太湖水利试验厅位于无锡市新华农庄, 总建筑面积2.4万m², 地上1层, 地下局部1层, 平面尺寸150m×150m, 最大结构标高28.098m (见图1) 。钢屋盖采用大跨预应力空间桁架结构体系, 沿中轴线双向对称, 由8榀拱形主桁架、64榀次桁架、118榀鱼腹式屋面梁、6道拱肩拉索以及稳定索组成一个完整受力体系 (见图2) 。为有效减小拱形桁架的柱脚水平推力, 在柱脚位置共设置4根基础拉索。

8榀拱形主桁架倾斜角度为62°或72° (见图3) , 跨度均为150m, 桁架厚度6m, 通过成品球铰支座落于混凝土柱墩上, 在ZHJ2~ZHJ4的拱肩部位各设1根直径125mm的PE索、拉索规格均为7×187, 初始状态下的设计预应力2 425~2 599k N, 除两端通过销轴与主桁架铸钢件节点相连外, 中部无撑杆 (见图4) , 各拱肩拉索之间设置6道稳定索用于防止拱肩索振动。

4根基础拉索通过380的套管埋入地下, 两端锚固于混凝土柱墩上, (4) / (6) 轴拉索直径160mm, (3) / (7) 轴拉索直径125mm, 初始状态下的设计预拉力分别为5 285k N和3 343k N。

水利试验厅毗邻太湖, 直线距离不到500m, 最浅地下水位在1~1.5m处, 为湿陷型场地, 平均4.39m厚的素填土, 含水率达30.3%, 孔隙比0.851, 地基承载力<85k Pa, 而桁架拼装、支撑架落位以及履带式起重机作业过程中, 产生的最大压强为94k Pa>85k Pa, 无法满足现场施工要求。

拱形主桁架跨度大 (150m) 、厚度厚 (6m) 、倾斜角度大 (62°) 、质量大 (单榀最大质量196t) 、安装过程中主桁架平面外稳定性差, 不同安装方案对起重设备型号、安装精度以及支撑架数量的影响均较大, 合理方案的选择是本工程的一大难点。

拱形平面桁架在分段吊装过程中, 水平段分段长度长 (最长60m) 、质量大 (最重45t) , 除需保证起重机的起重性能满足要求外, 还需严格控制倾斜桁架在吊装过程中的空中姿态和平面外稳定, 合理的吊装方式和吊点选择是本工程的重点。

倾斜桁架吊装到位后, 如起重机直接松钩, 除产生竖向荷载外, 同时会出现较大水平推力, 如何选择合理的支撑体系, 既能保证结构在吊装过程中的受力安全、落位精度, 又能有效地节省支撑架用钢量, 是本工程的难点。

本工程包括6根拱肩拉索、4根基础拉索、42根稳定索、16根墙面索和76根屋面索。拱肩拉索和基础拉索单根长150m和161m, 质量达18~30t, 多种预应力拉索在结构中相互作用, 使结构最终达到设计的平衡状态, 如何选择合理的张拉顺序和时机, 既能保证张拉过程中结构及临时支撑安全, 又能保证成型态的位形和应力水平是本工程的重点。

项目邻近太湖, 湿气重, 而主结构由管桁架组成, 均焊接连接, 现场焊接量大, 如何保证焊接质量, 防止氢致裂纹的产生是本工程的重点。

根据现场地基土的工程特性和地基承载力要求, 在表层土初平后, 采用20t压路机对路基全宽进行静压1遍、碾压9~12遍, 强夯施工后, 地基含水率减少5.5%~19.7%, 孔隙比降低6.1%~12.6%, 经载荷板试验, 强夯后的地基承载力为120k Pa>94k Pa, 满足大型履带式起重机作业和桁架地面拼装要求。

为防止裸露的地基土在雨天后出现湿滑以及起重机作业和桁架拼装过程中发生沉降, 采用以下措施进一步进行加固处理。

1) 针对起重机施工道路和拼装场地在强夯后的地面上铺设300mm厚的渣土压实, 然后浇筑200mm厚的C25混凝土进行硬化。

2) 针对支撑架下部荷载集中区域设置3m (3.5m) ×4m的独立基础, 基础高400mm, 采用C30混凝土浇筑, 基础下层采用10@200的HPB300钢筋。

根据本工程结构形式和现场施工条件, 最终优选“杆件散件出厂、现场地面拼装、大型机械分段吊装”方案进行本工程钢结构施工 (见图5) 。单榀主桁架分为2个落地段和3个水平段, 落地段和水平段分别采用单管和格构式支撑架进行临时支撑 (见图6) , 主桁架吊装到位并校正完成后, 在履带式起重机不松钩的情况下, 采用汽车式起重机随即补装相邻主桁架间的次桁架, 并增加临时斜撑和缆风绳, 使结构形成一个稳定体系, 保证倾斜主桁架的平面外稳定。

檩条和马道等次结构滞后主桁架一个轴距施工, 使钢结构形成流水施工, 加快工程进度。

根据设计要求, 采用自重+预应力作用下的竖向位移值进行主桁架结构的预起拱, 以保证建筑整体造型。通过对屋盖钢结构进行静力分析, ZHJ1由于落地三角桁架的支撑, 竖向变形仅为1mm, 无须预起拱;ZHJ2~ZHJ4落地段刚度较大, 竖向变形均在5mm以内, 无须预起拱;ZHJ2~ZHJ4水平段内竖向变形值最大为-67.9mm, 需进行预起拱。

由于在制作阶段预起拱对空间杆件深化找形和制造有较大影响, 操作难度大。考虑到结构特点, 并通过与设计院沟通, 最终采用现场预起拱的形式, 在主桁架分段位置处按照计算分析得到的竖向变形作为预起拱值, ZHJ2~ZHJ4水平段预起拱值依次为44, 33, 45mm。

具体操作方法为:鉴于现场实际情况, 在格构式支撑架的上下弦支撑点位置, 按照预起拱值采用钢板进行竖向垫高。

桁架在地面拼装时采用全站仪放线拼装, 首先确保桁架的外形尺寸精度在5mm以内。倾斜主桁架现场采用4点起吊法进行吊装, 在桁架上、下弦各设置2条钢丝绳, 其中1根钢丝绳直接与结构上弦捆绑, 另外3根钢丝绳均设置手拉倒链, 以便调整吊装单元的倾斜角度, 钢丝绳交点为桁架质心位置;吊装就位测量主要采用2台全站仪进行4点控制, 构件起吊前在桁架4个角点处做好桁架测量控制点标记。

通过模拟分析, 吊装单元最大水平位移-13.82mm, 最大竖向位移-13.41mm, 最大位移出现在上弦杆悬挑杆件端部。现场吊装时, 增加临时杆件将悬挑端与下弦杆临时固定, 以满足吊装过程中桁架变形的要求;吊装状态下, 结构杆件的应力比最大值为0.2<1.0, 满足规范要求。

大跨度倾斜平面桁架吊装到位后, 如起重机直接松钩, 桁架自重在支撑架上将产生一个竖向分力和一个水平分力, 支撑架成为1根悬臂梁, 受力极为不利, 存在安全隐患的同时, 将大幅提高支撑架用钢量, 为保证现场施工安全和经济性, 采用防倾覆支撑体系进行施工。

1) 桁架落地段采用2根单管进行临时支撑, 底部通过田字架将荷载传至混凝土基础;水平段采用格构式支撑架进行临时支撑, 格构式支撑架中心点与桁架平面投影的中心点重合, 从支撑架两端各伸出一个支撑点, 分别支撑桁架的下弦节点和上弦节点 (见图7) , 将桁架自重以竖向荷载的方式从两点往下传递至独立基础。

2) 主桁架吊装到位后, 在履带式起重机不松钩的情况下, 采用汽车式起重机随即将次桁架安装到位, 并在主桁架与每榀次桁架间加设1根临时斜撑, 同时拉设缆风绳, 保证主桁架平面外变形和稳定 (见图8) , 防止桁架倾覆导致工程事故。

通过施工全过程模拟分析, 提取出格构式支撑架最大支撑反力标准值 (446.52k N) , 根据现场实际情况, 选用平面尺寸为2m×2m的四边形格构式支撑架, 立杆规格□150×8, 腹杆规格□80×6, 八字撑规格□80×6, 节间高度2m, 顶部横梁H300×200×8×12, 材质Q235B。

为保证支撑架在施工过程中的受力安全可靠, 对支撑高度最高 (21.5m) 的支撑架进行复核计算分析, 自重系数取1.1, 卸载增大系数取1.05, 偏心距e取100mm, 上人活荷载取2.0k N/m², 取十年一遇基本风压折算为线荷载施加在支撑架立杆上, 临时结构系数取0.9。

计算可得支撑架最大水平变形为6.2mm<H/250 (=86mm) ;最大竖向位移为4.8mm<10mm, 能满足安装精度要求, 不需要对支撑架高度进行变形补偿;支撑架杆件最大应力比为0.8<1.0, 满足承载力要求。

根据模拟分析结果, 支撑体系中的单管撑和ZHJ1下部的支撑架卸载量均<5mm, 可在拉索张拉至50%目标索力后, 一次性卸载到位;ZHJ2~ZHJ4下部格构式支撑架部位的卸载量为63.4~94.5mm, 采用千斤顶分3级同步卸载完成, 3次卸载量分别为总卸载量的20%, 50%和100%。

首先在深化设计阶段优化节点设计, 减小焊接量;并采用窄间隙小坡口形式, 减少焊接热输入量, 提高焊接效率。

在正式焊接前通过现场焊接工艺评定来确定焊接工艺参数, 并选拔技术过硬的焊工严格按照焊接技术规程进行施工。

针对现场环境空气湿度大的情况, 焊接材料选择低氢焊丝焊条, 焊丝焊条在使用前须用烘箱烘焙, 焊前清理油污, 并对焊缝进行火焰烘烤降低焊缝水汽, 高空焊接搭设防风棚, 采用“单杆双焊, 双杆单焊”技术, 降低氢的聚集程度和避免焊接应力过大, 从而有效保证现场的焊接质量。

为防止屋面板承受钢结构安装过程中的变形, 避免钢结构工期延长造成的资金浪费, 同时保证拉索安装顺序和张拉时机合理性, 根据设计院给定的自重荷载下初始状态内力, 找到结构的初始态预应力分布, 然后采用“倒拆法”模拟各种施工顺序下, 拉索分级张拉成型的过程, 通过多种方案比选, 优选最佳方案。

1) 拉索整体安装顺序所有钢结构安装完毕→安装拱肩拉索→从中间向两端对称张拉拱肩拉索至50%目标索力→拆除支撑架→再从中间向两端对称张拉拱肩拉索至100%目标索力→安装基础拉索并一次张拉到位→安装屋面拉索、墙面拉索、稳定索等副索, 并完成预紧→安装屋面板。

2) 拱肩拉索安装方案为防止拉索接触地面而损坏PE外套, 每隔10m采用带滑轮的型钢架垫高, 且外包装在拉索提升安装时再剥落;固定锚具端采用汽车式起重机吊装到位并与铸钢件节点连接, 待固定端连接完成后, 在张拉端的主桁架拱肩部位设置牵引器, 将张拉锚具端牵引提升到位, 完成拉索安装。

3) 拱肩拉索张拉方案根据几何非线性有限元法分析, 最终选用从中间向两侧, 分2个阶段、6个批次循环张拉的方案进行拱肩拉索施工。

4) 基础拉索张拉方案其作用为平衡拱形桁架产生的柱脚水平推力, 与上部主体结构互相影响较小, 可在安装后一次性张拉到位。

5) 拉索张拉实行力和形双控力的控制主要为索力, 形的控制主要为拉索吊点的竖向位移以及钢拱的平面外位移, 分别采用振弦传感应变仪和全站仪进行实时监测, 其中以控制索力为主。

6) 为减小拉索锚固预应力损失和长期预应力损失, 拱肩拉索张拉端采用热铸锚, 并在理论施工张拉力的基础上超张拉3%。

7) 按“拉索整体安装顺序”进行施工全过程模拟分析, 施工最终步最大竖向变形值为455mm<L/250 (=600mm) , 满足规范要求 (见表1) ;施工最终步和一次性成型状态下的主桁架杆件应力差异较小, 但部分杆件应力濒临材料的设计强度, 通过与设计方沟通, 对杆件应力较大的位置均进行了加强, 可以满足受力要求 (见表2) ;基础拉索最大的索力值分别为3343k N和5 285k N, 与屋盖产生的水平推力进行平衡, 将支座推力控制在30k N以内, 满足设计要求。

根据以上分析结果, 本方案合理可行, 结构成型态的位形和应力水平均能满足设计和规范要求。

设计计算一般均采用结构一次成型状况为计算模型, 但在安装过程中, 结构的刚度和支撑点位置不断变化, 结构的受力状况均与一次成型状态有较大差别, 存在平面外稳定问题, 须对安装过程中各阶段结构的内力、稳定性、位移量、拉索索力做理论计算以确保整个安装过程的结构稳定性和安全性。

采用大型有限元分析软件MIDAS/Gen2014进行模拟分析, 自重系数取1.2, 结构强度和刚度分别采用基本组合和标准组合进行验算。

施工步骤为: (1) 安装两端ZHJ1和ZHJ2~ZHJ4的落地段部分, 采用单管进行临时支撑; (2) 搭设支撑架, 由东向西同步安装主桁架分段和次桁架, 穿插安装屋面檩条; (3) 钢结构全部安装完成后, 按照拉索施工顺序完成索结构安装和张拉。

施工最终步和一次成型状态的变形值均较小且两者差异不大, 说明本工程采用的安装顺序合理;杆件应力差距较小, 且均小于材料的设计强度 (310MPa) , 说明本工程杆件均受力安全 (见表3) ;拱肩拉索索力值误差在0.01%~0.16%, 均能满足设计和规范要求 (见表4) 。

以上分析结果说明, 本方案合理可行, 施工过程满足安全要求。

本文对太湖水利试验厅屋盖钢结构的安装方法及施工关键技术进行了介绍和探讨, 其中湿陷性场地加固技术、大跨倾斜桁架吊装技术以及高湿环境下焊接技术在屋盖安装过程中取得了较好的应用效果;防倾覆支撑系统的应用既保证了倾斜桁架的施工安全和受力, 同时大幅度降低了支撑架用钢量, 减少了材料浪费;大跨度带索的倾斜平面桁架在国内极为罕见, 本工程中使用的各项关键技术可为同类工程提供良好的借鉴作用。