开；每放开5米索体，增加一人对索体进行导向，防止索体在牵引过程中滑落到脚手架外或晃动过大。人员在脚手架上活动时，必须将安全带挂在安全绳上。

5.索夹节点安装

用导链将索提至撑杆下端节点，并注意观察索的走向，防止索被脚手架卡住。安装时，首先将索体外保护拆除，露出内侧PE上做好的索夹节点安装标记，以此标记根据索球的宽度，画出索球的两侧安装位置，按照安装位置将索球固定到索体上，然后将纵向索连同索球一起通过索夹板固定到撑杆下节点上，最后将横向索连同索球一起通过索夹板固定到撑杆上，完成索夹节点安装（图6撑杆下端节点展开图）。

八、同步累积滑移

1.滑移前需充分进行准备工作

主要包括液压爬行器安装及检修调试、爬行器耳板设计、轨道及预埋件安装、液压泵站的检修与调试、电气控制系统检修与试验、计算机同步控制系统、泵站控制柜及各种传感器的检修与调试；爬行速度控制在6～8米/小时；启动时爬行加速度取决于流量增量，通过计算机控制速度曲线，可使滑板初始运动的加速度非常小；液压同步滑移设备系统安装完成后需进行调试，主要内容是检查泵站上所有阀或硬管的接头是否有松动，检查溢流阀的调压弹簧处于是否完全放松状态；检查泵站启动柜与液压爬行器之间电缆线的连接是否正确；检查泵站与液压爬行器主油缸之间的油管连接是否正确；系统送电，检查液压泵主轴转动方向是否正确；在泵站不启动的情况下，手动操作控制柜中相应按钮，检查电磁阀和截止阀的动作是否正常，截止阀编号和液压爬行器编号是否对应；检查行程传感器和位移传感器；滑移前启动泵站，调节到5兆帕左右的压力，伸缩油缸，检查A腔、B腔的油管连接是否正确；检查截止阀能否截止对应的油缸；检查比例阀在电流变化时能否加快或减慢对应油缸的伸缩速度。

2.滑移的同步性控制

屋架在滑移过程中，是沿设定的直线前进的，如果滑道的直线度差，易使滑道产生破坏。因此滑道的施工精度必须较高；液压牵引作业由计算机通过传感器进行闭环控制和智能化控制，实现牵引的同步和负载的均衡，使滑移过程中钢屋架的结构稳定性、同步性和位移偏差满足要求。同步性测控除采用液压滑移系统本身的计算机系统控制外，另外采用全站仪对所有滑道处的行程进行同步性测控。在每个滑道位置上各固定一个反射棱镜，通过测量放线使各点连线垂直于滑道的方向，即各点具有相同的起始位置。在滑移单元沿滑道前方各搭设一个临时观测平台，安置全站仪，分别观测各个反射棱镜，在滑移过程中，各点同时计时，从开始每隔固定时间间隔测量全站仪与反射棱镜间的距离，记录每次监测的距离数据。通过时间、距离记录表可了解较详细的爬行运动状态及同步情况。

九、钢索分步分级对称张拉

1.张拉机具标定

张拉前张拉设备要在专业的检测机构进行标定，并出具标定报告，施工中根据标定报告中的数据进行张拉。

2.张拉控制力原则

根据设计和施工仿真确定的控制张拉力，双向分级、分步对称实施张拉。张拉分为三级，第一级使索力达到设计索力的80%，第二级使索力达到设计索力，第三级根据监测结果对索力进行微调，使最终索力值及结构应力和变形符合设计要求。需要说明的是，在正式张拉前，要完成两个方向预应力钢索的张拉预紧，张拉预紧力为设计索力的20%。

钢索张拉以张拉力控制为主，每台油泵上都安装有经过严格标定的油压传感器和读数仪，通过读数仪显示数据直接控制张拉力大小。同时，对钢索的张拉伸长值及张拉引起的钢结构变形进行量测，检查张拉效果是否与理论数值相符合。如发现异常，应暂停张拉，待查明原因并采取措施后，再继绕张拉。

3.张拉操作要点

张拉前，索头上要安装工作锚、工装承力架、千斤顶和工具锚，对于测量索力的钢索，张拉端与工作锚之间还要加装压力传感器。索头上安装的组件较多，必须小心安放，以保证千斤顶形心与钢索重合，避免张拉时产生偏心。张拉时，先开动油泵，待油泵启动供油正常后再开始给油、加压，给油速度要控制，时间不应低于0.5分钟。当油压力显示张拉力达到钢索张拉控制力时应停止加压并稳住油压、此时将索头上的工作锚拧紧。控紧工作锚后油泵立刻回油，待千斤顶回缸后关闭油泵，此次张拉结束。

十、张拉测量

1.张拉力的测量

油泵上安装经过严格标定的油压传感器，张拉时通过连接到油压传感器的读数仪直接测量。

2.张拉伸长值的测量

把张拉前预应力钢索预紧后的张拉端长度作为原始长度，当张拉完成后，再次测量张拉端长度，两者之差即为实际伸长值。

十一、应力、变形监测

采用激光扫描仪、全站仪、振弦式应变计及相应的数采系统等对累积滑移施工中桁架应力、变形、水平偏移，支撑架及滑移轨道应力等进行全过程监控；采用压力传感器、全站仪、百分表、振弦式应变计等对张拉过程中及完毕后的钢索索力、钢桁架应力、钢桁架变形和支座位移等进行全过程监控。通过监测数据与计算机施工仿真计算数值的比较，控制滑移及张拉施工质量，保证施工安全。

《双向张弦钢屋架滑移与张拉施工工法》采取"带索累积滑移及预应力分步分级张拉"方案。与高空散装方案比较有社会、经济效益。

10.1高空散装钢结构至少需要增加1~2台300吨吊装设备，而累积滑移方案则可节省。按1台300吨吊车计，租赁费和进出场费即增加200万元以上；

10.2采用2005年的施工方案，仅在跨内三个轴线内布置了脚手架。若采用满堂红脚手架，脚手架用量为2005年方案的3倍以上。保守估计脚手架用量节约200万元以上；

10.3在钢结构拼装过程中，利用主体结构边梁搭设组装平台，减少拼装平台用钢量100吨，节约50万元；在滑移过程中，利用混凝土边梁作为滑道支撑，减少钢结构用量，节约50万元以上；

10.4减少了滑移到位后再进行预应力索安装的设备及人工费50万以上；利用主体结构边梁搭设组装平台，减少拼装平台用钢量100吨节约50万元；

10.5使用累积滑移的施工方案，实现了看台板及机电工程与钢屋架的交叉施工，保守估计节省工期近3个月。此项经济效益超过100万元。

10.6采用分级、分步对称张拉，减少了张拉设备用量，节约资金约50万元。

从经济效益上看，国家体育馆采用"带索累积滑移及预应力分步分级张拉"施工方案，保守估计节约资金超过700万元。

国家体育馆采用"带索累积滑移及预应力分步分级张拉"施工方案，此方案技术含量高，经济效益显著。带索累积滑移施工需要解决一系列相关技术难题；保证双向桁架拼装质量的拼装技术，适应带索施工的索夹节点设计及带索方法，超高滑移胎架的设计，双向预应力张拉技术等。国家体育馆工程还通过模型试验和计算机仿真分析，找到了施工各步骤、各阶段的关键点和预控值。

现工程已顺利完工，在国家体育馆的工地，没有出现密密麻麻的脚手架，没有出现大量的高空作业，甚至没有吨位奇大的吊机。该方法在提高施工技术水平、安全水平，缩短工期、提高施工组织水平，提高经济效益等方面都发挥了作用，取得了明显的经济效益和社会效益。

该施工方法为同类工程设计、施工提供了借鉴，为2005年后中国相关标准的制定提供参考和依据，推动了中国空间结构的进步，实现了施工的总体部署，获得了社会效益。

注：施工费用以2005-2006年施工材料价格计算

一、材料

《双向张弦钢屋架滑移与张拉施工工法》所用的材料明细如下：

1.钢结构用材

钢结构用材及预应力索等必须满足2005年前的国家规范要求。常用的预应力钢索规格有：5毫米×109毫米、5毫米×187毫米、5毫米×253毫米、5毫米×367毫米。

2.滑轨

滑轨采用50千克/米重型钢轨，中间轨道梁采用H800×500×16×20。

3.滑移胎架及滑移支撑架

滑移胎架及滑移支撑架宜采用拼装式标准架。

4.组装平台

组装平台可采用扣件式钢管脚手。

二、设备

《双向张弦钢屋架滑移与张拉施工工法》所用的设备明细如下：

1.滑移施工常用设备包括：履带吊、液压泵源系统、液压爬行器、计算机控制系统、液压传感器、激光测距仪、全站仪、振弦式应变计、MCU智能采集单元、激光扫描仪等。

2.预应力施工常用设备包括：放索盘、吊装带、卷扬机、倒链、千斤顶和配套油泵、油压传感器和配套读数仪、应变计、百分表、锚索计和全站仪等。施工时，根据预应力钢索数量、索重和索长、钢索张拉力和工期要求以及现场条件具体确定使用设备的种类、型号和数量。

三、劳动组织

《双向张弦钢屋架滑移与张拉施工工法》的劳动组织见表1。