1、1张张弦弦结结构构钢钢拉杆拉杆预应预应力施工新法力施工新法钢拉杆预应力施工QC小组一、工程概况温州永强机场新建T2航站楼面积达10万平方米，为三层式布局，采用指廊式构型，工程总投资9亿多元，能够满足年旅客吞吐量1300万人次的需求。新建T2航站楼平面呈“C”型布置，分别由主楼、南、北指廊及登机桥组成。屋面呈双曲造型，为异形空间大跨结构，最大跨度54米。钢结构组成：钢管混凝土支承柱+网架屋盖+张弦天窗+幕墙+房中房。中央张弦天窗与两侧网架结构铰接连接。材质等级包括Q390B，Q345B，Q235B，最大板厚60mm，总用钢量1.2万吨。图：工程效果图二、QC小组概况小组注册号JG 2016-042、单位或部门课题注册号JG 2016-04K小组名称张弦结构预应力施工QC小组小组人数12人课题类型创新型登记日期2016年4月5日组 长项杰课题名称张弦结构钢拉杆预应力施工新法活动时间2016.4.52016.11.30小组职务姓名性别年龄文化程度职称QC学时组 长男31本科工程师55副组长男32本科工程师58组 员男33本科高级工程师50组 员男32本科工程师60组 员男30本科工程师58组 员男30本科助理工程师55组 员男30本科助理工程师58组 员男30本科助理工程师60组 员男28本科助理工程师52组 员男31本科助理工程师52组 员男37大专工长502组 员张永发男49初中工长503、制表人：陈雅能 日期：2016.4.6三、选题理由小组针对温州永强机场项目施工过程可能遇到的问题，运用头脑风暴法，集思广益，多角度提出了QC 小组课题进行讨论选择。评定标准：5分 3分 1分制表人：陈雅能 制表日期：2016年4月8日对选对选定的定的课题进课题进一一步步分析：分析：1、张弦天窗长115m，跨度18m-36m不等，13榀X形张弦结构并排布置，张弦立杆高度2.5m-3m不等，跨度大，结构成型困难。2、设计单位要求施工过程中，钢拉杆的成型内力为250350KN不等，钢拉杆内力允许误差正负30KN，成型应力收到施工作业的影响大。3、钢拉杆直径60mm，强度等级分GLGQ460和GLGQ4、550两种，每根钢拉杆均在跨中设置一个调节套筒，设计单位提供了钢拉杆的成型内力，按照现现有市有市场场上的扭矩扳手无法达到上的扭矩扳手无法达到项项目的内力要求。目的内力要求。4、根据温州机场屋盖总体施工方案，张弦天窗随屋盖整体提升，若高空原位若高空原位张张拉拉钢钢拉杆，操作平台等拉杆，操作平台等措施投入量大，且安全、措施投入量大，且安全、质质量量难难以保以保证证。5、该种结构类型在工程所在地区第一次出现，对对我我们们来来说说也是首次施工也是首次施工，无可借鉴的案例。图：天窗的分布示意评估序号课 题分 析可实施性经济性有效性对其他工作的影响综合得 分选定课 题1屋盖网架提升新法1、与实际结合紧密；5、2、效果不突出；3、经费投入少；14不选2张弦结构钢拉杆预应力施工新法1、具有实际应用价值；2、经济社会效益较大；3、课题针对性强；18选选定定3网架杆件标准化管理1、主体明确；2、受到条件限制大；3、同类推广应用价值不高；12不选4机场类幕墙摇摆结构安装1、课题内容清晰；2、有一定的针对性；3、具有一定指导作用；4、一次性投入较大；5、课题目标稍大。12不选3图：天窗的节点示意为此，选择课题：张张弦弦结结构构钢钢拉杆拉杆预应预应力施工新法。力施工新法。四、设定目标和可行性分析目标设定：钢拉杆内力允许误差正负30kn，可行性分析：尽管我司未进行过类似结构工程的施工，但是小组成员通过寻找国内外出6、现的案例，经过最终的调查研究，对出现过的钢拉杆的张拉应力的统计，并对比原始允许应力差，调查的项目为绍兴县体育中心、宝鸡游泳跳水馆、盘锦体育中心等工程的进行最终的统计，数据如下：项目钢拉杆内力实际最大误差钢拉杆内力允许误差绍兴县体育中心35kn45kn宝鸡跳水馆30kn28kn盘锦体育中心25kn30kn通过以上的调查，从上表得出，钢拉杆张拉过程中内力最大误差仅35kn，其中宝鸡跳水馆内力存在超张拉的情况，根据这个情况，通过技术上的改良与创新，目标是完全可能实现的。同时本小组成员多次获得过全国优秀质量管理小组称号，理论基础扎实，且实践经验丰富，故制定的目标是完全可以达到的。4图：获得的全国优秀质7、量管理小组称号五、提出方案并确定最佳方案1、方案的提出根据目标要求。QC小组制定活动计划，小组成员通过“头脑风暴法”集思广义，并对小组人员的“奇思妙想”进行整合、改进，参考国内其它公司的施工案例，共提出了合适于本工程的四种施工方案：方案一：先提升后高空主方案一：先提升后高空主动张动张拉拉先将张弦结构和网架一同提升到相应的高度后，天窗结构达到固定的坐标位置，后使用专业的穿芯式液压千斤顶主动张拉为结构建立预应力，最终结构张拉成型。图：传统预应力张拉工装图及实施照片图：方案一工艺流程5方案二：先提升再高空被方案二：先提升再高空被动张动张拉拉先将张弦结构和网架一同提升到相应的高度后，再搭设临时支撑架，8、使用手提式液压千斤顶被动张拉，为结构建立预应力，最终结构张拉成型，天窗结构达到设定的坐标位置。图：张弦结构反顶态示意图 图：反顶过程示意图 图：方案二工艺流程方案三：先原位主动张拉后整体提升先使用穿芯式液压千斤顶主动张拉为结构建立预应力，使得预应力成型，然后将天窗部分与周围网架结构共同提升，达到相应的提升位置。6图：方案三施工工艺流程方案四：先被动张拉后整体提升先进行张弦结构的安装，然后使用液压式千斤顶对张弦桁架施加预紧力，使得张弦结构成型，成型后先将张弦结构和网架一同提升到相应的高度后，以此结构成型。图：方案四施工工艺流程2 2、方案的分析、方案的分析、评评价、价、优选优选7QC小组对以上四9、种方案进行分析对比，分析的及过程如下：方案施工方案施工评测对评测对比表比表序号方案名称技术可行性经济合理性施工安全性时间性对其它的影响是否选用方案一先提先提升后升后主主动动张张拉拉1、进行整体提升2、主动张拉采用的是液压穿芯式张拉器，专业公司专业工具施工。3、需要最大的张拉器约100吨。4、张拉工序复杂。1、液压穿芯式张拉需要500元/吨，13榀X型节点桁架共计300吨，张拉费用15万元，人工以及机械运输费5万元，共计20万元。2、临时支撑架高度约为1米，按照标准单位0.2吨/米计算，重量为3.6吨，加工制作费用2.52万元/组，共计13组，需要费用32.76万元。施工作业高度为18米，张拉机10、具需要单组重量约为300KG，需要使用机械往上倒运。施工安全风险较大高空张拉的持续时间长，且张拉机具的安装拆除时间周期长，设备安拆，张拉及机具安拆时间工期持续18天。可以有效提高屋面板施工的效率，节约整体工期不选用方案二先提先提升后升后被被动动张张拉拉1、采用整体提升的形式2、需要搭设高空的临时支撑架3、采用顶升的形式给钢拉杆施加预应力。4、操作便利不需要专业张拉的设备以及公司。1、被动张拉主要在13榀X形张弦结构下设置千斤顶。每个千斤顶的价格约为500元/套,共计13套约需要6500元。2、临时支撑架高度约为18米，按照标准单位0.2吨/米计算，重量为3.6吨，加工制作费用2.52万元/组，11、共计13组，需要费用32.76万元。施工作业高度为18米，使用的千斤顶重量约为20KG，重量轻，人工可操作。高空作业量大。设备安拆，张拉及机具安拆时间工期持续15天。可以有效提高屋面板施工的效率，节约整体工期不选用方案三先主先主动张动张拉后拉后提升提升1、搭设拼装胎架2、主动张拉采用的是液压穿芯式张拉器，专业的技术人员进行张拉工序。3、张拉完成后进行整体提升，提升到相应的高度。4、张拉工序复杂。1、液压穿芯式张拉需要500元/吨，13榀X型节点桁架共计300吨，张拉费用15万元，人工以及机械运输费5万元，共计20万元。2、提升高度为9米，故其地面原位拼装所需临时支撑架高度为9米，13组临时支撑12、架费用共计16.38万元。施工作业高度为9.5米，张拉机具需要单组重量约为300kg，需要使用机械往上倒运。高空机具的操作风险大。高空张拉的持续时间相对较短，张拉及机具安拆时间工期持续12天。张拉时间会影响后续屋面板安装的时间不选用方案四先被先被动张动张拉后拉后提升提升1、搭设拼装胎架2、被动张拉采用的千斤顶进行顶升，顶升张弦桁架，13个X形张弦结构建立预应力的同步性。使得结构上拱，并预紧拉索，随后千斤顶回落。3、预应力达到计算要求后进行整体提升，提升到相应的高度。4、张拉工序简单1、被动张拉主要在13榀X形张弦结构下设置千斤顶。每个千斤顶的价格约为500元/套,共计13套约需要6500元。213、临时支撑架高度约为9米，按照标准单位0.2吨/米计算，重量为1.8吨，加工制作费用1.26万元/组，共计13组，需要费用16.38万元。施工作业高度为9.5米，使用的千斤顶重量约为20kg，重量轻，人工可操作。高空作业量相对较少，安全性可控。高空张拉的持续时间相对较短，张拉及机具安拆时间工期持续10天。张拉时间会影响后续屋面板安装的时间选选用用结论结论：方案四天窗桁架采用先被：方案四天窗桁架采用先被动张动张拉再与周拉再与周边边网架整体提升的形式，施工网架整体提升的形式，施工经济经济性高，高空作性高，高空作业业量少，施工作量少，施工作业业便利可控等便利可控等优优点，故点，故综综合合以上情况，以14、上情况，选择选择方案四作方案四作为为研究研究对对象。象。制表人：陈雅能 日期：2016.4.29根据以上根据以上对对比分析的比分析的结结果，最果，最终选择终选择方案四作方案四作为为最佳方案最佳方案进进行研究。行研究。3 3、方案展、方案展开开分析分析小组成员针对初选的方案四“先被动张拉再提升”进行分析，提出实施过程中需要解决的方案，运用系统图展开。8先被先被动张动张拉再整体拉再整体提升提升1、张拉顺序的选择2、千斤顶种类的选择3、张拉所需临时支撑架的选择X型节点桁架逐榀进行张拉13榀X型节点桁架同时进行张拉采用螺旋千斤顶采用液压千斤顶采用满堂脚手架的形式采用独立的格构式临时支撑架方案展开分析系15、统图制图人：陈雅能 日期：2016.5.54 4、方案、方案对对比比对项目进行分解后，小组于2016年5月5日再次召开子方案选择专题会，对实施完成3个分项要素的各个子方案进行对比，以达到方案优化的目的。项目1-1 X型张弦顺序子方案选优论证表 表4-1 主要性能评估对应的要素备选子方案结构的安全性施工作业量张拉控制的难易程度结论同时张拉张拉同步控制难作业量大困难不选用13个X形张弦梁单个张拉不存在同步性控制问题作业量小容易选选用用制表人：陈雅能 日期：2016.5.6项目2-1顶升的千斤顶子方案选优论证表 表4-2主要性能评估对应的要素备选子方案优点缺点结论螺旋千斤顶价格便宜，操作简便承载能力16、受到限制，且无法准确读取数据不选用千斤顶种类的选择液压千斤顶可以接驳压力表数据可准确读取，且顶升时输出稳定价格相对比较贵选选用用 制表人：陈雅能 日期：2016.5.6项目3-1张拉所需临时支撑架的选择子方案选优论证表 表4-3 主要性能评估对应的要素备选子方案操作的难度施工作业量成本费用结论临时支撑格构式支撑操作难度大搭拆方便，工作量成本费用比较低选选用用9架小架的选择满堂脚手架操作难度低搭拆工作量大搭拆成本费用高，总体租赁费用偏高不选用制表人：陈雅能 日期：2016.5.85 5、子方案比、子方案比选选完成后根据完成后根据选选定的子方案定的子方案绘绘制系制系统图统图，再根据系，再根据系统图17、统图制定制定实实施流程如下：施流程如下：先先进进行被行被动张动张拉再拉再进进行提升行提升1、张拉顺序的选择2、千斤顶种类的选择3、张拉所需临时支撑架的选择13榀X型节点桁架逐一进行张拉采用液压千斤顶采用独立的格构式临时支撑架图：子方案选定系统图制图人：陈雅能 日期：2016年5月10日六、制定对策QC小组针对要求采用被动张拉再进行整体提升的形式，根据张拉顺序的选择、反顶方式的选择、临时支撑结构的选择三个方面来制定对策表：对策表序号方案对策目标措施时间地点负责人1张拉顺序的选择选择13点X型节点逐个反顶；采用索力监测器进行应力监测桁架内力允许偏差为30kn13个X形张弦梁逐个反顶，反顶到计算高度18、后加塞钢垫块，反顶完毕后，调直、预紧所有钢拉杆，最后抽出垫块。在此工艺流程中，13个X形张弦梁反顶、调直预紧、卸载工序分阶段同步完成，从而与张拉模拟分析步骤相吻合，保证了13个X形张弦结构建立预应力的同步性。2016年5月-2016年10月企业技术中心陈雅能刘胜2千斤顶种类的选择可以有效读取控制数据千斤顶反顶位移最大允许偏差为35mm1、进行千斤顶的使用性能对比 2、是否可以 接驳外部数据读取。2016年5月-2016年10月施工现场陈雅能丁巍3临时支撑架体系的选择采用计算机模拟的形式，进行临时支撑架设计临时支撑架的杆件应力比控制在0.8以下1、利用计算机进行模拟应力比的情况。2、过程中对临时19、支撑的杆件应力比进行监测。2016年5月-2016年10月施工现场汪引源陈雅能 制表人：陈雅能 日期：2016.5.1110七、按对策实施系统子方案实施流程图注：流程图中标注“”为重点控制的3个方面制图人：陈雅能 日期：2016.5.18实施一：反顶顺序的选择1 1、结结构模构模拟计拟计算算：通过对同时反顶以及单独依次反顶进行计算分析根据施工模拟结果，逐次调整千斤顶反力，使钢拉杆在成型态一、成型状态二均满足设计内力要求。图：千斤顶反顶模拟模型将张弦梁计算模型边界条件简化成一端铰接，一端弹性约束。11A-截面面积，E-弹性模量，W-抗弯截面模量，K-弹簧刚度；图：张弦结构简图及各构件性能参数在X20、形交叉张弦结构撑杆处，采用千斤顶反顶刚性梁，设反顶力为P，反顶位移为H，弹性约束端水平变形为。图：张弦结构反顶态示意图调直、预紧钢拉杆,设此时钢拉杆长度为L。图：钢拉杆调直、预紧态示意图卸载千斤顶，刚性梁回弹，弹性支座回弹，张弦撑杆受压，强迫钢拉杆受拉，设此时钢拉杆内力为N，长度为L1。体系重新建立平衡关系，从而为钢拉杆建立预应力。图：成型态位形示意图图：千斤顶竖向反顶力 图：千斤顶反顶高度值12 图：千斤顶反顶时支座反力 图：千斤顶反顶时杆件应力实实施效果施效果验证验证：1）通过施工模拟，得出各X形节点反顶力，竖向位移，作为现场施工依据；2）通过施工模拟，各支座反力未出现负值，说明千斤顶反顶21、时，天窗结构与周边支撑未脱离；负负面影响：面影响：主要集中在顶升时施工人员在高空操作液压千斤顶容易受到外界环境的影响，高空操作安全性平台的搭设必须保证安全性。2 2、各各阶阶段内力段内力监测监测方法方法1、预应力施工阶段根据千斤顶、油压表、扭矩扳手的数值记录进行过程控制。同时，采用工具式应变器对钢拉杆内力进行校核。2、频率法测钢拉杆内力频率法是通过拾振器获得钢拉杆在人工激振作用下的振动时程，进而对振动时程信号进行时频分析(滤波、放大和频谱分析等)后可得到钢拉杆的振动频率，由于钢拉杆振动频率和内力间存在特定的关系，故可以根据识别出来的钢拉杆频率间接得到钢拉杆内力。该方法精度高且传感器信号不受温度22、的干扰。该方法特别适用于钢拉杆两端近似理想铰接销轴节点的结构中，如于斜拉桥钢拉杆内力监测。图：频率法在实际工程中的应用3、测点布置方案温州永强机场的张弦结构由13个X形张弦结构单元构成，选取7号和12号张弦单元作为监测目标，每个X形张弦单元均有4个钢拉杆。内力监测拟采用加速度传感器布置在张弦单元的钢拉杆上。另外，该加速度传感器装拆便利，可对钢拉杆轮流进行内力监测。加速度传感器宜布置在离钢拉杆端部1/4长度位置处。另外，在7号、12号X形张弦梁单元内的8根钢拉杆上布置8个应变传感器，传感器安装在杆端附近。13图：张弦天窗钢拉杆编号示意图图：加速度测点示意图 图：应变器现场测量照片 图：现场采集频23、率波谱实实施效果施效果验证验证：通过实际监测，杆件内力最大偏差为23.19kn，小于30kn的要求，通过分析钢拉杆卸载与张弦天窗提升两个阶段的加速度测试数据，各钢拉杆内力值基本均有小幅减小，符合理论变化趋势。负负面影响：面影响：在成本方面采用该种监测方式专业性较强，施工成本比较高。14实实施二：反施二：反顶顶工具的工具的选择选择由于反顶过程中必须要控制反顶的相关参数，故需要读取反顶力的数值，且常规的螺旋千斤顶的起顶吨位较小，故采用带有压力显示的液压千斤顶。1）千斤顶反顶必须在上部结构、支座连接完成，并经验收合格后进行。反顶前首先对已安装的结构的初始位置进行测量，作为后续施工的基准。2）千斤顶反24、顶位置应尽量靠近撑杆上部节点，如果受条件限制距离过远的，可以在撑杆两侧对称地设置两个千斤顶，避免回顶时产生偏心。3）千斤顶的反顶必须分级进行，宜按照20%一级分级加载，每级加载后应对张弦结构、支撑架进行观察，发现有异常情况应立即停止，异常情况排除后才可继续进行。4)反顶过程中，应组织测量人员对张弦结构标高进行测量，在回顶高度接近设计位置时，适当放慢速度，此时主要观察千斤顶读数，当读数达到计算要求时，再静置30分钟左右，观察读数是否有回落，如果有回落，必须继续回顶进行补偿，直至静置时读数相对固定，回顶结束，进行后续钢拉杆的安装。图：现场施工反顶作业照片15B2B1D2达到反顶的预订目标D1提升架25、材料进场提升架的制作参与反顶的队伍进场反顶千斤顶的安装固定投入反顶施工作业中读取反顶的过程数据人员技能不符合重新培训考核或者更换人员提升架制作存在缺陷A0A1A2A3A4A5Z提升架的搭设A6加强制作环节的全程控制超出设计规定的应力调整C1C2PDPC法反顶工艺控制图实实施二效果施二效果验证验证：通过上图得出，施工过程中的千斤顶施加力的情况可以直接从压力表中直接反映出来。负负面影响：面影响：高空操作的施工危险性较大，且现场千斤顶的安放位置等容易发生偏差，控制比较困难。实实施三：施三：临时临时支撑架支撑架应应力比的控制力比的控制通过对临时支撑架的计算模拟分析，考虑最不利状态，利用midas软件进26、行全过程的分析，保证杆件的应力比控制在有效的范围内。图：支撑架计算模型及荷载（1）变形情况标准组合1.0D+1.0L作用下，支撑架水平变形5.9mm，竖向变形4.4mm，综合变形7.4mm。如下图所示：16 水平向变形云图（mm）水平向变形云图（mm）综合变形云图（mm）由上图可知，支撑架在荷载标准组合作用下最大位移为7.4mm，支撑架高度为20m，7.4/（20 x103）=1/27031/400；变形较小，满足规范变形要求。（2）应力情况荷载基本组合作用下杆件应力比如下图所示：支撑架应力比云图（max=0.70）支撑架应力比柱状图（max=0.70）根据计算结果可知，支撑架构件最大应力比为27、0.70，发生在底部立杆。其余杆件应力比均较小。实实施三效果施三效果验证验证：通过上图得出，最大的杆件应力比控制在0.7，满足小于0.8mm的目标要求。负负面情况：面情况：主要是采用格构式临时支撑架需要有组装以及安拆的工序比较麻烦，且二次利用率较低。八、效果检查2016年9月28日起本课题小组在组长的带领下对张拉的过程进行了检查，经检查最终结果符合预期的目标，具体如下：17图：QC效果1、检查一：通过对钢拉杆张拉顺序的跟踪以及对杆件内力监测数据的监测统计，最大偏差为23.19KN，满足30KN的目标要求。2、检查二：通过对反顶过程中的数据的收集整理，最大反顶位移的偏差为31mm，满足制定的目标28、35mm的要求。3、检查三：临时支撑架的杆件应力比最大为0.7，满足既定目标0.8的要求。18从上述三个效果检查数据看出，本次QC活动完成了课题目标。九、标准化 1、形成书面文件指导施工为了更好地推广张弦结构预应力钢拉杆的施工，小组成员对本次活动所取得的施工经验进行了总结，并于2016年10月5日形成书面文件张弦结构预应力钢拉杆工作业指导书，通过总结小组活动得出的预应力钢拉杆的施工的创新手段，包括从张拉顺序的选择、张拉设备的使用、张拉过程内力的监测等方面，将经验总结交授全体管理人员进行学习，领悟掌握技术要点，并用于现场实际施工。2、效果巩固小组成员严格按照有效措施组织指导随后的预应力钢拉杆张拉29、，并于2016年10月10日至2016年10月20日抽查了提升的施工质量，检查结果显示结构的应力均满足目标的范围要求。且项目顺利完工后，收到了各方单位以及主流媒体的一致好评，具体的检查数据如下：19 图：巩固期的情况 图：整体验收会议203、形成科技成果根据该项目的核心技术以及本QC活动全过程产生的成果，综合而成的成果关于钢拉杆新型预应力建立方法研究通过了浙江省科学技术成果鉴定，技术水平评定为国内领先。图：科技成果鉴定书十、总结和下步打算1总结通过本次QC小组活动，不仅提高了施工管理能力，使施工管理更加系统化、标准化和科学化，同时增强了全员质量意识和参与管理能力，积累了丰富的经验。QC小组在总30、结中对小组成员的综合素质进行了自我评价，见下表和雷达图：制表人：陈雅能 日期：2016.12.25 2总结并推广整理统计工具应用QC小组总结归纳了本次活动过程中运用到的数据统计工具，具体的使用数据如下表：整理统计工具应用一览表 表工具名称应用次数系统图2水平对比表5PDPC法1折线图1流程图5自我评价序号项目活动前活动后1质量意识80982改进意识86953团队精神83884工作热情与干劲79955QC知识75856创新精神779221柱状图4雷达图1调查表6合 计25次制表人：陈雅能 制表时间：2016年12月25日 3.下一步打算“张弦结构钢拉杆预应力施工新法”的课题已经得到了很好的解决，31、并已用于指导现场施工。该工艺为钢拉杆的施工提供了一种新的思路，通过本工程的实施，该工艺得到了不断地完善和改进，我司计划以后在其它类似工程中积极地将该工艺进行推广和应用，并确定下一个课题为提高悬挑钢梁的安装精度。评定标准：5分 3分 1分评估序号课 题分 析可实施性经济性有效性对其他工作的影响综合得 分选定课 题1提高焊缝一次合格率1、与实际结合紧密；2、效果不突出；3、经费投入少；12不选2标准施工样板节点1、具有实际应用价值；2、经济社会效益不明显；3、内容较为单一；14不选3提高悬挑钢梁的安装精度1、实际应用价值高；2、提高项目质量效用明显；3、同类推广应用价值高；16选选定定4提高高强螺栓一次穿孔率1、课题内容清晰；2、有一定的针对性；3、具有一定指导作用；4、内容可展开量少14不选