大跨空间体内预应力钢结构施工新工艺

大跨空间体内预应力钢结构施工新工艺中建六局工业设备安装有限公司大型水动力实验室项目QC小组发布人：顾军兵1、课题背景2、小组简介3、选择课题4、设定目标5、提出方案并确定最佳方案6、制定对策7、对策实施8、效果检查9、标准化10、总结和下一步打算活动程序工程名称：交通运输部天津水运工程科学研究所大型水动力实验室（一期）工程工程地点：天津市塘沽临港工业园区珠江道南侧、渤海十二路东侧建设单位：交通运输部天津水运工程科学研究所设计单位：中交水运规划设计院有限公司施工单位：中国建筑第六工程局有限公司监理单位：天津塘沽海洋高新技术开发区工程监理有限公司结构类型：体内张拉高强度预应力钢绞线焊接球与相贯节点混合结构建筑规模：46154㎡使用功能：大型水动力试验基地1、课题介绍：大型水动力试验厅钢结构工程由海港综合试验厅和内河综合试验厅两部分组成呈对称分布，结构跨度100m，长度440m，屋面采用体内张拉高强度预应力钢绞线焊接球与相贯节点混合结构。主体钢屋盖采用的是国内新颖的体内张拉结构，跨度达到100米，为目前国内跨度最大的预应力钢绞线体内张拉结构网架。一、工程概况采用体内预应力张拉网架结构技术本工程几乎全是高空作业，且管球组对精度控制难度大，整个工程焊接球从Ф220mm至Ф900mm,16种规格4658个，焊管从Ф76mm至Ф425mm，21种规格，71030米，钢绞线穿越双层套管为：外管直径Ø425mm、内管直径Ø152mm，分段壁厚不同容易变形（分为四种壁厚），主焊口焊缝要求高，等级全部是一级焊缝。一、工程概况2、工程特点钢屋盖采用的是国内新颖的体内张拉高强度预应力钢绞线焊接球与相贯节点混合结构，结构为自平衡体系，该结构的优点在于，其在自重作用下无水平推力，从而良好的改善了下部结构受力状况。结构形式新颖该工程结构跨度达到100米，为目前国内跨度最大的体内预应力钢绞线张拉结构网架。采用体内预应力张拉网架结构技术采用体内预应力张拉网架结构技术采用体内预应力张拉网架结构技术采用体内预应力张拉网架结构技术结构形式新颖结构跨度大采用体内预应力张拉网架结构技术结构形式新颖高空焊接量大质量要求高采用体内预应力张拉网架结构技术多束无粘结钢绞线(37根）体内同步、同心、均匀张拉施工难度大：长一百多米，37根无粘结钢绞线安装，要保证每根钢绞线安装不偏心，初始拉力相同，在其预应力施工的过程中保证整体同步、均匀受力达到设计要求值是该工程的重点也是难点。因为钢绞线预应力张拉直接影响着整个网架的受力和形变。这对钢绞线的安装精度和张拉技术要求很高。钢绞线预应力张拉对结构形变控制难度大：本屋盖钢结构工程采用体内张拉的预应力钢绞线张拉结构，共22跨主桁架需要预应力施工，预应力施工直接影响着主体结构的受力稳定和结构变形，所以很好的安排施工顺序和精确的把握张拉速度是比较困难的。多束钢绞线高空穿越细长、狭窄空间施工难度大：该工程结构跨度100米，钢绞线下料至少需104米，每轴主桁架需要37根Φ15.2mm钢绞线。要将直径为15.2mm钢绞线37根高空穿越直径仅为152mm的钢管长达100米，同时要保证主桁架的结构安全，施工难度相当大。一、工程概况3、工程难点100米超细长钢绞线套管加工制作、高空整体吊装和定位施工难度大：钢绞线套管是该工程的主要受力杆件，它的安装质量好坏直接影响和制约着整体结构的受力稳定性和后续撑杆的安装质量。套管全长100米，由于直径为152mm的内管和直径为425mm的外套管组成，由于其长度太长，钢管纤细，在高度为10.5米的高空不论是组拼还是安装都有很大的难度。一、工程概况预应力网架轴测图一、工程概况预应力网架三维效果图姓名年龄文化程度职称小组任务行政职务杜澎泉37大专高级工程师组长经理冯磊28大学高级工程师副组长执行经理樊云鹏28大专助理工程师组员技术负责人顾军兵26大学助理工程师组员工长李国栋25大学工程师组员工长李凯峰25大学工程师组员安全员徐艳荣39大学工程师组员工长张涛23大学技术员组员工长课题名称：大跨空间体内预应力钢结构施工新工艺注册编号：课题类型：创新型循环日期：2011.5.10-2011.12.15二、小组简介APCDAPCD如何控制大跨度、多层网架的空间坐标2008年获得：总公司一等奖61m熟料库钢结构工程安装质量控制2009年获得：中国施工企业二等奖148米跨度张弦网架超大型预应力钢拉索安装2010年获得：总公司一等奖、天津市金奖、国家级QC成果奖控制大跨度张弦网架安装质量2010年获得：中国施工企业二等奖近五年QC小组获奖情况大跨度焊接球预应力张弦网架位形控制工艺2010年获得：中国施工企业二等奖APCDAPCDAPCD二、小组简介大跨空间体内预应力钢结构施工新工艺该工程结构为体内预应力张拉结构，跨度达到100米，为目前国内跨度最大的体内预应力钢绞线张拉结构。由于施工场地受限，施工难度大，施工工期紧等方面因素，确保施工达到良好的效果，施工要求高。在预应力施工中，确保主桁架结构整体稳定、安全非常重要，应尽可能减少结构的变形位移和应力集中。预应力钢绞线高空穿越安装的过程中保证其保护层不被破坏及安装质量，为保证其正常使用寿命及达到很好的张拉效果。在整个施工的过程中高空作业占多数，确保零质量安全和零人身安全事故，是我们终极目标。三、课题选择技术创新施工要求结构稳定质量保障安全目标100米超细长钢绞线套管制作安装、多束钢绞线高空穿越，保证主桁架结构受力自平衡及结构安全。目标1体内预应力张拉主桁架挠度值达到设计要求，允许偏差30mm。目标2降本增效100万元。目标3四、设定目标主桁架段单元制作、组拼工程主体目前国内兴起的大跨空间钢结构体系，因其结构形式新颖，结构受力好，空间面积大等诸多优势，而被逐步推广。本工程采用体内预应力钢绞线张拉结构，更具有造价低、用钢量少、低碳环保、防火、防腐等优点。国内已有同类结构跨度为70.2米，而该结构跨度100米，在施工的过程中需要攻克多项技术难题。因此《大跨空间体内预应力钢结构施工新工艺》这一课题是我们控制的关键环节。钢绞线套管制作吊装预应力施工主桁架段单元吊装定位1、方案提出的背景五、提出并确定最佳方案钢绞线穿越安装大跨空间体内预应力钢结构施工新工艺（1）根据本工程的特点制定完善的施工技术设计。（2）施工技术设计中应确定施工顺序，尤其是钢绞线下料、穿越和张拉的过程（3）施工速度快不影响其他施工队作业和总体施工进度。（4）安全稳定，对主桁架整体受力不受影响（5）要求经济合理，节省机械设备台班和施工措施投入。（6）保证钢绞线的安装质量及张拉完成主桁架的起拱值到设计的要求。跨度100米内套管Φ152×3mm37根Φ15.2mm钢绞线外套管Φ425mm五、提出并确定最佳方案套管高空分段组对高空穿钢绞线后进行张拉施工套管地面组对地面穿越钢绞线整体提升后进行张拉施工套管地面组对整体提升高空穿越钢绞线后进行张拉施工头脑风暴法：五、提出并确定最佳方案2、提出方案方案一：套管高空分段组对高空穿钢绞线后进行张拉施工：长100米的钢绞线双层套管在高空分段组对完成之后，开始钢绞线的穿越，穿越完成后，然后进行钢绞线的预应力张拉施工。外套管步骤一：套管高空组对步骤二：套管端部穿钢绞线主桁架方案一钢绞线五、提出并确定最佳方案方案二：套管地面组对地面穿越钢绞线整体提升后进行张拉施工：主桁架双层套管在地面组拼的过程中，钢绞线的牵引绳逐步穿在管内，等套管吊装完成后，由牵引绳牵引钢绞线一端完成穿索，然后再进行钢绞线预应力张拉施工。方案二主桁架钢绞线外套管步骤一：套管地面组对、钢绞线地面穿越步骤二：套管、钢绞线整体提升进行预应力施工钢绞线五、提出方案并确定最佳方案方案三：套管地面组对整体提升高空穿越钢绞线后进行张拉施工：主体网架双层套管高空吊装完成后，在主桁架双层套管的一端，先人工穿越一根根钢绞线，钢绞线一头带着牵引绳过去，然后再将单根钢绞线拉出，然后由牵引绳牵引钢绞线完成穿越，安装完成后进行张拉施工。方案三步骤二：套管整体提升、高空穿越钢绞线钢绞线牵引绳五、提出方案并确定最佳方案对比项方案施工难易性施工投入工期进度对其他工序影响对主桁架稳定性影响安全性方案一套管高空分段组对高空穿钢绞线后进行张拉施工套管高空组对高空穿越施工难度大卷扬机2台吊车3台倒链数个支撑胎架成本投入太大制约因素太多，工期进度慢影响主桁架的施工进度对主桁架无影响双层套管高空组对风险大方案二套管地面组对地面穿越钢绞线整体提升后进行张拉施工套管、钢绞线整体提升施工难度大卷扬机2台倒链数个成本投入小制约因素多，工期进度较慢影响双层套管组拼、焊接作业对主桁架无影响双层套管钢绞线整体提升有风险方案三套管地面组对整体提升高空穿越钢绞线后进行张拉施工钢绞线高空穿越施工难度大卷扬机2台倒链数个成本投入小制约因素少，不影响工期进度不影响双层套管组拼、焊接作业对主桁架无影响双层套管整体提升风险小五、提出并确定最佳方案3、方案对比分析表方案4、方案优缺点比较五、提出并确定最佳方案五、提出并确定最佳方案柱状图由此柱状图可以看出方案三为优选方案方案三：套管地面组对整体提升高空穿越钢绞线后进行张拉施工细化方案一：套管整体提升高空一次性穿越钢绞线后进行多级张拉：双层套管在主桁架下面整体组拼完成后，由吊链均匀分布然后齐步提升安装完成后，在主桁架的两端分别设置一台2t卷扬机，在套管两端铸钢节点部位搭设简易的操作平台，上面做好穿索辅助设施，然后由卷扬机的牵引，37根钢绞线一次性完成穿越，然后进行然行锚具和千斤顶的安装，之后钢绞线分多级双控同步预张拉施工。细化方案二：套管整体提升高空分三次穿越钢绞线后进行多级张拉：双层套管在主桁架下面整体拼装完成后，先有三台吊车齐步提升到一定位置，然后再由倒链接力逐步提升到位安装完成后，在主桁架的两端分别设置一台2t卷扬机，在套管两端铸钢节点部位搭设简易的操作平台，上面做好穿索辅助设施，然后由卷扬机的牵引，37根钢绞线分为三批，逐一进行穿越，待穿越完成后，进行锚具和千斤顶的安装，之后钢绞线分多级双控同步预张拉施工。五、提出并确定最佳方案5、针对优选方案提出细化方案成本小结构有风险对其它工序有影响工期略短高空安装难度大细化方案一成本较大对后续工作无影响结构无风险施工难度小采用细化方案二工期较短缺点6、细化方案优缺点对比五、提出并确定最佳方案根据细化方案计算钢绞线公称直径、公称截面积及理论重量(如下图)进行进一步计算、分析确定方案二：套管整体提升高空分三次穿越钢绞线后进行多级张拉为最佳方案。钢绞线公称直径、公称截面积及理论重量计算方案批次根数(根)公称直径（mm）公称截面积（mm）理论重量（总重：㎏）备注方案一一批37562.467105476穿越阻力大方案二一批13197.623571920穿越阻力小二批12182.42176.51778三批12182.42176.51778合计37562.467105476五、提出并确定最佳方案施工动画演示套管制作、安装钢绞线分三批高空穿越安装钢绞线一级张拉卷扬机、倒链工作准备端部锚具安装张拉设备准备工作开始完成用脚手架搭设操作平台千斤顶安装主桁架重力支持架拆除钢绞线地面放索相邻主次桁架安装完成单根钢绞线穿越钢绞线穿索头工作准备就绪缓减柱顶水平附加力钢绞线多级张拉打密封胶灌浆钢绞线张拉微调1、工艺施工流程过程监测六、制定对策主桁架段单元高空组对、安装编号对策目标措施时间负责人1套管制作、安装保证套管的安装质量和安全制作组对焊接胎架主桁架吊装完成之后李国栋2钢绞线放索保证钢绞线外保护层不受破坏制作放索盘放索阶段杜澎泉3钢绞线分三批高空穿越安装不影响结构稳定性，保证施工安全制作简易穿索装置卷扬机等设备配合张拉前冯磊4预应力钢绞线张拉预应力施工达到设计要求，对主桁架的安装无影响采用双控分三级张拉方案张拉全过程顾军兵5过程监测时刻监测主桁架的内应力变形在主桁架主要的受力点布置应变计多级张拉全过程樊云鹏6缓减柱顶水平附加力降低由于主桁架在张拉的过程中对柱顶产生的水平推力在抗震支座下布置圆钢，产生滚动摩擦多级张拉完成后张涛六、制定对策2