專利名稱：大跨度雙向張弦鋼屋架的施工方法
技術領域：
本發明涉及一種預應力張弦鋼屋架的施工方法。
背景技術：
國家體育館是北京2008年奧運會三大主場館之一，奧運期間將主要進行體操比賽、手球決賽，殘奧會進行輪椅籃球比賽。其建筑由比賽館、熱身館組成，比賽館可容納觀眾約1.8萬人，總建筑面積80890m2，地下一層、地上四層。屋蓋平面投影為兩個矩形，縱向長195.5m，橫向寬114m，分別覆蓋比賽館和熱身館，其中比賽館尺寸為114m×144.5m，熱身館尺寸為51m×63m。由于比賽館跨度超大，四周有多層看臺，看臺結構是主體勁性鋼筋混凝土框架的一部分，已先期施工，另外工期緊，施工總體安排需要組織立體交叉施工，最大限度地減少對其他后續分項工程的影響，因此，如此大跨度的鋼屋架及其施工就成為施工中的技術難題。
目前國內外的大跨度預應力鋼結構屋蓋采用的大都是單向張弦桁架結構或單向張弦梁，尚無雙向張弦桁架鋼結構預應力張拉工程先例。如上海浦東國際機場航站樓，張弦梁結構的跨度為82.6m，廣州國際會展中心，張弦桁架結構的跨度為126.5m、哈爾濱體育會展中心，張弦桁架結構的跨度為126.8等。在國外方面，英國倫敦的千禧穹頂跨度達325m，但采用的是域內多點支承結構體系。日本也有十幾座張弦體系的場館如Green Dome Maebashi，Ogasayama Dome，Urayasu Municipal Sports Hall等，其中Green Dome Maebashi的平面尺寸達167×122m。
發明內容本發明的目的是提供一種大跨度雙向張弦鋼屋架的施工方法，要解決加快大跨度雙向張弦鋼屋架施工速度、降低施工費用、不影響其它后續分項工程的問題。
本發明的目的是這樣實現的一種大跨度雙向張弦鋼屋架的施工方法，其特征在于施工步驟如下(1)、先在地面拼裝縱向桁架的各段；(2)、然后在高空組裝平臺上將縱向桁架的各段拼成一榀縱向桁架；(3)、在高空組裝平臺上組拼兩榀縱向桁架；(4)、在兩榀縱向桁架之間拼裝橫向桁架，構成鋼屋架上層單元；(5)、安裝鋼撐桿，鋼撐桿上端與屋架上層單元固定連接，鋼撐桿下端連接索夾節點，縱向預應力索穿過索夾節點的縱向索孔道，橫向預應力索穿過索夾節點的橫向索孔道，形成鋼屋架下層單元，鋼屋架上層單元和鋼屋架下層單元共同構成鋼屋架滑移單元；安裝鋼屋架下層單元，安裝鋼撐桿，在其下端連接索夾節點，縱向預應力索穿過索夾節點的縱向索孔道，橫向預應力索穿過索夾節點的橫向索孔道，構成鋼屋架滑移單元；(6)、使鋼屋架滑移單元沿高空支撐架上的滑道向前滑移一個柱距，縱向預應力索和橫向預應力索隨屋架鋼結構一起滑移，但不張拉，僅預緊，預緊力為10％索張拉力；(7)、依次往復，逐跨組裝縱向桁架和橫向桁架，逐跨推進，直至滑移到位；(8)、待鋼屋架滑移就位后，使支座與鋼屋架連接，進行預應力索張拉。
上述(8)中，預應力索張拉分三級施加預應力，第一級預應力索張拉施加80％，第二級施加至105％設計索力，第三級根據張拉監測結果對索體進行細微調整，調整到設計要求的索力。
上述第一級預應力索張拉是用千斤頂由鋼屋架四角往中間雙向對稱張拉，每次張拉四根預應力索，第一級張拉完成后，將千斤頂從中間向兩側移動進行第二級張拉，直至符合設計要求。
上述的大跨度雙向張弦鋼屋架結構鋼屋架的邊端由支座支撐在建筑周邊的支撐體系上面，其特征在于鋼屋架呈波浪形曲面造型，其平面投影為矩形，縱向的支座在垂直方向呈曲線狀布置；鋼屋架上層單元由橫向桁架和縱向桁架交織成網格形正交鋼桁架，每榀桁架由上弦桿、下弦桿，斜向連接于上弦桿與下弦桿之間的人字形腹桿組成，上弦桿與人字形腹桿頂部交接處為焊接球節點，下弦桿與人字形腹桿下端部交接處為鑄鋼節點，鋼屋架下層單元為鋼撐桿及雙向預應力空間張拉索網，鋼撐桿的頂端與鋼屋架上層單元的鑄鋼節點固定連接，鋼撐桿的下端連接索夾節點，索夾節點開有上下錯開的縱向索孔道和橫向索孔道，縱向預應力索穿過縱向索孔道，橫向預應力索穿過橫向索孔道，形成雙向預應力空間張拉索網。
上述雙向預應力空間張拉索網的網格間距可為8-10m。
上述縱向預應力索和橫向預應力索可以是雙根或單根的擠包雙護層大節距扭絞型纜索。
上述鋼撐桿徑向連接翅片，其長度可以是1-10m。
上述上弦桿和腹桿可以是無縫圓鋼管。
上述下弦桿可以是矩形鋼管。
上述鋼撐桿的頂端為葫蘆頭狀，該葫蘆頭嵌入兩節點卡板和蓋板組成的臥槽中，并由高強螺栓固定連接。
本發明與現有傳統技術相比具有的有益效果本發明為雙向張弦預應力空間結構體系，施工中采用了地面分段組裝，高空整榀拼裝，縱向桁架橫向帶索累積滑移，滑移到位后進行雙向預應力索分級對稱張拉的施工工藝。本發明的鋼屋架為曲面造型，使桁架下弦縱向支座呈豎曲線狀布置；桁架節點構造復雜、種類多，本發明采用了球節點、鑄鋼節點；鋼撐桿下端與索采用帶鋼球的索夾節點連接。本發明的鋼屋架同時滿足了外形美觀、跨度超大、用材省、承載力高、結構穩定性好的要求。
本發明采用沿橫向滑移的方法，桁架滑移采取了帶索滑移的方法。滑移跨度大，滑移次數少，附屬工作所占比例高，從效益上看似乎不合算，但可以解決本工程遇到的特殊情況，滑移軌道變成了水平、直線，可以由逐條滑移改為累積滑移。在平臺上能先組成雙向結構，滑移時更接近設計狀態；減少了滑移后的高空作業量，達到了減少對其他工序的影響，能組織交叉施工的目的。為最大限度減少屋蓋施工對其他工序的影響，該鋼屋架施工速度快、縮短了工期，降低了施工費用。本發明采用雙向張弦桁架結構和帶索累積滑移方法，施工期間其他工序按計劃實現了交叉，保證了施工總體部署的實現。在鋼屋蓋施工過程中，為了控制鋼結構的施工精度和施工安全，對結構形態、就位精度、應力應變等進行了實時監測，已完成工序的監測數據顯示，監測結果與理論分析基本吻合，處于預控范圍之內。
圖1是屋架鋼結構的示意圖。
圖2是鋼屋架的縱剖面的結構示意圖。
圖3是鋼屋架的橫剖面的結構示意圖。
圖4是鋼屋架下層結構的示意圖。
圖5是鋼撐桿上端節點分解圖。
圖6是鋼撐桿下端索夾節點分解圖。
圖7是支撐體系及滑道的俯視示意圖。
圖8是第一級預應力索張拉順序的示意圖；圖9是第二級預應力索張拉順序的示意圖。
圖10是鋼屋架的立體結構示意圖。
圖11是本發明施工步驟的示意圖。
圖12是本發明施工步驟的示意圖。
圖13是本發明施工步驟的示意圖。
圖14是本發明施工步驟的示意圖。
圖15是本發明施工步驟的示意圖。
圖中1-縱向預應力索、2-橫向預應力索、3-鋼撐桿、4-上弦桿、5-下弦桿、6-支座、7-腹桿、8-焊接球節點、9-鑄鋼節點、10-索夾節點、11-縱向索孔道、12-橫向索孔道、13-承重柱、14-邊滑道、15-中滑道、16-鋼屋架、17-翅片、18-葫蘆頭、19-蓋板、20-節點卡板、21-高強螺栓。
具體實施方式
實施例參見圖1所示，鋼屋架16呈波浪形曲面造型，其平面投影為矩形，縱向的支座在垂直方向呈曲線狀布置。
參見圖2-5，這種大跨度雙向張弦鋼屋架的邊端由支座6支撐在建筑周邊的支撐體系上面。鋼屋架16的平面投影為兩個矩形，縱向長195.5m，橫向寬114m，分別覆蓋比賽館和熱身館，其中比賽館尺寸為114m×144.5m，熱身館尺寸為51m×63m，鋼屋面呈南高北低的波浪形曲線，結構最高點標高為42.454m。比賽館鋼屋蓋結構形式為單曲面雙向張弦桁架鋼結構，其上層為正交正放的平面桁架(橫向18榀，縱向14榀)，網格間距為8.5m，結構高度為1.518～3.973m。鋼屋蓋(包括熱身館)投影面積22788m2，總重量約3000t。上述上弦桿4和腹桿7是無縫圓鋼管。上述下弦桿5是矩形鋼管。桁架材質為Q345C。下層為鋼撐桿及雙向預應力空間張拉索網，橫向14榀，縱向8榀帶索，橫向為雙索，縱向為單索，鋼索采用擠包雙護層大節距扭絞型纜索，強度等級1670MPa，φ5×109～φ5×367；鋼撐桿3為φ219×12的鋼管，最長9.248m。
參見圖2-4，鋼屋架上層單元由橫向桁架和縱向桁架交織成網格形正交鋼桁架，每榀桁架由上弦桿4、下弦桿5，斜向連接于上弦桿與下弦桿之間的人字形腹桿7組成，上弦桿4與人字形腹桿7頂部交接處為焊接球節點8。下弦桿5與人字形腹桿7下端部交接處為鑄鋼節點9。鋼屋架下層單元為鋼撐桿3及雙向預應力空間張拉索網，鋼撐桿3的頂端與鋼屋架上層單元的鑄鋼節點9固定連接，鋼撐桿3的下端連接索夾節點10。，索夾節點開有上下錯開的縱向索孔道11和橫向索孔道12，縱向預應力索1穿過縱向索孔道11，橫向預應力索2穿過橫向索孔道12，形成雙向預應力空間張拉索網。上述雙向預應力空間張拉索網的網格間距為8-10m。
參見圖5，為加強鋼撐桿的強度，在鋼撐桿3徑向四方向分別連接四個翅片17，鋼撐桿3的頂端為葫蘆頭18的形狀，該葫蘆頭18嵌入兩節點卡板20和蓋板19組成的臥槽中，并由高強螺栓21固定連接。
參見圖6，支撐體系可包括承重柱13或承重墻體、支架及滑道。鋼桁架通過六個三向固定球鉸支座和五十四個單向滑動球鉸支座支承在周邊勁性鋼筋混凝土柱頂。
上述的大跨度雙向張弦鋼屋架的施工方法，其特征在于施工步驟參見圖10-15
(1)、先在地面拼裝縱向桁架的各段；(2)、然后在高空組裝平臺上將縱向桁架的各段拼成一榀縱向桁架。
(3)、在高空組裝平臺上組拼兩榀縱向桁架。
(4)、在兩榀縱向桁架之間拼裝橫向桁架，構成鋼屋架上層單元。
(5)、安裝鋼撐桿3，鋼撐桿上端與屋架上層單元固定連接，鋼撐桿下端連接索夾節點10，縱向預應力索1穿過索夾節點的縱向索孔道11，橫向預應力索2穿過索夾節點的橫向索孔道12，形成鋼屋架下層單元，鋼屋架上層單元和鋼屋架下層單元共同構成鋼屋架滑移單元。
參見圖4、圖5。
(6)、使鋼屋架滑移單元沿高空支撐架上的滑道向前滑移一個柱距，縱向預應力索和橫向預應力索隨屋架鋼結構一起滑移，但不張拉，僅預緊，預緊力為10％索張拉力；(7)、依次往復，逐跨組裝縱向桁架和橫向桁架，逐跨推進，直至滑移到位；(8)、待鋼屋架滑移就位后，使支座與鋼屋架連接，進行預應力索張拉。
上述(8)中，預應力索張拉分三級施加預應力，第一級預應力索張拉施加80％，第二級施加至105％設計索力，第三級根據張拉監測結果對索體進行細微調整，調整到設計要求的索力。
參見圖8、9，上述第一級預應力索張拉是用千斤頂由鋼屋架四角往中間雙向對稱張拉，每次張拉四根預應力索，第一級張拉完成后，將千斤頂從中間向兩側移動進行第二級張拉，直至符合設計要求。
張拉設備采用相應的千斤頂和配套油泵。預應力鋼索的張拉控制采用張拉力和伸長值同時控制，其中張拉力作為主要控制要素，伸長值作為輔助控制要素。張拉時最多需要同時張拉縱、橫向各兩個軸線的索，即六根索十二個千斤頂。
預應力鋼索張拉采用雙控，即控制鋼索的拉力、伸長值及鋼結構變形值。預應力鋼索張拉完成后，應立即測量校對。如發現異常，應暫停張拉，待查明原因，并采取措施后，再繼續張拉。
為保證鋼結構的安裝精度以及結構在施工期間的安全，并使鋼索張拉的預應力狀態與設計要求相符，對鋼結構的安裝精度、張拉過程中鋼索的拉力及鋼結構的應力與變形進行監測。對鋼索拉力的監測采用壓力傳感器測試，壓力傳感器安裝于液壓千斤頂下方，通過數據采集儀器實時監測到預應力鋼索的拉力，以保證預應力鋼索施工完成后的應力與設計所要求的應力吻合。在預應力鋼索進行張拉時，鋼結構部分會隨之變形，采用全站儀和百分表對變形進行監測，采用振弦應變計對鋼結構應力進行監測。
權利要求
1.一種大跨度雙向張弦鋼屋架的施工方法，其特征在于施工步驟如下(1)、先在地面拼裝縱向桁架的各段；(2)、然后在高空組裝平臺上將縱向桁架的各段拼成一榀縱向桁架；(3)、在高空組裝平臺上組拼兩榀縱向桁架；(4)、在兩榀縱向桁架之間拼裝橫向桁架，構成鋼屋架上層單元；(5)、安裝鋼撐桿，鋼撐桿上端與屋架上層單元固定連接，鋼撐桿下端連接索夾節點，縱向預應力索穿過索夾節點的縱向索孔道，橫向預應力索穿過索夾節點的橫向索孔道，形成鋼屋架下層單元，鋼屋架上層單元和鋼屋架下層單元共同構成鋼屋架滑移單元；(6)、使鋼屋架滑移單元沿高空支撐架上的滑道向前滑移一個柱距，縱向預應力索和橫向預應力索隨屋架鋼結構一起滑移，但不張拉，僅預緊，預緊力為10％索張拉力；(7)、依次往復，逐跨組裝縱向桁架和橫向桁架，逐跨推進，直至滑移到位；(8)、待鋼屋架滑移就位后，使支座與鋼屋架連接，進行預應力索張拉。
2.根據權利要求1所述的大跨度雙向張弦鋼屋架的施工方法，其特征在于上述(8)中，預應力索張拉分三級施加預應力，第一級預應力索張拉施加80％，第二級施加至105％設計索力，第三級根據張拉監測結果對索體進行細微調整，調整到設計要求的索力。
3.根據權利要求2所述的大跨度雙向張弦鋼屋架的施工方法，其特征在于上述第一級預應力索張拉是用千斤頂由鋼屋架四角往中間雙向對稱張拉，每次張拉四根預應力索，第一級張拉完成后，將千斤頂從中間向兩側移動進行第二級張拉，直至符合設計要求。
4.一種權利要求1大跨度雙向張弦鋼屋架的施工方法所述的大跨度雙向張弦鋼屋架，鋼屋架的邊端由支座支撐在建筑周邊的支撐體系上面，其特征在于鋼屋架呈波浪形曲面造型，其平面投影為矩形，縱向的支座在垂直方向呈曲線狀布置；鋼屋架上層單元由橫向桁架和縱向桁架交織成網格形正交鋼桁架，每榀桁架由上弦桿、下弦桿，斜向連接于上弦桿與下弦桿之間的人字形腹桿組成，上弦桿與人字形腹桿頂部交接處為焊接球節點，下弦桿與人字形腹桿下端部交接處為鑄鋼節點，鋼屋架下層單元為鋼撐桿及雙向預應力空間張拉索網，鋼撐桿的頂端與鋼屋架上層單元的鑄鋼節點固定連接，鋼撐桿的下端連接索夾節點，索夾節點開有上下錯開的縱向索孔道和橫向索孔道，縱向預應力索穿過縱向索孔道，橫向預應力索穿過橫向索孔道，形成雙向預應力空間張拉索網。
5.根據權利要求4大跨度雙向張弦鋼屋架的施工方法所述的大跨度雙向張弦鋼屋架，其特征在于上述雙向預應力空間張拉索網的網格間距為8-10m。
6.根據權利要求4大跨度雙向張弦鋼屋架的施工方法所述的大跨度雙向張弦鋼屋架，其特征在于上述縱向預應力索和橫向預應力索是雙根或單根的擠包雙護層大節距扭絞型纜索。
7.根據權利要求4大跨度雙向張弦鋼屋架的施工方法所述的大跨度雙向張弦鋼屋架，其特征在于上述鋼撐桿徑向連接翅片，其長度是1-10m。
8.根據權利要求4大跨度雙向張弦鋼屋架的施工方法所述的大跨度雙向張弦鋼屋架，其特征在于上述上弦桿和腹桿是無縫圓鋼管。
9.根據權利要求4大跨度雙向張弦鋼屋架的施工方法所述的大跨度雙向張弦鋼屋架，其特征在于上述下弦桿是矩形鋼管。
10.根據權利要求4大跨度雙向張弦鋼屋架的施工方法所述的大跨度雙向張弦鋼屋架，其特征在于上述鋼撐桿的頂端為葫蘆頭狀，該葫蘆頭嵌入兩節點卡板和蓋板組成的臥槽中，并由高強螺栓固定連接。
全文摘要
一種大跨度雙向張弦鋼屋架的施工方法，先在地面拼裝縱向桁架的各段；然后在高空組裝平臺上將縱向桁架的各段拼成一榀縱向桁架，再組拼兩榀縱向桁架；在兩榀縱向桁架之間拼裝橫向桁架，構成鋼屋架上層單元，鋼撐桿上端與屋架上層單元固定連接，鋼撐桿下端連接索夾節點，縱向預應力索和橫向預應力索穿過索夾節點，構成鋼屋架滑移單元；使鋼屋架滑移單元沿滑道向前滑移一個柱距，縱向預應力索和橫向預應力索隨屋架鋼結構一起滑移并預緊，依次往復，逐跨組裝縱向桁架和橫向桁架，逐跨推進，直至滑移到位；待鋼屋架滑移就位后，使支座與鋼屋架連接，進行預應力索張拉。本發明用材省，工期短，施工費用少，承載力高，結構穩定性好。
文檔編號E04G21/12GK101029518SQ20071020032
公開日2007年9月5日 申請日期2007年3月23日 優先權日2007年3月23日
發明者李寶丹, 王甦, 李文建, 楊郡, 覃陽, 朱忠義, 陳永生, 劉健, 王秀枝, 劉京城, 楊文柱, 黃明鑫, 陳志江, 崔嵬, 孫治國, 曹飛, 徐亞柯, 秦杰, 徐瑞榮, 李國立 申請人:北京城建集團有限責任公司