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1、大跨度悬垂梁及预应力斜拉索施工技术总结 北京南站改扩建工程 大跨度悬垂梁及预应力斜拉索施工技术 应用技术总结 张建设 袁振兴 史兰明 张力光 1. 应用情况简介 北京南站站房东、西两侧设有无站台柱雨篷，结构形式为大跨度钢结构轻质屋面，建筑设计成扇贝造型。雨篷结构主要包括支承于轨道层-1.600m标高的A字型塔架柱及其所支撑的屋面环梁、主梁、次梁及支撑等上部结构两部分。屋面主梁设计为悬垂下弯曲线形工字钢梁（以下简称悬垂主梁），截面形式为6003501020mm、450200812mm（构件主要材质Q345C），东、西雨篷区对称布置，共计188根。每三根悬垂主梁组成一个结构单元，间距为6866mm
2、，中间设有H型钢次梁及圆管支撑。悬垂主梁设计最小跨度为9772mm，最大跨度为67500mm，设计最大下垂高度为6464mm，单榀最大重量为10.5吨。 每榀悬垂主梁通过其两端的耳板与A字型塔架柱上的耳板及其前后环梁上的耳板用销轴铰接相连，将内、外、中A字型塔架柱和环梁连为一个整体，形成一个完整的屋面。悬垂主梁下部设有预应力拉索，以抵抗向上的风荷载。雨篷屋面结构单元详见图1所示： 图1：雨篷屋面结构单元图 悬垂主梁与A字型塔架柱、环梁连接节点图如图2、3所示： 图2：主梁与A字型塔架连接节点 图3：主梁与环梁连接节点 预应力斜拉索根据悬垂主梁结构单元，将东、西雨篷分别划分为15榀预应力钢结构桁
3、架，两区沿轴线对称布置。全部30榀桁架均为两跨，每跨配置12至24根钢拉索。索体采用两种规格，一种规格强度等级为1570MPa的 637+1WS钢丝绳，直径22mm，外包26mmPE护层，最小破断力为217.8KN；另一种规格强度等级为1670MPa的 637+1WS钢丝绳，直径32mm，外包37mmPE护层，最小破断力为490KN。 拉索一端为固定端，销接在悬垂主梁拉索连接板上，一端为调节端，销接在A塔拉索耳板上 ，调节范围150mm，最大索长为29185mm。在每榀悬垂主梁下翼缘上设计有48根拉索。拉索及悬垂主梁结构大样见图4示： 悬垂主梁 拉索 A塔A塔拉索悬垂主梁图4：拉索及悬垂主梁结
4、构大样 图5：雨篷悬垂主梁及斜拉索平面布置图 2雨篷悬垂主梁及斜拉索设计原理 北京南站雨篷结构屋面设计建筑造型为双曲面，屋面各类荷载通过H型钢悬垂主梁传递到主桁架上，再通过主桁架经A字型塔柱传递到混凝土基础上，为了确保建筑造型和结构受力，将雨篷结构主梁设 计为高度600及450mm的悬垂曲线形工字钢（以下简称为悬垂主梁）。当自重、雪荷载、向下风荷载等来自屋面的向下荷载作用时，由于工字钢梁的跨度很大而截面高度很小，它的抗弯刚度非常小，发挥不出其抗弯性能，所以仅利用工字钢的抗拉刚度，使其像拉索一样以拉力来承受荷载；当向上风荷载作用时，则利用悬垂工字钢的抗弯刚度，以拱的形态来承担荷载。为了使悬垂工字
5、钢梁能最有效的发挥其拱形作用，在工字钢和A型框架柱之间安装了斜拉索，减小其计算长度，以确保其平面内的稳定性来支承向上荷载的能力。斜拉索用来稳固工字钢梁，不会直接承受向上的荷载，所以它只有较小的拉力，直径很小，不会对站内景观造成任何影响。 3雨篷悬垂主梁及斜拉索结构施工的关键技术及创新点 3.1悬垂主梁及斜拉索施工流程及技术要点 悬垂梁及斜拉索施工总体流程：根据雨篷钢结构设计情况，对每根钢梁进行放样，根据每个悬垂主梁的实际长度，在工厂将每根悬垂主梁分为4-6个制作分段，方便构件的运输；制作分段运输到安装现场后在地面拼装为23个吊装段进行分段吊装；在对应悬垂主梁对接口处设置临时支撑，并在临时支撑顶
6、部设置高空作业平台，对悬垂主梁接头进行高空焊接；吊装次梁及支撑等次结构；在每个区域屋顶结构全部安装、焊接完成之后再拆除支撑，并做好结构位移变形检测，最后分区域安装预应力拉索并逐根进行张拉。 因此为使本工程达到设计质量要求，根据结构特点，确定本工程技术要点及措施如下：将悬垂梁进行分段吊装，在分段对接口处设置临时支撑来控制对接口处标高；在临时支撑下部设置路基箱，使其稳定且避免支撑托架受力后沉降，以保证悬垂梁下沉量在设计之内 悬垂梁空中对接、定位及焊接质量：在高空定位拼接平台顶部设置定位板，以利于荷载分散及悬垂梁分段点处的对接质量；确定合理的焊接顺序，避免焊接应力的集中，保证焊接质量。以雨篷屋面设计
7、的伸缩缝为界，将东西雨篷桁架分为六个分区，张拉施工以桁架为单位各自北向南逐榀张拉，各分区各桁架张拉时间的先后对其他分区和桁架均不产生影响。拉索索力及结构位移双控：张拉过程中，采用索力动侧仪检测拉索索力，全站仪同步监测结构位移，检测数据相互校核，保证张拉质量。 3.2悬垂主梁重点及难点施工技术 3.2.1悬垂主梁地面拼装 悬垂主梁为弧形且跨度大，为便于加工制作、安装，根据每根悬垂梁的长度，将每根梁分为几个分段加工制作，运输到安装现场后在地面拼装为23个吊装段进行分段吊装。 图6：悬垂梁吊装分段拆分图 图7：悬垂主梁地面拼装 3.2.2临时支撑托架布置 在每个吊装分段的接口部位根据接口处位置悬垂主
8、梁的控制标高设置临时支撑托架，此临时支撑托架作为吊装时的支撑及悬垂主梁的高空定位拼接平台。临时支撑托架采用钢管格构柱。在施工过程中对临时支撑托架应进行相应的工况、变形及承载验算，以确保施工的安全。 图8：临时支撑托架布置示意图 主梁最大分段重量约为6.0t，故设置胎架应在其胎架上端设置端头定位钢板，以利于荷载分散及悬垂主梁此分段点处标高的控制。具体见图9： 图9：临时支撑托架顶部构造 临时支撑托架底部与基面连接形式：施工中为尽可能减小支撑沉降对结构的影响，在支撑格构柱下端垫设比支撑截面稍大的柱脚钢板并用钢楔将制成与地面垫实。 图10：临时支撑托架底部构造 图11：悬垂主梁安装用临时支撑 3.2
9、.3悬垂主梁吊装流程 雨篷上部悬垂主梁安装根据结构平面形式划分成安装单元，每个安装单元由与A字型塔架柱相连的一根主梁和与其相邻的两根梁及此三根梁之间的次梁及支撑构件组成。 以一个标准单元说明吊装的流程（悬垂主梁分两段进行安装的情况）：首先已完成本单元及下一单元的塔架安装，同时塔架间的环梁及边桁架也已安装完成 中间主梁安装两边主梁安装次梁及支撑。具体作业工况如下所示： 图12：主梁吊装临时支撑托架设置 图13：分段吊装单元内中间两根主梁 图14：按同样方式安装其余四根主梁 图15：安装主梁间的次梁及支撑 按照上述步骤进行下一单元内构件的安装直至雨篷钢结构安装完毕。 悬垂主梁吊装时应注意以下技术要
10、点：悬垂主梁分三段进行吊装时，先吊装与A字型塔架柱及环梁相连的两个端部分段，使其一端固定于A字型塔架（或环梁）上，另外一端放置于临时支撑托架上。利用该两段端头销接的结构特点，用全站仪分别对这两个吊装分段进行校正，将悬垂主梁整体直线度，跨中垂直度，控制点标高调整到安装设计值后，再将中间分段直接吊装就位，能有效的保证悬垂主梁的安 装质量及精度；悬垂主梁分两段进行吊装时，两段依此吊装，并分别对两个吊装分段进行轴线及标高校正，再进行对接头焊接，最终确保安装精度。 图16：先吊装两端销接分段 图17：吊装悬垂主梁分段 3.2.4屋面钢结构卸荷及结构位移测试 为避免主梁安装临时托架拆除时对结构造成影响，采
11、取分阶段拆除的方式进行，即每完成相临两个悬垂主梁单元安装并形成局部稳定体系，并开始进行第三个单元安装时方可拆除第一个主梁单元的安装单元下的支撑托架。 在拆除临时支撑托架过程中需对以下内容进行监测： （1）临时支撑托架自身的变形监测； （2）支撑点（包括主梁及外边桁架）实际拆卸位移的监测；应在拆除过程中将实际测量结果与理论值和起拱值进行比较若误差较大应及时进行调整。 每榀主梁单元拆卸时共设置2个测量控制点，每个点架设一台全站仪，且此两台全站仪能够覆盖当前悬垂主梁单元的所有临时支撑托架，同时采用刻度对比的方法观测每个托架处的拆卸量。拆卸完毕后 再用全站仪进行全面测量。 拆卸时，为了保证结构体系的安
12、全、平稳过渡，由一位总指挥负责拆卸过程的指挥与协调，其他如监测人员、安全员、调度员等统一由总指挥指挥调度。 以一个安装单元为监测对象，采用全站仪对悬垂主梁控制点的标高进行下挠监测。悬垂主梁临时支撑拆除之前，测量悬垂主梁中心点的临时支撑拆除前，测量悬垂梁中心点的三维坐标，与设计值比较，得出安装时的预抬升高度，待支撑拆除后进行复测，比较与设计值的误差同时得出悬垂梁下挠系数，作为后续工作的数据指导。 一个安装单元内悬垂主梁中心点坐标安装误差值(单位mm) 图18：施工完毕的雨篷屋面悬垂主梁结构 3.3斜拉索施工 拉索张拉流程： 每跨由外侧往里侧依次进行张拉 钢结构安装 挂索 索力动测仪监测钢索索力
13、全站仪监测结构变形 拉索微调 安装屋面板 图19： 北京南站站房雨篷钢拉索张拉和监测施工工艺流程 3.3.1张拉步骤 经过计算雨篷钢结构拉索最大张拉力50kN ，同时考虑到施工现 场条件和施工进度等方面的要求，本工程钢索张拉选用10吨级别千斤顶。张拉设备采用预应力钢结构专用千斤顶和配套手压油泵、油压传感器、读数仪及专用千斤顶支撑架。 每榀桁架均为两跨，每跨配置12至24根钢拉索，呈对称布置分别安装在结构两侧。每榀桁架依次由每跨的外侧往里侧对拉索进行张拉，第一跨张拉完毕后张拉第二跨。将结构内侧一跨的2至4个张拉组按两侧支座向跨中的方向依次施加张拉应力到100%con；再将结构外侧一跨的2至4个张
14、拉组按两侧支座向跨中的方向依次施加张拉应力到100%con。 图20：拉索张拉施工 3.3.2预应力钢索张拉测量数据的记录 每次张拉，都须记录索力动侧仪的读数和每组张拉设备中读书仪所显示的数值，其记录数值应当在允许范围内。张拉前后和张拉过程中须逐根测量预应力钢索调节端丝扣的外露长度。在受力为10%con 时的调节端丝扣长度作为原始长度L0，第二级张拉完成后丝扣长度为L1，则钢索伸长值记为La = L1 L0 。测得的钢索伸长值La与仿真计算得到的钢索理论伸长值L t之间的差值L应在理论伸长值Lt的允许范围内。 3.3.3预应力钢索张拉监测 为保证结构在施工期的安全，并使预应力钢索张拉与设计相符
15、，必须进行预应力钢索张拉阶段的监测。本工程施工阶段监测包括两部分内容，预应力钢索的受拉应力监测为主，结构变形监测为辅。 采用油压传感器和JMM-268索力动测仪对钢拉索进行索力检测。油压传感器安装于液压千斤顶油泵上，通过配套读数仪可随时监测到张拉设备施加给每根钢索的实际输出力值，以保证预应力钢索施工完成后的应力与设计单位要求的应力吻合；在预应力钢索张拉的过程中，采用全站仪进行变形监测，并结合施工仿真计算结果，安全、有效地保证钢结构预应力施工。全站仪的测点位于与拉索相连的桁架节点处。全站仪所测得的数据可为钢索预应力张拉提供辅助校核。 图21：拉索张拉完毕的雨篷结构 4.技术水平及推广应用前景 在
16、北京南站雨篷结构全部施工完毕后，通过对结构安装精度的测量和验收，以及斜拉索索力值的检测，雨篷悬垂梁在结构受力及建筑造型上都达到了设计的要求。雨篷屋面系统在悬垂主梁和拉索结构综合技术的运用下，既有效的保证了屋面结构承受积雨、积雪、积冰等屋面荷载，又增大了构件的反向抗弯刚度，有效的抵抗了自然环境及行车带来的负风压荷载，同时拉索和悬垂主梁相互约束位移、内力相互制约、采用铰接节点的综合新技术也有效的消除了行车带来的振动荷载，并且该技术的应用也很好的保证了雨篷结构双曲屋面的建筑效果，优化了整体结构的用钢量，体现了北京南站建筑造型设计的理念。该项技术填补了国内大跨度曲线型钢梁应用的空白，对同类曲线形钢梁的
17、设计及施工有很好的借鉴作用，具有很高的推广价值。 5综合效益分析： 悬垂主梁及斜拉索的安装施工技术，工艺先进、技术合理，有效的解决了现场施工的诸多难点，产生了良好的社会及经济效益。 （1）、质量控制情况好 采用临时支撑作为悬垂主梁吊装时的支撑及悬垂主梁的高空定位支架，以及高空对接、焊接操作平台，有效的控制了悬垂梁高空安装的施工质量，使其安装轴线、曲线度及最低点标高100的控制在了设计及规范要求的范围内；采用索力及结构位移双控的监测方法，有效的控制了预应力拉索施工质量，确保索力全部达到设计值，同时保证了结构的施工安全。 （2）、经济效益显著 本施工技术直接经济效益显著，经测算较常规安装技术节约工程成本逾20；通过本技术的应用，还使北京南站钢结构提前十天完成封顶工作，大大的节约了成本。 （3）、良好的社会效益 曲线形悬垂工字钢梁及斜拉索技术集装饰性、实用性于一体，保证了结构受力的同时，也很好的体现了北京南站雨篷结构扇贝建筑造型的设计理念，成了北京南站雨篷工程施工的一大亮点，不但得到了监理、设计、甲方及社会各界的好评，也为北京南站钢结构工程赢得了“结构长城杯”金奖的荣誉、取得了很好的社会效益。