穹頂鋼結(jié)構(gòu)雙向旋轉(zhuǎn)累積滑移施工工法簡介

榮譽(yù)表彰

2011年9月，中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布《關(guān)于公布2009-2010年度國家級(jí)工法的通知》建質(zhì)[2011]154號(hào)，《穹頂鋼結(jié)構(gòu)雙向旋轉(zhuǎn)累積滑移施工工法》被評(píng)定為2009-2010年度國家二級(jí)工法。 2100433B

雙向張弦鋼屋架滑移與張拉施工工法適用范圍

《雙向張弦鋼屋架滑移與張拉施工工法》適用于大跨度雙向張弦結(jié)構(gòu)帶索累積滑移及預(yù)應(yīng)力張拉施工。

雙向張弦鋼屋架滑移與張拉施工工法工藝原理

《雙向張弦鋼屋架滑移與張拉施工工法》的工藝原理敘述如下：

1.雙向桁架通過增加支撐點(diǎn)（減小跨度），可以像單向桁架一樣采用累積滑移法安裝；

2.通過加大組裝平臺(tái)寬度，增加平臺(tái)上同時(shí)拼裝桁架的數(shù)量，可以提高累積拼裝方向（滑移方向）桁架的拼裝精度，保證桁架的雙向拼裝質(zhì)量；

3.滑移時(shí)采取拖帶索的方法，既可解決桁架滑移到位后不易掛索的難題，又能保證工程質(zhì)量、安全，且減少對(duì)其他工序施工的干擾；

4.累積滑移的推進(jìn)裝置采用計(jì)算機(jī)控制同步液壓爬行器；

5.通過計(jì)算機(jī)仿真模擬計(jì)算分析，確定各個(gè)張拉階段的主要控制點(diǎn)和相應(yīng)的理論數(shù)值，得出每一步張拉各榀之間相互影響的關(guān)系和規(guī)律，給出預(yù)應(yīng)力損失的數(shù)值，并最終得出每榀需要的張拉力，形成完整的張拉和監(jiān)控方案。

雙向張弦鋼屋架滑移與張拉施工工法施工工藝

• 工藝流程

《雙向張弦鋼屋架滑移與張拉施工工法》的工藝流程見圖1。

圖1注：圖中縱向桁架指垂直于滑移方向的桁架，橫向桁架指平行于滑移方向的桁架。

• 操作要點(diǎn)

《雙向張弦鋼屋架滑移與張拉施工工法》的操作要點(diǎn)如下：

一、深化設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)及預(yù)應(yīng)力工藝要求，計(jì)算出鋼索的下料長度，以及索體上撐桿節(jié)點(diǎn)的安裝位置標(biāo)記點(diǎn)。完成鋼撐桿上、下節(jié)點(diǎn)和鋼桁架張拉端節(jié)點(diǎn)的加工圖設(shè)計(jì)。

二、施工仿真計(jì)算

針對(duì)具體工程建立結(jié)構(gòu)整體模型，進(jìn)行施工仿真模擬計(jì)算，得出如下結(jié)果：

1.根據(jù)設(shè)計(jì)要求的撐桿的垂直狀態(tài)，給出撐桿節(jié)點(diǎn)位置的標(biāo)記力；

2.驗(yàn)證張拉施工方案的可行性，確保張拉過程的安全；

3.給出每步張拉張拉力的大小，為實(shí)際張拉時(shí)的張拉力值的確定提供理論依據(jù)；

4.給出每步張拉結(jié)構(gòu)的變形及應(yīng)力狀態(tài)，為張拉過程中的變形監(jiān)測及索力監(jiān)測提供理論依據(jù)；

5.根據(jù)計(jì)算張拉力大小，選擇合適的張拉機(jī)具，并設(shè)計(jì)合理的張拉工裝。

三、鋼索制作

按照深化設(shè)計(jì)計(jì)算出的下料長度進(jìn)行鋼索制作。制作完成的鋼索在工廠內(nèi)要進(jìn)行預(yù)張拉，預(yù)張拉力為設(shè)計(jì)索力的1.2-1.4倍，并在預(yù)張拉力等于設(shè)計(jì)索力的情況下，在索體上標(biāo)注出每個(gè)鋼撐桿下節(jié)點(diǎn)的安裝位置。為便于施工要求每根索體都單獨(dú)成盤出廠。

四、高空組裝平臺(tái)搭設(shè)及桁架拼裝

1.國家體育館桁架在高空組裝平臺(tái)上組拼時(shí)是七點(diǎn)支撐，滑移時(shí)跨中設(shè)支點(diǎn)，變成三點(diǎn)支撐，即三條滑道（詳見高空組裝平臺(tái)及滑道示意圖2）。雙向桁架累積滑移時(shí)，橫向桁架不像縱向桁架那樣可以在高空組裝平臺(tái)上一次拼裝成型，而是在滑移過程中逐節(jié)間、逐步拼裝而成。

2.如果按一般累積滑移作法，橫向桁架將在前一節(jié)間已受力變形（七點(diǎn)支撐變?nèi)c(diǎn)支撐）后才組裝。將造成橫向桁架拼裝質(zhì)量難以保證。若增加平臺(tái)寬度，使三榀縱向桁架能同時(shí)在高空組裝平臺(tái)上拼裝，則可保證橫向桁架在前一節(jié)間發(fā)生形變前拼裝后一節(jié)間，如此則能較好地提高橫向桁架的整體質(zhì)量。所以高空組裝平臺(tái)搭設(shè)的寬度不是一般的滿足兩榀拼裝的需要，而是滿足三榀桁架拼裝的需要。國家體育館拼裝平臺(tái)的設(shè)計(jì)寬度為21米。

五、滑道支撐架及滑移胎架支設(shè)

1.雙向桁架滑移時(shí)基本呈單向（或三邊支撐）受力狀態(tài)，如果在原支座、原跨度條件下滑移，則桁架應(yīng)力、變形將超出設(shè)計(jì)允許值。故需增加1~2條支撐，以減小跨度。國家體育館在跨中增設(shè)了一條滑道，使縱向桁架在滑移時(shí)變成了三支點(diǎn)。

2.張弦桁架因下弦為鋼索，桁架的中滑道支撐點(diǎn)必須在上弦，如此滑道與支撐點(diǎn)存在一定高差，因此要在中滑道上增設(shè)滑移胎架。

3.滑移胎架可采用組裝式標(biāo)準(zhǔn)架，軌道采用重型鋼軌及H型鋼梁。中間滑道爬行器與滑移胎架連接，通過耳板和加勁板傳力，推動(dòng)桁架移動(dòng)。

4.為保證滑移過程桁架同步及滑移胎架在滑移時(shí)的穩(wěn)定性。在滑移胎架水平方向上下各加設(shè)鋼管桁架梁，在滑移胎架側(cè)向設(shè)置交叉撐將滑移胎架連成一個(gè)整體排架。通過合理設(shè)定、穩(wěn)定分析、整體有限元分析及合理設(shè)置液壓爬向器的位置，改善滑移胎架的受力狀態(tài)等方法，保證了滑移胎架的安全；解決了滑移過程中推力的傳遞及滑動(dòng)胎架的穩(wěn)定。且方便撐桿、雙向預(yù)應(yīng)力索的安裝和固定支撐架向滑動(dòng)胎架的轉(zhuǎn)換等一系列難題。

六、液壓同步滑移系統(tǒng)安裝

液壓同步滑移施工采用計(jì)算機(jī)控制，通過數(shù)據(jù)反饋和控制指令傳遞，可全自動(dòng)實(shí)現(xiàn)各個(gè)爬行器（平面布置見圖3）同步動(dòng)作、負(fù)載均衡、姿態(tài)矯正、推力控制、操作閉鎖、過程顯示和故障報(bào)警等多種功能。

滑移設(shè)備總體規(guī)劃布置應(yīng)滿足鋼屋架滑移單元滑移驅(qū)動(dòng)力的要求，使每臺(tái)液壓爬行器受載均勻；保證每臺(tái)泵站驅(qū)動(dòng)的液壓爬行器數(shù)量相等，提高泵站利用率；確保系統(tǒng)的安全性和可靠性，降低工程風(fēng)險(xiǎn)。爬行器采用TJG-1000型液壓爬行器，每臺(tái)液壓爬行器設(shè)計(jì)額定水平推進(jìn)力為1000千牛。爬行器的數(shù)量根據(jù)最大滑移推力計(jì)算確定。最大滑移推力由最大滑移單元的重量，按照0.2的滑動(dòng)摩擦系數(shù)計(jì)算確定。為減小滑移面的摩擦力，在桁架上高空組裝平臺(tái)前底座和滑道間預(yù)先涂抹黃油，黃油中不能存在砂粒等雜物。

七、撐桿及索安裝

1.撐桿節(jié)點(diǎn)安裝和索的安裝是交叉進(jìn)行的，預(yù)應(yīng)力索固定在撐桿下節(jié)點(diǎn)。安裝基本流程是：撐桿及上節(jié)點(diǎn)安裝→穿縱向索→縱索安裝→縱索索夾節(jié)點(diǎn)安裝→橫索安裝→橫索索夾節(jié)點(diǎn)安裝。

2.撐桿重量較大，安裝時(shí)要借助起重設(shè)備（國家體育館使用的是塔吊）。撐桿上節(jié)點(diǎn)的安裝已在高空組裝平臺(tái)外，如搭設(shè)操作架較困難，可使用吊籃安裝。

3.橫向索安裝

橫向索到達(dá)現(xiàn)場后全部吊運(yùn)到高空組裝平臺(tái)后方硬化地面上，索盤與主體結(jié)構(gòu)凈距至少1.5米，索體的放置位置詳見圖4橫向索放置平臺(tái)。由于橫向索體的安裝高度一直在變化中，因此對(duì)應(yīng)每個(gè)索盤位置處腳手架的立桿要避開放索位置，同時(shí)該部腳手架橫桿采用卡扣連接的方式，以便在索體同其相交時(shí)，臨時(shí)拆除。待調(diào)整完索體后再重新連接。在滑移前應(yīng)將索體提前提運(yùn)至腳手平臺(tái)上，并預(yù)留出大于滑移距離的長度，以防止因在滑移過程中出現(xiàn)拖索現(xiàn)象而導(dǎo)致推進(jìn)阻力增大；在滑移時(shí)應(yīng)隨時(shí)觀察索體的預(yù)留長度，如果出現(xiàn)滑移使索體繃直的現(xiàn)象，應(yīng)該立即停止滑移，待索體提運(yùn)出滑移余量后再繼續(xù)滑移。

4.縱向索安裝

索盤放置于縱索安裝平臺(tái)（詳見圖5縱索安裝平臺(tái)）一端，安裝時(shí)由一端向另一端牽引展開。當(dāng)桁架首根縱索滑移至縱索安裝平臺(tái)上方后，下放索體至索夾高度，開始縱索安裝；后續(xù)各索均按首根索方法安裝（國家體育館縱索安裝平臺(tái)設(shè)置于鋼結(jié)構(gòu)的22、23、N、M軸間的桁架網(wǎng)格間，索盤設(shè)于索安裝平臺(tái)的南端。）

放縱向索時(shí)可采用卷揚(yáng)機(jī)牽引索體。并注意縱向索與橫向索體相互關(guān)系。放索時(shí)，先將牽引繩捆綁在索頭上，然后緩慢開動(dòng)卷揚(yáng)機(jī)，牽引索體放開；每放開5米索體，增加一人對(duì)索體進(jìn)行導(dǎo)向，防止索體在牽引過程中滑落到腳手架外或晃動(dòng)過大。人員在腳手架上活動(dòng)時(shí)，必須將安全帶掛在安全繩上。

5.索夾節(jié)點(diǎn)安裝

用導(dǎo)鏈將索提至撐桿下端節(jié)點(diǎn)，并注意觀察索的走向，防止索被腳手架卡住。安裝時(shí)，首先將索體外保護(hù)拆除，露出內(nèi)側(cè)PE上做好的索夾節(jié)點(diǎn)安裝標(biāo)記，以此標(biāo)記根據(jù)索球的寬度，畫出索球的兩側(cè)安裝位置，按照安裝位置將索球固定到索體上，然后將縱向索連同索球一起通過索夾板固定到撐桿下節(jié)點(diǎn)上，最后將橫向索連同索球一起通過索夾板固定到撐桿上，完成索夾節(jié)點(diǎn)安裝（圖6撐桿下端節(jié)點(diǎn)展開圖）。

八、同步累積滑移

1.滑移前需充分進(jìn)行準(zhǔn)備工作

主要包括液壓爬行器安裝及檢修調(diào)試、爬行器耳板設(shè)計(jì)、軌道及預(yù)埋件安裝、液壓泵站的檢修與調(diào)試、電氣控制系統(tǒng)檢修與試驗(yàn)、計(jì)算機(jī)同步控制系統(tǒng)、泵站控制柜及各種傳感器的檢修與調(diào)試；爬行速度控制在6～8米/小時(shí)；啟動(dòng)時(shí)爬行加速度取決于流量增量，通過計(jì)算機(jī)控制速度曲線，可使滑板初始運(yùn)動(dòng)的加速度非常??；液壓同步滑移設(shè)備系統(tǒng)安裝完成后需進(jìn)行調(diào)試，主要內(nèi)容是檢查泵站上所有閥或硬管的接頭是否有松動(dòng)，檢查溢流閥的調(diào)壓彈簧處于是否完全放松狀態(tài)；檢查泵站啟動(dòng)柜與液壓爬行器之間電纜線的連接是否正確；檢查泵站與液壓爬行器主油缸之間的油管連接是否正確；系統(tǒng)送電，檢查液壓泵主軸轉(zhuǎn)動(dòng)方向是否正確；在泵站不啟動(dòng)的情況下，手動(dòng)操作控制柜中相應(yīng)按鈕，檢查電磁閥和截止閥的動(dòng)作是否正常，截止閥編號(hào)和液壓爬行器編號(hào)是否對(duì)應(yīng)；檢查行程傳感器和位移傳感器；滑移前啟動(dòng)泵站，調(diào)節(jié)到5兆帕左右的壓力，伸縮油缸，檢查A腔、B腔的油管連接是否正確；檢查截止閥能否截止對(duì)應(yīng)的油缸；檢查比例閥在電流變化時(shí)能否加快或減慢對(duì)應(yīng)油缸的伸縮速度。

2.滑移的同步性控制

屋架在滑移過程中，是沿設(shè)定的直線前進(jìn)的，如果滑道的直線度差，易使滑道產(chǎn)生破壞。因此滑道的施工精度必須較高；液壓牽引作業(yè)由計(jì)算機(jī)通過傳感器進(jìn)行閉環(huán)控制和智能化控制，實(shí)現(xiàn)牽引的同步和負(fù)載的均衡，使滑移過程中鋼屋架的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、同步性和位移偏差滿足要求。同步性測控除采用液壓滑移系統(tǒng)本身的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制外，另外采用全站儀對(duì)所有滑道處的行程進(jìn)行同步性測控。在每個(gè)滑道位置上各固定一個(gè)反射棱鏡，通過測量放線使各點(diǎn)連線垂直于滑道的方向，即各點(diǎn)具有相同的起始位置。在滑移單元沿滑道前方各搭設(shè)一個(gè)臨時(shí)觀測平臺(tái)，安置全站儀，分別觀測各個(gè)反射棱鏡，在滑移過程中，各點(diǎn)同時(shí)計(jì)時(shí)，從開始每隔固定時(shí)間間隔測量全站儀與反射棱鏡間的距離，記錄每次監(jiān)測的距離數(shù)據(jù)。通過時(shí)間、距離記錄表可了解較詳細(xì)的爬行運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及同步情況。

九、鋼索分步分級(jí)對(duì)稱張拉

1.張拉機(jī)具標(biāo)定

張拉前張拉設(shè)備要在專業(yè)的檢測機(jī)構(gòu)進(jìn)行標(biāo)定，并出具標(biāo)定報(bào)告，施工中根據(jù)標(biāo)定報(bào)告中的數(shù)據(jù)進(jìn)行張拉。

2.張拉控制力原則

根據(jù)設(shè)計(jì)和施工仿真確定的控制張拉力，雙向分級(jí)、分步對(duì)稱實(shí)施張拉。張拉分為三級(jí)，第一級(jí)使索力達(dá)到設(shè)計(jì)索力的80%，第二級(jí)使索力達(dá)到設(shè)計(jì)索力，第三級(jí)根據(jù)監(jiān)測結(jié)果對(duì)索力進(jìn)行微調(diào)，使最終索力值及結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形符合設(shè)計(jì)要求。需要說明的是，在正式張拉前，要完成兩個(gè)方向預(yù)應(yīng)力鋼索的張拉預(yù)緊，張拉預(yù)緊力為設(shè)計(jì)索力的20%。

鋼索張拉以張拉力控制為主，每臺(tái)油泵上都安裝有經(jīng)過嚴(yán)格標(biāo)定的油壓傳感器和讀數(shù)儀，通過讀數(shù)儀顯示數(shù)據(jù)直接控制張拉力大小。同時(shí)，對(duì)鋼索的張拉伸長值及張拉引起的鋼結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行量測，檢查張拉效果是否與理論數(shù)值相符合。如發(fā)現(xiàn)異常，應(yīng)暫停張拉，待查明原因并采取措施后，再繼繞張拉。

3.張拉操作要點(diǎn)

張拉前，索頭上要安裝工作錨、工裝承力架、千斤頂和工具錨，對(duì)于測量索力的鋼索，張拉端與工作錨之間還要加裝壓力傳感器。索頭上安裝的組件較多，必須小心安放，以保證千斤頂形心與鋼索重合，避免張拉時(shí)產(chǎn)生偏心。張拉時(shí)，先開動(dòng)油泵，待油泵啟動(dòng)供油正常后再開始給油、加壓，給油速度要控制，時(shí)間不應(yīng)低于0.5分鐘。當(dāng)油壓力顯示張拉力達(dá)到鋼索張拉控制力時(shí)應(yīng)停止加壓并穩(wěn)住油壓、此時(shí)將索頭上的工作錨擰緊。控緊工作錨后油泵立刻回油，待千斤頂回缸后關(guān)閉油泵，此次張拉結(jié)束。

十、張拉測量

1.張拉力的測量

油泵上安裝經(jīng)過嚴(yán)格標(biāo)定的油壓傳感器，張拉時(shí)通過連接到油壓傳感器的讀數(shù)儀直接測量。

2.張拉伸長值的測量

把張拉前預(yù)應(yīng)力鋼索預(yù)緊后的張拉端長度作為原始長度，當(dāng)張拉完成后，再次測量張拉端長度，兩者之差即為實(shí)際伸長值。

十一、應(yīng)力、變形監(jiān)測

采用激光掃描儀、全站儀、振弦式應(yīng)變計(jì)及相應(yīng)的數(shù)采系統(tǒng)等對(duì)累積滑移施工中桁架應(yīng)力、變形、水平偏移，支撐架及滑移軌道應(yīng)力等進(jìn)行全過程監(jiān)控；采用壓力傳感器、全站儀、百分表、振弦式應(yīng)變計(jì)等對(duì)張拉過程中及完畢后的鋼索索力、鋼桁架應(yīng)力、鋼桁架變形和支座位移等進(jìn)行全過程監(jiān)控。通過監(jiān)測數(shù)據(jù)與計(jì)算機(jī)施工仿真計(jì)算數(shù)值的比較，控制滑移及張拉施工質(zhì)量，保證施工安全。

《雙向張弦鋼屋架滑移與張拉施工工法》的工法特點(diǎn)是：

1.提供了一種大跨度張弦、雙向結(jié)構(gòu)采用累積滑移及分步分級(jí)張拉的施工方法；

2.累積滑移時(shí)安裝縱向桁架索體并攜帶橫向桁架索體，既提高了安裝效率，又最大限度地減少了對(duì)其他工序的干擾；

3.采用計(jì)算機(jī)控制同步液壓爬行器累積滑移，設(shè)備自動(dòng)化程度高，操作方便靈活，安全性好，可靠性高，使用面廣，通用性強(qiáng)；

4.根據(jù)設(shè)計(jì)和預(yù)應(yīng)力工藝要求，對(duì)鋼索、鋼桁架張拉端節(jié)點(diǎn)和撐桿兩端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行深化設(shè)計(jì)；通過對(duì)結(jié)構(gòu)整體建模及施工全過程仿真計(jì)算、施工監(jiān)測等手段，用于有效的指導(dǎo)施工過程。

《雙向張弦鋼屋架滑移與張拉施工工法》采取"帶索累積滑移及預(yù)應(yīng)力分步分級(jí)張拉"方案。與高空散裝方案比較有社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益。

10.1高空散裝鋼結(jié)構(gòu)至少需要增加1~2臺(tái)300噸吊裝設(shè)備，而累積滑移方案則可節(jié)省。按1臺(tái)300噸吊車計(jì)，租賃費(fèi)和進(jìn)出場費(fèi)即增加200萬元以上；

10.2采用2005年的施工方案，僅在跨內(nèi)三個(gè)軸線內(nèi)布置了腳手架。若采用滿堂紅腳手架，腳手架用量為2005年方案的3倍以上。保守估計(jì)腳手架用量節(jié)約200萬元以上；

10.3在鋼結(jié)構(gòu)拼裝過程中，利用主體結(jié)構(gòu)邊梁搭設(shè)組裝平臺(tái)，減少拼裝平臺(tái)用鋼量100噸，節(jié)約50萬元；在滑移過程中，利用混凝土邊梁作為滑道支撐，減少鋼結(jié)構(gòu)用量，節(jié)約50萬元以上；

10.4減少了滑移到位后再進(jìn)行預(yù)應(yīng)力索安裝的設(shè)備及人工費(fèi)50萬以上；利用主體結(jié)構(gòu)邊梁搭設(shè)組裝平臺(tái)，減少拼裝平臺(tái)用鋼量100噸節(jié)約50萬元；

10.5使用累積滑移的施工方案，實(shí)現(xiàn)了看臺(tái)板及機(jī)電工程與鋼屋架的交叉施工，保守估計(jì)節(jié)省工期近3個(gè)月。此項(xiàng)經(jīng)濟(jì)效益超過100萬元。

10.6采用分級(jí)、分步對(duì)稱張拉，減少了張拉設(shè)備用量，節(jié)約資金約50萬元。

從經(jīng)濟(jì)效益上看，國家體育館采用"帶索累積滑移及預(yù)應(yīng)力分步分級(jí)張拉"施工方案，保守估計(jì)節(jié)約資金超過700萬元。

國家體育館采用"帶索累積滑移及預(yù)應(yīng)力分步分級(jí)張拉"施工方案，此方案技術(shù)含量高，經(jīng)濟(jì)效益顯著。帶索累積滑移施工需要解決一系列相關(guān)技術(shù)難題；保證雙向桁架拼裝質(zhì)量的拼裝技術(shù)，適應(yīng)帶索施工的索夾節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)及帶索方法，超高滑移胎架的設(shè)計(jì)，雙向預(yù)應(yīng)力張拉技術(shù)等。國家體育館工程還通過模型試驗(yàn)和計(jì)算機(jī)仿真分析，找到了施工各步驟、各階段的關(guān)鍵點(diǎn)和預(yù)控值。

現(xiàn)工程已順利完工，在國家體育館的工地，沒有出現(xiàn)密密麻麻的腳手架，沒有出現(xiàn)大量的高空作業(yè)，甚至沒有噸位奇大的吊機(jī)。該方法在提高施工技術(shù)水平、安全水平，縮短工期、提高施工組織水平，提高經(jīng)濟(jì)效益等方面都發(fā)揮了作用，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

該施工方法為同類工程設(shè)計(jì)、施工提供了借鑒，為2005年后中國相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定提供參考和依據(jù)，推動(dòng)了中國空間結(jié)構(gòu)的進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)了施工的總體部署，獲得了社會(huì)效益。

注：施工費(fèi)用以2005-2006年施工材料價(jià)格計(jì)算