多跨連續張弦梁鋼管桁架施工技術

楊振江

(中鐵六局集團有限公司，北京 100036)

1 工程概況

天津站改擴建無站臺柱雨棚工程為多跨連續張弦梁鋼管桁架結構形式，由五跨連續張弦梁結構組成，跨度總長213 m，雨棚覆蓋總面積為80 450.7 m2;鋼結構工程是由108根鋼立柱、94榀張弦梁鋼管桁架及檁條組成空間穩定結構;鋼立柱由φ750 mm×30 mm、φ700 mm×30 mm鋼管制作而成;張弦梁鋼管桁架由 φ377 mm ×14 mm、φ159 mm ×10 mm 鋼管及 φ5 mm ×139 mm拉索制作而成;鋼立柱利用4根φ24 mm地腳螺栓及栓釘與承臺進行固定，南北向為A-F軸，東西向為20-1軸。

張弦梁鋼管桁架上弦為平面桁架，下弦為拉索，中間為兩側斜撐桿，撐桿與拉索通過索球連接。張弦梁鋼管桁架為五跨連續結構，柱距從18.00～23.99 m共15 種，跨度分別為 48.525，41.100，41.950，39.500 m四種。張弦梁鋼管桁架跨中總高度為4.5 m，上弦平面桁架起拱高度為3.0 m，總垂度為4.5 m，兩端落在鋼管混凝土柱的分叉鋼柱頂，柱頂高程12.8 m。立體鋼桁架的支撐體系布置于結構的上弦平面，通過縱橫向布置十字型交叉支撐和剛性檁條，以確保結構具有較高的整體穩定性和良好的抗震性能，五跨連續張弦梁鋼管桁架見圖1，單榀張弦梁鋼管桁架實體見圖2。

2 主要工程項目施工工藝及施工方法

多跨連續張弦梁鋼管桁架由上弦的鋼管桁架和下弦的高強度索以及連接兩者的撐桿組成，由單跨張弦梁空中連接形成多跨式結構。施工工藝流程的制訂，緊緊圍繞多跨連續張弦梁結構的順利實現為中心，根據工程的特點，并結合以往的施工經驗進行確定，形成的施工工藝如下:張弦梁結構驗算和施工模擬——鋼管桁架的整體拼裝——分段運輸至安裝現場——張弦梁二次拼裝(鋼管桁架、高強度索、索球、撐桿安裝)——張弦梁地面張拉——單榀張弦梁吊裝——張弦梁空中連接形成多跨式張弦梁鋼管桁架結構。

其中關鍵的實施內容包括:① 結構的驗算分析，確認結構施工中的方法及施工過程中的各種受力狀態，保證施工的合理性和結構安全性;②鋼立柱的安裝，天津站雨棚鋼立柱采用分段制作安裝，將立柱分為柱身和柱頭兩部分，由于柱頭是樹狀分叉結構，安裝過程中必須保證其安裝精度;③構件節點的新型結構型式，施工中采用的新型構件節點，既保證施工的順利進行，又確保了結構的安全性及建筑美觀的實現;④采用地面一次張拉成形，天津站雨棚張弦梁采用地面一次一端張拉的施工工藝，打破了以往工程中地面張拉一次，待檁條及連接系統安裝完成后空中進行二次張拉的施工方法，避免了高空作業、減小了張拉的施工難度。

圖1 五跨連續張弦梁鋼管桁架

圖2 單榀張弦梁鋼管桁架實體

2.1 張弦梁結構驗算和施工模擬

由于張弦梁結構為一個混合結構體系的新型結構體系，它的施工準備工作有別于其它常理結構，除進行常規的人員、設備、機具、材料、技術準備之外，在技術準備上應在設計文件的基礎之上，對結構進行分析計算，結合施工方案的要求對節點進行細化。并根據張弦梁的跨度、位置、受力狀況不同，進行每榀桁架施工階段驗算，應用計算機施工模擬技術，分別計算出鋼管桁架的原始拼裝形態、地面拼裝形態、一次張拉后的形態、最終形成滿足設計要求的多跨連續后的形態。計算機模擬計算過程完成，形成施工階段技術文件并經設計院簽認后，方可進行下一步施工。張弦梁結構的施工有別于其它結構的施工，還必須進行施工階段的驗算并形成施工階段文件方可施工。

2.2 鋼管桁架的拼裝

鋼管桁架的拼裝在施工現場以外設置的拼裝場地內進行，其工作內容為:將組成鋼管桁架的鋼管、鋼板及其它材料通過劃線、下料、切割、矯正、彎曲成型，在胎架上拼裝、焊接、無損檢測等工序拼裝成整體結構的鋼管桁架結構。鋼管桁架拼裝的形態，按施工驗算確定的原始形態進行拼裝。

鋼管桁架的主弦管采用液壓彎制成形，在彎制過程中要控制好弧形尺寸和鋼管的橢圓度;幅桿必須采用數控相貫線切割機進行切割成形，否則難以保證相貫口的連接質量;拼裝過程必須在拼裝胎架上進行，拼裝胎架完成后必須組織技術、質檢和作業班組聯合對胎架進行驗收，驗收合格后方可進行下一步拼裝，拼裝胎架上需考慮防止桁架組裝和焊接過程中變形的措施。拼裝時相鄰跨的張弦梁結構一塊拼裝并保留匹配段，以確保多跨鋼管桁架的連續性。鋼管桁架拼裝完畢后，根據現場路徑情況結合運輸條件確定最大構件的運輸尺寸進行分段，分段后的構件要盡量保證構件單元的完整性，以利于構件的二次拼裝。

2.3 張弦梁二次拼裝

張弦梁二次拼裝是將在場外拼裝完成分段運輸至安裝現場的鋼管桁架，下弦的高強度索、撐桿、索球、鋼棒、節點板等組成張弦梁的構件在設置的二次拼裝胎架上進行組裝形成單榀的張弦梁結構。具體的施工步驟如下:

1)搭設拼裝胎架:按圖紙架設胎架，用儀器調整工裝支撐點位置的相對高差和水平，保證桁架工裝的架設精度，防止桁架在現場二次拼裝中產生不必要的變形。由于張弦梁跨度一般都將近40 m，整片梁難以運輸，因此在加工基地一次拼裝時一榀分為兩個半榀進行拼裝，運輸到現場再進行整體拼裝。

2)鋼管桁架架設:當把半榀桁架架設在現場胎架上后，測量人員用經緯儀把半榀桁架的軸線對好后(以桁架端頭的直腹桿的中點和桁架靠近跨中的直腹桿的中點為基準軸線)貫穿對應的另半榀桁架。當把另半榀桁架也架設在現場工裝(馬凳)上時，以架設好的半榀桁架的軸線為基準，用經緯儀調整后架的半榀梁與先架的半榀梁的軸線重合，兩半榀桁架的軸線偏差不大于2 mm，對接口錯邊不大于2 mm。

3)鋼棒及連接板安裝:當桁架現場整體拼裝完成后，進行鋼棒安裝，鋼棒安裝前對鋼棒孔中心的位置按給定尺寸進行精確調整，以利于棒索連接板位置的準確固定。鋼棒與棒索連接板連接準確后，調整好第一根撐管的位置，利用倒鏈、吊帶將棒索連接板與第一根撐管進行焊接固定。

4)V型撐桿安裝:鋼棒、棒索連接板和桁架端頭撐桿全部準確安裝定位好后，對桁架中間的V型撐管中心進行標記。標記完后可進行吊車、倒鏈配合安裝作業。撐管與銷軸、連接板整體安裝時，利用線錘保證撐管的中軸線與對應直腹桿的中軸線在同一垂直面上，并用水平尺來控制使撐管垂直后進行連接板與φ377 mm管的焊接，保證V型撐桿的定位安裝精度。

5)索及索球安裝:在V型撐桿全部準確安裝定位焊接后，進行布索、掛索和安裝固定索球:①布索前必須根據附圖對索上的標記點進行檢查，同時將標記點返到連接球邊，以利于索球的準確定位。②索上標記點標定后，利用倒鏈及吊帶進行掛索。③根據索上標記點，安裝并固定索球。索球固定完成后，將索球按標定點與索進行卡緊固定。使索球的上半部分與撐管進行點焊固定，以保證與索同心。④索球上半部分與撐管點焊固定完成后，將索球下半部分松開，使鋼索與索球上半部分保持一定的距離。以利于索球上半部分跟撐管焊接時防止燙傷索的PE保護層，待焊接完成索球自然空冷后將索上提，同時按標記點位置調整好索球張拉偏移量固定好索球。⑤掛索時必須加強對錨頭以及索體的保護，不得使其劃傷，掛索時將張拉端的螺桿移動量調整到最大，以利于張拉時螺桿的調整。

以上所有構件安裝完畢后即完成了張弦梁地面拼裝的工作。

2.4 張弦梁地面張拉

張弦梁現場完畢后，在吊裝前需進行地面張拉，由于本工程的鋼索的自重很輕(不足30 kg/m)，張拉階段鋼索間的摩擦很小，而且為避免高空二次張拉索帶來的諸多不利因素，因此張拉方案確定為地面一次一端張拉，考慮到安裝過程中的應力損失，按照計算的張拉力張拉到位后超張拉5 kN，確保張弦梁桁架吊裝到位后的受力狀態與設計工況相吻合。張拉工裝結構圖及張拉過程實施示意圖見圖3。

本工程的張弦梁在胎架上一次張拉到位，此時張弦梁只受自重作用，張拉力不大，不考慮摩擦力，張拉力約為170～240 kN(根據跨度，GJ1～GJ5各榀張拉力各不相同)，故選用兩臺YDCN250型前夾持千斤頂和兩臺ZB2X2/50電動油泵，千斤頂的技術參數見表1。

圖3 張拉工裝結構和張拉過程實施示意

表1 千斤頂的技術參數

張拉前，油泵、油表等必須配套進行標定，確保張拉過程中的應力變化準確無誤。張拉時按標定的數值進行張拉，用鋼絞線伸長值和油壓傳感器數值進行校核。預應力大小:由油壓表讀數進行記錄(通過回歸方程將預應力轉換為兆帕讀數，注意千斤頂與油壓表的配對)。認真檢查張拉工裝和與張拉工裝連接的鋼索，保證張拉安全、有效。張拉時嚴格按照操作規程進行張拉，確保同步。通過調節油泵給油速度解決同步問題。張拉工裝型心必須保證與鋼索處于同心。

2.5 張弦梁吊裝

根據張弦梁的結構特點以及施工計算時確定的吊點進行吊裝。該吊裝方案采取在張弦梁兩端位置布置兩臺50t吊車進行抬吊作業，將張弦梁安裝就位。沒有采用單臺吊車和專用吊裝支架配合吊裝的方案，減少了設備及材料的投入，降低了施工成本。鋼絲繩的吊裝點選擇在張弦梁的節點位置，即吊點選擇在支撐桿、鋼棒及鋼索的交點位置。如圖4所示，這樣就解決了張弦梁在吊裝過程中的失穩問題，不僅確保了吊裝安全，而且安裝工況接近設計工況，受力合理。

圖4 單榀吊裝吊點設置

2.6 張弦梁空中連接

張弦梁的空中連接采用先簡支后連續的施工方法。根據設計圖紙，天津站無站臺柱雨棚的五跨連續張弦梁結構為連續受力結構，各跨張弦梁結構之間內力相互影響，如果將五跨張弦梁結構整體制作、吊裝到位，在現場施工中是難以實現的，主要有以下幾個因素:一是本工程的主體結構為五跨連續張弦梁結構，總跨度為213 m，整體吊裝存在諸多難以解決的問題;二是現場多家施工單位均在施工，不具備整體拼裝吊裝的條件;三是由于吊裝難度大，吊裝過程中稍有失誤，就可能會給結構造成永久性損傷，威脅到結構安全;四是跨度太大，整體吊裝安裝精度無法保障;五是若按整體吊裝方案實施，施工中所涉及的人、機、料投入多，工程造價很高。施工過程中，臨時滑動支座的上下兩個面可能會發生不完全接觸的情況，造成支座滑動效果難以實現，因此在滑動面增加了一種保證臨時滑動支座可以正常滑動的裝置。如圖5～圖7。

圖5 支座結構 (可滑動釋放內力)

圖6 支座結構(焊接后成為連續梁節點)

當滑動支座的上半部分(即張弦梁的端部)不能與柱頭連接位置完全接觸時，就與構件采用螺栓固定在一起，而構件可以與滑動支座下部分完全接觸，保證其能正常滑動。

圖7 臨時滑動支座結構

為了確保先簡支后連續，施工過程中必須做到:由于施工精度要求高，在張弦梁鋼管桁架的零狀態時，構件的加工尺寸必須精確，拼裝時嚴格控制拼裝尺寸，鋼索張拉過程的工況要與仿真計算的工況相符，如有不同應及時進行矯正;確保張弦梁安裝必須有序進行，不得連續安裝相鄰連續跨的張弦梁，例如安裝完BC跨后，安裝DE跨，然后再安裝CD跨;安裝的時間必須控制好，不在氣溫最高和最低的時間段進行安裝作業，防止由于氣溫的因素引起結構內力發生過大的變化。

當五跨連續安裝完成后，由于在外荷載、溫度及地震的作用下，五跨連續的張弦梁鋼管桁架結構的內力會不斷發生變化，為了確保結構的安全穩定，在整體結構的C軸鋼立柱頂部設計永久性滑動支座，使得整體結構的內力發生變化時有一個釋放點。

3 結束語

天津站無站臺柱雨棚施工針對多跨連續張弦梁的結構特點，采取相應的施工技術措施，加快施工進度，保證施工質量，天津站經近幾年使用，安全可靠。

［1］中華人民共和國建設部.B50205—2002 鋼結構工程施工及驗收規范［S］.北京:人民交通出版社，2003.

［2］陸賜麟，尹思明，劉錫良.現代預應力鋼結構［M］.北京:人民交通出版社，2003.

［3］羅中來.54 m大跨度張弦梁拉索施工技術［J］.鐵道建筑，2007(6):24-25.

［4］浙江大學建筑工程學院.空間結構［M］.北京:中國計劃出版社，2003.

［5］韓宇琪.無柱雨棚鋼桁架跨越接觸網線的吊裝施工［J］.鐵道建筑，2010(1):175-178.