在厦门国际会展二期工程中张弦梁结构施工的动态控制

　　摘要：本文通过张弦梁结构形式介绍，对张弦梁吊装、张弦梁预应力张拉、张弦梁配重灌浆、张弦梁施工过程所采用的动态控制措施来阐述在厦门国际会展中心二期工程张弦梁钢结构施工中监理的监控要点，力求加大主动控制在控制过程中的比例，同时进行定期、连续的被动控制。
　　关键词：动态控制、监控要点、张弦梁、预应力、钢结构、屋盖、灌浆
　　前言：动态控制是主动控制与被动控制相结合根据控制系统本身的状态和外部环境变化的一种控制形态，通常适用于工期紧、施工难度大、不确定因素多、质量要求高的工程项目中。
　　张弦梁结构最早是由日本大学M.SAITOH教授提出，它是一种区别于传统结构的新型杂交屋盖体系，张弦梁结构是一种由刚性构件上弦、柔性拉索、中间连以撑杆形成的混合结构体系，其结构组成是一种新型自平衡预应力钢结构体系。张弦梁结构体系简单、受力明确、结构形式多样、充分发挥了刚柔两种材料的优势。张弦梁结构体系在我国最早应用于上海浦东国际机场，后多应用于大型场馆屋盖结构中，厦门国际会展二期工程屋面张弦梁钢结构是此种结构体系在福建省的首次应用。
　　1、概述
　　厦门国际会展中心二期工程钢屋盖结构由45米及81米跨张弦梁和屋面梁组成，张弦梁采用箱形梁，81m跨张弦梁WJ1截面为□1200×600×20×35，45m跨张弦梁WJ1截面为□900×600×20×30。WJ1张弦梁的拉索为φ7×151，撑杆为φ245×16，WJ2张弦梁的拉索为φ5×139，撑杆为φ168×10，撑杆上端与张弦梁下翼缘铰接，下段与钢球节点铰接将拉索固定，张弦梁结构示意如下图。
　　2、针对张弦梁结构工程的主要技术特点提前预控
　　2.1主动控制内容：企业资质、人员资格、施工方案、材料制作工厂考察、吊装设备选用考察、第三方检测实验室审查、施工现场勘测资料审查现场复查、反复斟酌专家论证会议纪要，制定监理实施细则。
　　2.2张弦梁配重施工工艺及时机确定做到提前预控
　　因为本工程为大型公共建筑，根据几次专家论证会的意见，全面提高结构设计安全等级，为防止在特定台风等状态下屋面结构反拱造成预应力拉索失效，需增加张弦梁自身重量，提前预控综合考虑经济、施工等因素，采用在箱形梁内填充配重材料增加自重。配重材料、施工时机、施工工艺的选择是本工程张弦梁施工的一大特点。
　　2.3根据拉索张拉时机提前确定张拉荷载系数
　　本工程有三种张拉时机，张弦梁安装后、上弦梁填充配重之前进行拉索张拉；在上弦梁填充配重之后、安装檩条和屋面板之前进行张拉；在安装檩条和屋面板后进行张拉。
　　2.4单榀张弦梁张拉时的结构平面外稳定性
　　张拉梁的上弦为单根箱型构件，其刚度较小，特别是平面外刚度更小，如WJ1上弦的平面外长细比为328，WJ2的为185。当拉索张拉时，上弦不仅受到向上的等效荷载，而且受到轴向等效压力，上弦成为一个压弯构件。当张弦梁平面外无侧向支撑时，拉索张拉可能导致张弦梁平面外失稳。
　　2.5张弦梁钢结构现场应力应变监测
　　为确保施工安全，本工程预应力张拉前后及灌浆48小时后钢箱梁轴向受力的应变监测。
　　3、会展二期工程张弦梁结构施工技术
　　3.1、综合施工方案选择
　　根据本工程的具体特点，采用张弦梁分吊装就位、高空拼装成型后进行拉索提升张拉，最后进行灌浆的总体方案。
　　张弦梁分为两大相互独立钢结构吊装区域，互不影响，每区逐榀安装。第一区选用100t履带吊分三段在跨内吊装；第二区域选用300t履带吊分两段进行跨外吊装。每榀张弦梁分段处下面均设置胎架（临时支撑架），胎架采用四肢格构柱，主肢选用I10工字钢，缀条选用L63×5角钢，缀板选用I10工字钢，胎架在每榀张弦梁张拉完成后方可拆除。
　　
　　跨内吊装示意图
　　
　　跨外吊装示意图
　　3.2主动控制仿真模拟计算，严格控制施工工艺
　　对张弦梁建模并运用计算机仿真模拟技术，对施工施工工程中各种工况下构件及胎架的安全全过程模拟计算分析，根据计算分析结果，制订科学的施工方案严格并控制施工工艺。选取WJ1最长的一段吊装过程验算为例，对结构的应力和位移进行计算，结构的应力图如图所示：
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　吊装过程中上弦分段应力分布图吊装过程中上弦竖向位移图
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　吊机松钩后上弦分段应力分布图吊机松钩后上弦竖向位移图
　　由WJ1结构吊装段的位移和应力图可得：吊装过程中上弦分段的跨中最大竖向位移为-13mm，最大应力为17MPa；吊机松钩后上弦分段的跨中最大竖向位移为-20mm，最大应力为24MPa，满足施工安全要求。
　　3.3拉索张拉时机的确定
　　根据本工程理论上的三种张拉时机（张弦梁安装后上弦梁灌浆之前张拉；上弦梁灌浆之后檩条和屋面板安装前张拉；檩条和屋面板安装后张拉），从总体施工组织、加快施工周期、减小拉索张拉的难度等因素综合比较，最终确定采用张弦梁安装后，在上弦梁灌浆之前，进行拉索张拉。张拉后拆除胎架，再进行上弦灌浆等下道工序。
　　3.4单榀张弦梁张拉时的结构平面外稳定性控制
　　如前所述张拉梁的上弦平面外刚度小，拉索张拉可能导致张弦梁平面外失稳，因此在进行拉索张拉前需采取有效措施保证张拉时张弦梁平面外稳定。经多次讨论研究，最终采用具体措施为：首次采用双榀张拉，后续采用单榀依次张拉；首次张拉时需在至少4榀张弦梁安装完成、连接好连系梁后进行首两榀拉索同时张拉；后续待张拉的张弦梁确保与两侧的不少于2榀张弦梁（钢筋砼屋面梁）之间的连接系杆和水平支撑安装完成后再进行张拉；张拉过程采用四级逐步加力张拉的施工工艺；在张拉过程中进行应力应变监测。在多项措施的保证下确保了施工安全。
　　3.5依次张拉过程中相邻张弦梁索力的相互影响
　　本工程相邻张弦梁是通过纵向连系梁连接，而纵向连系梁通过高强螺栓与张弦梁连接，纵向连系梁端部的转动刚度会导致张弦梁依次张拉过程中相邻张弦梁的索力有一定的相互影响。为减小这种不利的影响，采取张拉前采用普通螺栓临时固定、张拉后更换为高强螺栓的措施尽量使其连接成为铰接，减小张拉阶段纵向连系梁端部的转动刚度，从而避免相邻张弦梁索力的相互影响。
　　3.6张弦梁配重灌浆施工工艺
　　本工程张弦梁的钢箱梁内配重原设计采用满灌砂卵石，箱内每4.5m有一隔板，制作过程中还需要设置构造隔板，因砂卵石的流动性很差，较难保证砂卵石在箱梁内的均匀性及饱满性，施工周期长且砂卵石容易造成钢构件的腐蚀。
　　为此参建各方进行了长达2个月的试验研究、模拟验算及现场1:1试验，最终决定灌注流动性更好的轻质水泥砂浆来满足屋面配重的要求，采用泵送自流轻质水泥砂浆重力灌浆的施工工艺进行施工。81m跨张弦梁分三段进行灌浆，27m位置设置封闭性竖向隔板，灌注顺序为先两边后中间。45m跨张弦梁分两段进行压浆，跨中位置设置封闭性竖向隔板，为保证灌浆施工过程中结构的均匀受力，两段灌浆同时进行，每个灌浆分段由高向低灌浆，灌浆在拉索张拉完毕、胎架拆除之后进行。
　　为了保证配重满足设计要求，在现场地面进行1:1张弦梁模型灌浆试验，最终确定了特种骨料＋外加剂＋引气剂的配比设计，满足砂浆比重达到不大于18KN/m3的比重要求。砂浆在专业搅拌站制作并运输到现场，通过泵送到高空灌浆口进行灌浆，当排气孔流出砂浆时视砂浆灌注结束。
　　灌浆施工过程主要控制点为砂浆饱满度、撑杆垂直度、张弦梁位移量、支座位移量、索夹紧固。
　　3.7钢结构现场应力应变检测
　　由于本次监测周期较长，因此在钢箱梁上焊接振弦式应变计以长期监测其应变变化情况，现场选取了81m、45m跨各一榀钢梁进行张拉前后及灌浆48小时后的应变监测。为了解灌浆后梁侧变形情况，在I区选取了3榀81m跨钢梁、IV区选取了2榀45m跨钢梁，采用在梁左、右两侧安装百分表及应变计进行监测。
　　钢梁应变监测结果（IV区J、35～40轴、45m跨）实例
　　位置 初读数（）
　　100％张拉力（）
　　灌浆后48小时（）
　　
　　断面1 梁顶面 0 51 -73
　　 梁底面 0 -131 -163
　　断面2 梁顶面 0 72 -21
　　 梁左侧 0 3 -13
　　 梁右侧 0 8 29
　　 梁底面 0 -38 -104
　　断面3 梁顶面 0 171 -217
　　 梁左侧 0 110 91
　　 梁右侧 0 -54 -183
　　 梁底面 0 -70 -45
　　注：应变受拉为正，受压为负。
　　4、会展二期工程张弦梁结构施工技术主要质量控制点及实施效果
　　4.1、临时胎架措施：
　　临时胎架直接关系着本工程的施工安全及安装质量，胎架施工前对各种施工工况下胎架的安全行经过严格的模拟计算，施工过程中严格按照设计要求施工，施工完经后经验收完成后方可使用，施工过程中未发现胎架变形。。
　　4.2橡胶支座的安装：
　　主要通过全站仪控制橡胶支座的标高偏差，纵向偏差，横向偏差，保证各种数据在允许偏差的控制范围内，为张弦梁顺利安装提供了必要条件。
　　4.3张弦梁分段吊装及焊接质量控制
　　张弦梁分段选用四点和两点起吊，在张弦梁上翼缘焊接吊装吊耳（由工厂焊接），对口部位焊接工装件。当张弦梁起吊离开地面约1.5m后，将拉索撑杆组装到张弦梁上，与张弦梁一起吊装就位，就位后根据柱顶和胎架顶部的测量定位轴线及时找正，支座与张弦梁底板临时固定，接口部位与胎架临时固定，进行对接口焊接。为了保证对口焊接质量，高空每个张弦梁焊接口都设置防风、防雨棚，现场焊缝通过多方检测均满足要求。
　　4.4拉索安装质量控制
　　本工程张拉过程采用双控索力控制和张弦梁位移控制，根据计算分析结果，严格控制张拉施工工艺，如：控制张弦梁的起拱和中心线偏差，控制拉索固定点位置，张拉过程中控制索力和构件变形（反拱值），保证撑杆垂直于大地，保证拉索施工质量。张拉过程主要控制点为张拉力、张弦梁起拱值、支座位移量，张拉之后再次对索夹进行紧固。张拉过程中检测结果均满足要求。
　　4.5、防火涂料的刷涂
　　防火涂料在现场进行高空刷涂，主要的质量控制点有：防火涂料质量、防火涂料与中间漆（环氧云铁）相容性、防火涂层干膜厚度、涂层观感质量等。省检现场取样等各种检测均符合要求。
　　5、总结
　　该工程于2008年3月1日开工、2008年8月27日交付布展，实际工期180天，张弦梁工程顺利按期保质完成，为总工期的实现提供了必要条件，为2008年9月8日开幕的“中国第十二届经贸洽谈会”的胜利召开奠定了坚实的基础。本工程钢结构2008年顺利通过建设部“钢结构金奖”评审。
　　
　　
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