- 体育场框架及罩棚挑梁悬拼法施工
成都体育场是在原市人民体育场旧址上新建的一座现代化全天候体育场,地处城市中心,占地面积约10ha,建筑面积43340 m2,可容纳观众40000人。
成都体育场建筑平面呈八心圆偶合的相似椭圆形,为周圈全封闭大悬挑罩棚的空间碗状结构,径向框架分为88条轴线,16处双柱双梁变形缝,400mm×400mm钢筋混凝土方桩基础,环向用联系梁构成蛛网结构。104榀双向对称的锯形框架在三维空间尺寸渐变,用小折线近似弧形形成庞大隽秀、刚劲挺拔的空间马鞍形曲面建筑效果。罩棚挑梁悬伸长度由南北中部的8.8m变化到东西中部的28m,端点高度由南北中部13.53m变化到东西中部26.622m。彩色压型钢板棚面设在挑梁下缘,挑梁暴露在罩棚屋面上(图6-19-1、6-19-2)。
罩棚挑梁采用部分预应为混凝土结构,梁体为工字形截面,梁宽与框架柱宽相同,梁腹宽度仅120mm,在胁部增大为200mm。挑梁尾段与框架顶部立柱整体现浇,悬伸部分划分为1~4段块体进行悬臂拼接。拼接块体在现场分段预制,拼接端肋面做成齿状棒口,用环氧树脂粘接,依靠榫齿嵌接和环氧树脂的粘结强度传递剪力。用起吊设备将预制梁段块体吊起,在空中悬臂拼装。拼接一段块体后,即张拉1~2束预应力钢丝,在现浇的挑梁尾部端面锚固,借助钢丝束的预加拉力,对块体施加压力,将拼接块体连接成整体。挑梁块体逐段悬拼,逐段延伸出去,在高空无支架的情况下,完成整榀大跨悬挑罩棚梁的施工(图6-19-3)。
施工前进行了最大悬挑跨度挑梁的足尺结构试验。试验内容有:框架与挑梁尾段整体现浇;挑梁块体预制;空中逐段悬拼;环氧树脂粘接;空中穿束;预应力张拉和锚固;预应力损失测定和荷载试验等。
测量预应力损失的方法是在镦头锚板后面放置特制的传感器,将钢丝应变值传入应变测定仪,测出张拉后钢丝中的预应力值。将控制张拉力减去在钢丝中实际建立的预拉力,可得到预应力短期总损失值,其中包括锚具变形损失σl1、摩阻损失σl2、钢丝应力松弛损失σl4和锚环外附加损失σl′等。
测试数据说明,曲线束的锚具变形损失σl1主要发生在尾部张拉端内4~6m的曲线长度范围,钢丝应力松弛损失σl4在顶塞后最初10min内完成30%。锚环外附加摩擦损失σl′可按控制应力σcon的5%计算。分批张拉的弹性压缩损失,由应变传感器和布置在梁体上缘的千分表量测,1束22Фs5钢丝的平均弹性压缩损失值约为220kN,弹性压缩损失值接近σcon的0.5%,可将先批张拉钢丝束的控制张拉力逐一加大一点给予补偿。
实测的摩阻损失σl2为理论计算值的1.38~1.55倍,曲线束中建立的有效预应力比计算值偏小2%左右。这是因为曲线束金属波纹管的弧线位置不准确,形成多处小弯折点。另外,预留孔道在拼接面产生左右错孔或上下错孔,预应力钢丝形成弯折点,增大了摩阻损失。如果挑梁块体和现浇段预留孔道的施工误差过大,悬拼张拉后在钢丝中实际存在的有效预应力值,将比理论计算值偏低较多。
施加偏心预拉力后,挑梁现浇段拼接端面承受的预压力最大,6束22Фs5总张拉力达2874.30kN。设计允许最大预压应力为10.7MPa,为现浇段混凝土设计抗压强度的47.4%。
实测现浇段拼接端面上缘最大预压应力为26MPa,说明存在不均匀局部受压。试验中用钢棒或钢垫板调整梁体偏斜时,在拼接面上形成小点局部承压,在拼接面腹板上部,实测到的预压应力高达93MPa,此时在梁腹榫齿处出现挤压水平裂缝。
施工中要保证梁体拼接端面平整无破损,尤其必须保证上缘孔洞之间有足够承压面积。校正挑梁时,不允许用加塞钢榫、钢垫板的方法,以免在拼接面上产生过大的局部压应力。待梁体混凝土达到100%设计强度后,方可进行预应力张拉。
在挑梁上缘下缘和梁腹,贴有62片长距电阻应变片,用于各阶段加荷时测量各控制点的应力。梁体上表面设有10个位移测点,用应变仪测上缘应变,与应变片量测结果进行对比。在每段块体拼接处悬挂垂球,用标尺量测梁体的挠度。梁体上表
面架设水平仪1台,挑梁正前方架设经纬仪1台,用以监测在悬拼过程中梁头处挠度变化和轴线偏斜。
按20%标准荷载分级,从尾段向前端逐点逐级加载,达到设计标准荷载时持荷24h,卸载到零,量测残余变形。调整加载设备,加载到设计标准荷载的170%,控制截面作用弯矩达到设计弯矩的1.65倍,超过设计安全系数,持荷24h,量测应力和
变形挠度,卸荷,量测残余变形,结束试验。由于加载设备限制,未作挑梁破损试验。
荷载试验结果说明,在100%设计荷载作用时,部分预应力混凝土罩棚挑梁的上缘均处于受压状态,未出现拉应力,挑梁处于弹性工作阶段。在170%设计荷载作用下,梁体上缘出现不大的拉应力,控制截面未出现受力裂缝。卸载后塑性变形
很小,残余变形值仅1~3mm,罩棚挑梁平面内刚度较好。
开始悬拼时,拼接块体自重产生的向下挠度超过偏心预拉力产生的向上挠度,拼接后块体前端下挠。随挑梁块体逐段悬拼出去,预应力钢丝束数量增多,偏心预拉力产生的向上挠度,逐渐接近块体自重产生的向下挠度,越靠近自由端,块体前端下挠越小。在挑梁自由端,6束22Фs5钢丝产生的向上挠度,抵消4段YWL
块体自重产生的向下挠度后,形成预应力上拱度,其值为23mm,相当于悬挑跨度的1/772。
在设计荷载作用下,挑梁自由端产生向下挠度26mm,与预应力上拱度抵消后,仅有向下挠度3mm。卸荷后荷载挠度消失,自由端仍恢复上拱度23mm,挑梁
处于弹性工作阶段。
88条轴线双向对称,104榀锯形钢筋混凝土框架共有33种剖面,混凝土强度等级为C28,挑梁尾段与框架顶部立柱整体现浇,环向联系梁和现浇楼板构成三维
尺寸渐变的空间马鞍形骨架。承受拉弯力的锯齿形斜大梁整体浇注,不允许留设施工缝,一次浇注混凝土40 m3左右,在斜大梁上安放预制L形自防水先张预应力混凝土看台板。
由于构件形状复杂多变,节点处钢筋非常密集,故框架柱梁用钢模板,节点和圆弧处用异形术模和弧形模板吻合。将2~4cm卵石换为1~2cm细石,掺加早强型减水剂,在试验室确定配合比后严格控制水灰比。在侧模适当位置开设浇注孔,用塔吊通过活动滑斗注入混凝土。
采用填塞拆除方法施工双框架变形缝,用硬泡沫板填缝,刨花板作缝边侧模,浇注数日后,将填缝的泡沫板凿碎,可将刨花板抽出重复使用,逐段施工。须注意不可用硬泡沫板直接作缝边侧模,否则箍筋会压人泡沫板中,内缝侧面将大量露筋(变形缝
外侧缝宽仅64mm,径向深度达2m多,处理露筋很困难),效果不好。
体育场看台板面既是数万名观众活动的楼面,又是下层房间及变电室等设备间的屋面,板端温度变形明显,防水难度较大。
看台板为自防水板面,板缝防水采取上嵌下疏的方法,在板缝下面的锯齿形斜大梁上设有排水小沟,将板缝少量渗漏水引向环沟。在预制L形看台板端头侧面预留凹槽,看台板安装后,用氯丁橡胶防水材料嵌水平缝和竖向缝。预制看台板前边和两侧边板下均预设有滴水槽,以防雨水贴板下浸漏。
看台板防水构造和防水嵌缝做法见图6-19-4。
104榀挑梁共216段YWL块体,22种规格,混凝土强度等级为C38,按梁号和施工先后分组,在砖砌胎模上平卧生产。在一个胎模上,逐段连槽浇筑,连续生产一榻挑梁的全部块体,前一段块体的后端面即是后一段块体的前端面,采用连槽浇筑,基本可保持块体拼接面连续吻合。
预制块体采用钢管抽芯预留孔道,只要时间掌握合适,用钢管转动抽芯的方法预留直线孔道是有把握的。
挑梁现浇段预留孔道施工不便,抽管困难。不论曲线孔道还是直线孔道,均采用铁皮波纹管预埋留孔。要保证波纹管位置准确。曲线圆滑,尽可能一根整管到位,少量接头处要用波纹管套接过渡,以免在接头处发生弯折错位而进浆,造成管内堵塞。波纹管在端面要露出模板一段长度,并将管口堵严,以免振捣时混凝土从管口挤入堵塞孔口(若堵塞曲线孔道,疏通十分困难)。
挑梁现浇段在空中浇筑,而悬拼块体在胎模上生产。为保证第一段块体与现浇段端面悬拼吻合,采用10mm钢板精加工制成刚性端模。同一梁号的刚性端模分别用于同一榀挑梁现浇段端模和第一悬拼块体在胎模上的端模,用准线和经纬仪保证刚性端模安装的轴线位置及垂直度准确,尽可能使空中和地下分别浇筑的两个端面,接近连槽浇筑的效果。
端面一般缺陷可用环氧砂浆修补找平,角掉边或局部碎裂者要用环氧混凝土填补,再用环氧砂浆刮平。尤其要保证现浇段端面的承压面积和混凝土密实度。
特制两端有锥度的清孔器,外径比制束后的钢丝柬稍大,两端焊上钢丝,在孔道内来回滑动以清理孔道。要注意防止预留孔道窜孔或错孔,施工时尤其要保证挑梁现浇段弧线,孔道的留孔质量。
预制看台板安装就位并满足抗倾荷重要求后,可进行挑梁悬臂吊拼。块体单段自重为2.6~4.9t,最大块体YWL-1长6.2m,安装高度27m,加上吊具重量共5.43t,采用双塔机抬吊的方法施工,内圈中塔和外圈中塔起吊力矩之和的80%为1120kN·m,可满足块体起吊力矩要求。15.4m的三角形钢管桁架抬吊扁担自重1.5t,内圈塔机和外圈塔机各吊起一端,在扁担下平衡吊拼YWL块体,双塔机协调动作,同步起吊。悬挂式轻型脚手架夹挂在块体两侧,随块体起吊,逐段拼出,交替流水使用。脚手架外侧设钢筋护栏和安全网(图6-19-5)。
挑梁块体间的拼接面涂刷环氧树脂粘接,保持分段梁体纵向连续传力,拼接端面通过软接触增加吻合效果。为减少悬空涂刷操作,采用单侧双层涂刷法,先在空中和地面的两个待拼接端面上,分别涂刷环氧树脂底层,块体起吊前,在地面块体端面上再涂刷环氧树脂面层,1h内起吊拼接,以保证空中拼接端面在软结合中均匀粘接。
在梁体顶面和侧面拉通线控制悬轴线位置;在场内控制圆心架处设经纬仪,上下扫描检查块体中心线是否与梁体中心及框架轴线重合,控制悬拼块体不产生错位或扭转;在块体端部放置丁字测尺,直尺与梁体中心线重合,在横尺两端吊下相等长度的细钢丝垂球,在看台板上用水平仪检查两只垂球是否处于同一设计标高,这样既控制了悬拼块体设计标高,避免产生上下偏倾或左右偏倾,又避免了块体前端面产生扭转。
挑梁现浇段端面与第一段块体拼接端面,是用精加王刚性端模分别在空中和胎模上浇筑的,端模空间位置难于精确控制,实际不可能保证连槽浇筑的吻合效果。经多次拆装的刚性端模会产生变形和拼合误差,使现浇段拼接面上产生施工误差,如误差过大,几段YWL块体悬拼出去,大跨挑梁自由端就会形成较大的斜偏。故施工中必须严格控制现浇段端面尺寸和位置,反复调整校正。保证第一拼接面吻合,是保证整桶挑梁悬臂拼接质量的关键。
悬拼块体就位合乎要求后,在拼接面下缘两侧跨缝绑焊75×8角钢,长250mm,用于固定块体位置,保证因分段悬拼而断开的下部非预应力钢筋纵在向连续传力。梁体两侧绑焊角钢时,要求对称施焊。
l04榀挑梁所用预应力钢丝束共440束,其中112束22Фs5,分为17种长度;328束18Фs5,分为51种长度;南北罩棚挑梁钢丝束最短为5.02m,东西罩棚挑梁钢丝束最长为28.24m。
Фs5高强碳素钢丝应逐盘抽样试验,选取弹性模量值EQ相同的钢丝下料制束。钢丝下料后镦粗头,带镦头的钢丝穿入钢质镦头锚板中,用双锚板将钢丝梳直,并用铅丝绑扎。成束后的钢丝按挑梁号和钢丝分束号编号挂牌,以免错用。
镦头锚板采用45号钢制作,硬度要求为HB257~291,Ф5.2孔眼偏移误差不大于0.2mm,抽样10%进行强度试验。为保证钢丝镦头齐整,减小长度误差,降低钢丝松弛应力损失,在锚板外缘加工螺纹,旋盖钢质内螺纹压板,将钢丝镦头压齐顶紧,加盖丝扣压板的镦头锚板,使用性能良好。
挑梁尾部张拉端采用钢质锥形锚具,锚塞经热处理后,硬度要求为HRC55~58。块体悬臂拼接时的预应力钢丝空中穿束,采用钢丝束随块体起吊,悬空牵引,引束到
位的方法。用穿束器(图6-19-6)销住钢丝束尾端,中心销越向前拉,钢丝被夹得越牢。
起吊时,在地面将钢丝束尾端穿过块体预留孔道,露出穿束器。钢丝束与块体一起缓缓起吊到拼接位置,当块体端面靠近时,空中操作人员将牵引钢绳从挑梁尾端引出,牵引钢绳的钩子套住穿束器中心销的销环。通过固定在挑梁尾端挑架上的导向滑轮,用卷扬机将牵引钢绳慢慢向后拉,牵引穿束器,将钢丝束拉进孔道中,从挑梁尾部端面孔道中拉出,直到钢丝束前端的镦头锚板嵌入悬拼块体端面预留的凹槽中定位并将钢丝束拉紧为止。卸下穿束器,预应力钢丝柬悬空穿束便告完成。如有2束钢丝,则应逐束牵引到位(图6-19-5)。
选用l台牵引力为5kN的卷扬机,安放在看台后部平台,可满足一棍挑梁全部钢丝束的牵引要求。吊拼挑梁最前段YWL-1块体时,长28m的钢丝束会在块体前面下坠,形成弧形长尾。要采取措施避免钢丝束滑落。牵引时应避免高强钢丝被块体前端孔口处的混凝土擦伤。
穿束前应进行孔位编号,挑梁尾部端面、拼接端面及起吊块体端面均应标明孔号,钢丝束也相应编号。同号数钢丝束穿入同号数孔道,在挑梁尾部端面上,检查穿出的钢丝束的束号与该孔的孔号是否相符。如果发现错孔或窜孔,必须退束调整,确认无误后,方可进行预应力张拉。
悬拼罩棚挑梁在挑梁尾端,用钢管搭设悬挑灯笼脚手架,铺设张拉平台,侧面用席围护。在平台上放置ZB4-500型油压机1台、YC-60型穿心式双作用千斤顶2台及必要的工具,负荷重力5kN左右。经过8kN满负荷试验,悬挑张拉平台强度和稳定性可满足施工要求。
悬拼1段块体,即对称梁体中轴线,在挑梁现浇段尾部张拉1束或2束预应力钢丝,在尾部端面锚固(参见图6-19-3)。预拉力将拼接面压紧,软结合的环氧树脂从拼接面四周侧缝挤出,空中操作人员应及时将溢出的环氧树脂刮塞进去,封闭拼缝底面及侧面。预应力钢丝不但起受力作用,还作为拼接手段,依靠强大的预压力和环氧树脂胶泥的粘接力将悬拼块体拼接牢固。
按顺序依次悬拼下一段块体,在尾部再张拉1~2束预应力钢丝,在挑梁尾部端面锚固,将悬拼的第2段块体拼接牢固。照此循环施工,将预制梁段YWL-1到YWL-4逐段悬拼完成。
预应力张拉单向分级施加拉力,超张拉4.5%,次张拉到位,22Фs5单束张拉力为479.05kN,18Фs5单束张拉力为391.95kN。预应力张拉实行“双控”,以油压表读数为主要控制,同时控制钢丝伸长值,控制范围为+10%~－5%。
确认钢丝伸长值满足要求后,即可进行锥形锚具顶塞,顶塞后量测锚塞内缩量为3~5mm,即认为符合要求。待张拉锚固完成,塔机松钩卸荷。
张拉双束对称钢丝时,1台油泵通过分配阀分压给2台千斤顶,同时进行同步对称张拉,保持张拉应力对称平衡。
在钢丝束尾部挂牌,注明束号和张拉锚固时间,24h内检查有无滑丝或断丝,若24h后无滑丝或断丝,则张拉合格。
规范规定,在梁体一个断面上,预应力钢丝断丝和滑丝根数,不得超过钢丝总根数的3%,1束钢丝中断丝和滑丝不得超过1根,否则应退束和换束。对于高空无支架悬臂拼接的后张预应力挑梁,退束和换束相当困难,如连续拼接几段块体后,夹在中部的块体中预应力钢丝发生断丝或滑丝,镦头锚板前后都被封闭,拼接面上的环氧树脂固化粘结,几乎不可能退束和换束。所以,制束时必须严格控制预应力钢丝材质均匀。在104榀挑梁悬拼施工中,张拉440束共计8368根预应力钢丝,仅发现6束钢丝中各断丝l根,都是在顶塞时断丝,或在锚固后24h内断丝,未发生退束和换束的情况。
悬拼块体每个孔道前端距镦头锚板500mm处留有Ф10排气孔,用塑料小管伸出梁体。在挑梁尾部端面锥形锚环中心设有带内螺纹的Ф10进浆孔,每个进浆孔上安装1个带活动阀门的压浆控制阀,控制进浆速度和封闭孔道,灵活适用,操作方
便。
顶塞锚固24h后,应尽快进行孔道压浆。上浆平台和HB6-3型压浆泵设置在挑梁尾部附近看台上,分级加压,单向一次压浆饱满。孔道压浆用微膨胀水泥浆(硅
酸盐水泥掺加万分之五铝粉,水灰比0.4,掺入适量减水剂)。-
将压浆泵出浆管接在锚环中心的控制阀管口上,开启阀门,压浆泵升压,水泥浆被压人孔道中,待前端排气孔有浓浆溢出即用木模塞紧排气孔。压浆泵继续升压至0.4~0.6MPa,从进浆孔继续压人水泥浆,直至进浆孔不再进浆时,关闭控制阀,封闭孔道,压浆泵降压,该孔道压浆即告结束。压浆顺序为自下而上逐孔进行。水泥浆初
凝后即可将控制阀取下。
悬拼挑梁由几段块体串接,由于存在施工误差,在拼接面上孔道不可能完全连续封闭,产生拼合露缝,第一段悬拼块体与现浇段的拼接面上,露缝尤为明显。孔道进浆压力加不上去，露缝处漏浆严重。施工中采用内通外封的办法处理,在块体拼接面上缘,用开口铁皮管将跨缝的预应力钢丝包住,铁皮管塞进两端孔道内一定长度,再用细石混凝土将拼缝上缘仔细封闭一层,尽可能减少管道在拼缝处的漏浆和窜浆,使之内通。用环氧树脂和玻纤布封闭块体拼接面底缝和侧缝。对一榀挑梁的所有孔道逐个压浆,一次完成,不得间断。经过对拼接缝内通外封处理后,进浆压力
可升至0.6MPa,块体拼缝处不再漏浆，悬拼挑梁孔道压浆均能满足要求。
孔道压浆后,将块体拼接处上缘两端预留明槽内的裸筋用相同直径钢筋绑搭焊接,须满足传力焊缝长度要求,保证因分段悬拼而断开的上部非预应力钢筋纵向
连续传力,用C40细石混凝土封平梁体上缘明槽(图6-19-7)。
挑梁自由端镦头锚板槽口和尾部锥形锚环锚固端面,须加设钢筋网片,用C40混凝土封端。
成都地区潮湿多雨,为保护处于高强度受拉应力状态的预应力钢丝的耐久性,在块体拼接缝四周做300mm宽氯丁胶乳沥青二布六涂防水隔汽层,在罩棚挑梁表面做防水涂料饰面。
挑梁悬拼施工完成后,在梁体下缘安装环向槽钢檩条,以保证侧向刚度,构成环形空间骨架,在钢模条上铺盖天蓝色U-1856压型彩色钢板，突出88条淡黄色径向悬挑肋梁,组成周圈封闭的空间马鞍形大悬挑彩色罩棚屋面。
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