大噸位大跨度懸挑鋼結(jié)構(gòu)整體提升施工技術(shù)

陜西建工機(jī)械施工集團(tuán)有限公司 西安 710043

1 工程概況

東航西安維修基地新機(jī)庫(kù)建成后成為空客系列在西北地區(qū)功能最完善的大修中心。其建筑面積約13 000 m2，機(jī)庫(kù)大廳平面呈長(zhǎng)方形，長(zhǎng)度為155 m，寬度為85 m，其屋蓋由大廳部分的鋼網(wǎng)架和大門鋼桁架組成，形成三面支承、門架側(cè)一面敞開的鋼結(jié)構(gòu)組合體系（圖1）。該結(jié)構(gòu)最大的特點(diǎn)是大門桁架部分形成大噸位大跨度的空間懸挑結(jié)構(gòu)，施工采用液壓控制同步提升的方案。

圖1 機(jī)庫(kù)鋼結(jié)構(gòu)俯瞰

2 結(jié)構(gòu)概況

機(jī)庫(kù)大廳采用3 層正交斜放焊接球網(wǎng)架，網(wǎng)格尺寸6 m×6 m，矢高為3 m+3 m，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)質(zhì)量為1 380 t，網(wǎng)架在東、南、西三面共由28 個(gè)設(shè)置在鋼筋混凝土排架柱上的固定球鉸鋼支座支承。北面敞開設(shè)機(jī)庫(kù)大門，大門桁架采用焊接箱型梁及焊接H型鋼組成，外桁架HJ-1呈懸挑狀，水平懸挑5 m，質(zhì)量580 t，內(nèi)桁架HJ-2兩端通過萬向球鉸支座支承，桁架下弦標(biāo)高22 m，高度為14 m，高度上相對(duì)網(wǎng)架上弦平面垂直懸挑7 m（圖2）。桁架部分總質(zhì)量約1 180 t，跨度155 m。鋼結(jié)構(gòu)材質(zhì)均為Q345B。

圖2 結(jié)構(gòu)橫斷面

3 施工難點(diǎn)[1-3]

（a）大門桁架懸挑結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)大噸位及大跨度的特點(diǎn)，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上在國(guó)內(nèi)尚屬少見，該結(jié)構(gòu)也堪稱“西北第一跨”，對(duì)設(shè)計(jì)施工、組織管理等方面綜合技術(shù)的應(yīng)用提出了較高要求。

（b）整體屋蓋鋼結(jié)構(gòu)由鋼網(wǎng)架和鋼桁架組成，網(wǎng)架和桁架的結(jié)構(gòu)覆蓋面積比為16∶1，但質(zhì)量比為1.17∶1，整體重心顯著偏向懸挑端。

（c）根據(jù)整體有限元模型計(jì)算結(jié)果，桁架的單個(gè)吊點(diǎn)提升反力達(dá)到8 805 kN，2 個(gè)桁架吊點(diǎn)總的反力達(dá)到了整個(gè)提升重量的1/2以上。

（d）桁架相對(duì)網(wǎng)架上弦平面垂直懸挑7 m，在提升過程中對(duì)整體穩(wěn)定性有一定影響，需要分析提升不同工況下連接桿件的應(yīng)力變化情況，保證結(jié)構(gòu)安全。

4 總體方案

（a）共設(shè)16 個(gè)結(jié)構(gòu)提升點(diǎn)，每個(gè)提升點(diǎn)在柱頂設(shè)置格構(gòu)式提升架，安裝液壓提升器（圖3），將大門鋼桁架和網(wǎng)架在投影位置地面拼裝成型，用液壓提升器將鋼屋蓋整體提升到安裝位置，再補(bǔ)空安裝周邊支座和桿件，最后結(jié)構(gòu)成型并整體卸載。

圖3 提升吊點(diǎn)布置

（b）根據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際提升方案，建立整體有限元模型，采用MIDAS/GEN 8.0進(jìn)行空間分析和計(jì)算，根據(jù)各提升點(diǎn)的反力值進(jìn)行提升架設(shè)計(jì)、提升器配置及加固設(shè)計(jì)。

（c）桁架的提升點(diǎn)設(shè)在桁架HJ-2兩側(cè)共2 個(gè)，上吊點(diǎn)用集群液壓提升器提供該點(diǎn)8 805 kN的提升力，下錨點(diǎn)設(shè)在桁架下弦的鋼托梁底部。

（d）網(wǎng)架部分共設(shè)置14 個(gè)提升點(diǎn)，上吊點(diǎn)提升油缸設(shè)置在排架柱頂?shù)奶嵘苌希峁┳畲?27 kN的提升力，下吊點(diǎn)利用增加的臨時(shí)桿件和節(jié)點(diǎn)，在高空補(bǔ)空桿件安裝以后將其拆除。

5 配套設(shè)計(jì)及技術(shù)措施[4-8]

5.1 桁架提升體系

（a）由于桁架的單個(gè)吊點(diǎn)提升反力達(dá)到8 805 kN，為了解決大噸位級(jí)提升力的需要，桁架吊點(diǎn)設(shè)計(jì)采用4 個(gè)3 500 kN液壓提升器共同作用，經(jīng)過2 個(gè)并列的格構(gòu)柱型式提升架使支承柱受載。通過鋼絞線連接上、下吊點(diǎn)，提升器的提升力通過上吊點(diǎn)—鋼絞線—錨具—支承結(jié)構(gòu)—桁架（網(wǎng)架）的途徑傳遞，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的整體提升。同時(shí)設(shè)置后側(cè)預(yù)拉力錨點(diǎn)，預(yù)拉力點(diǎn)采用2 臺(tái)2 000 kN提升器，提升過程中與主吊點(diǎn)按比例同步加載，預(yù)拉力均預(yù)緊到1 500 kN。

（b）桁架支承柱柱頂標(biāo)高為+21.08 m，在土建施工的同時(shí)安裝提升架預(yù)埋件，實(shí)現(xiàn)提升體系與土建混凝土柱之間承載力的有效傳遞。

（c）桁架提升架主體結(jié)構(gòu)由箱型梁和箱型立柱組成，側(cè)面為π字形，高度5 m（圖5）。構(gòu)造設(shè)計(jì)既要考慮承載力要求，也要考慮桿件空間位置的要求，即不能出現(xiàn)提升架與補(bǔ)空構(gòu)件干涉的情況。經(jīng)計(jì)算，得出施加預(yù)拉力對(duì)提升架結(jié)構(gòu)受力有明顯效果。

（d）桁架下吊點(diǎn)處將HJ-2端部斷開，提升受力點(diǎn)設(shè)在下弦，形成型鋼扁擔(dān)梁形式，并增加加固桿件對(duì)下弦補(bǔ)強(qiáng)加固。

（e）桁架提升架預(yù)拉力由設(shè)在桁架混凝土柱承臺(tái)內(nèi)的地錨提供，地錨承載力由預(yù)埋側(cè)板與混凝土之間的摩擦力和粘結(jié)力、下部橫向錨板的錨固力及橫銷的錨固力3 部分組成。

該方案的提升預(yù)拉力設(shè)置有效解決了提升重量平衡力的問題，根本性地改善了混凝土柱的偏心受力狀況。

5.2 網(wǎng)架提升體系

（a）網(wǎng)架提升架采用三角形格構(gòu)柱，3 個(gè)立柱呈品字形布置，前1 根立柱軸心受壓，后2 個(gè)受拉，高度為2.5 m。其優(yōu)點(diǎn)在于保證提升架受拉側(cè)強(qiáng)度的同時(shí)提高了穩(wěn)定性，也便于提升到位后周邊網(wǎng)架桿件的高空補(bǔ)空。

（b）下吊點(diǎn)按柱軸線與網(wǎng)架吊點(diǎn)的位置關(guān)系設(shè)置，吊點(diǎn)相對(duì)網(wǎng)架下弦下移500 mm，使5 根輔助桿件同時(shí)受力。

5.3 排架柱受力校核

（a）提升時(shí)，網(wǎng)架排架混凝土柱處于偏心受力狀態(tài)，需要對(duì)柱的強(qiáng)度及穩(wěn)定性進(jìn)行校核驗(yàn)算，保證排架柱體系安全。

（b）混凝土柱的驗(yàn)算內(nèi)容有：柱體受壓強(qiáng)度驗(yàn)算、柱頂預(yù)埋件的驗(yàn)算、柱頂局部受壓承載力驗(yàn)算。桁架、網(wǎng)架的提升點(diǎn)混凝土柱按最不利的工況取荷載值，計(jì)算結(jié)果均應(yīng)在允許范圍內(nèi)。

（c）在正式提升前，將排架柱之間的連系桿件和柱間支撐都安裝完成，使排架柱形成整體受力體系，以提高提升受力體系的安全度和可靠度。

5.4 提升狀態(tài)模擬分析

結(jié)構(gòu)提升過程中，16 個(gè)提升點(diǎn)之間所有可能的最大位移差的組合很多。從這些組合中針對(duì)桁架結(jié)構(gòu)處于大噸位水平和垂直懸挑的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選擇較為不利的16 種工況對(duì)結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力進(jìn)行分析，對(duì)于應(yīng)力比大于0.9的桿件進(jìn)行截面替換，對(duì)于網(wǎng)架與桁架交界處的連接桿件重點(diǎn)對(duì)待。

5.5 同步度控制

工程實(shí)施采用了先進(jìn)的流量分配控制系統(tǒng)，即計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成“傳感器—計(jì)算機(jī)—泵源比例閥—液壓提升器—提升架結(jié)構(gòu)”的閉環(huán)系統(tǒng)，提升過程由傳感器實(shí)時(shí)采集位移檢測(cè)信號(hào)、計(jì)算機(jī)計(jì)算其差值、系統(tǒng)自動(dòng)均衡液壓流量，從而控制整個(gè)提升過程的同步性。

6 提升過程

6.1 結(jié)構(gòu)預(yù)提升

（a）液壓油缸按20%、40%、60%、80%、100%的比例分級(jí)加載，直到使結(jié)構(gòu)整體離地，提升高度約300 mm時(shí)，懸?！? h。

（b）檢測(cè)提升點(diǎn)的位置和標(biāo)高，與初始標(biāo)高的理論值進(jìn)行比較并調(diào)整，確定同步提升的標(biāo)高初始值。

（c）用經(jīng)緯儀在側(cè)面觀測(cè)地面上主桁架和上部桁架之間的對(duì)接口位置情況，如有偏差要調(diào)整吊點(diǎn)預(yù)處理，確保一次性提升到位對(duì)接成功。

6.2 同步提升

（a）整個(gè)屋蓋大廳鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量2 560 t，提升系統(tǒng)對(duì)每個(gè)提升吊點(diǎn)的液壓提升器施以均恒的油壓，吊點(diǎn)以恒定的載荷力將結(jié)構(gòu)向上提升，保持初始狀態(tài)直至提升到預(yù)定高度。

（b）采取位移同步控制措施，通過位移傳感器實(shí)時(shí)向系統(tǒng)控制中心傳遞提升位移的數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)處理一旦發(fā)現(xiàn)超差則自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，對(duì)桁架懸挑端重點(diǎn)監(jiān)測(cè)同步度、垂直度及撓度變化值，使提升過程各吊點(diǎn)之間標(biāo)高不同步偏差控制在15 mm以內(nèi)。

（c）整體提升的速度取決于液壓泵站的流量、錨具切換和其他輔助工作所占用的時(shí)間。經(jīng)實(shí)際測(cè)算，提升速度約200～250 mm/min，在液壓油缸往復(fù)運(yùn)動(dòng)的過程中，啟動(dòng)和制動(dòng)時(shí)各點(diǎn)的載荷會(huì)增加2%，在計(jì)算中考慮了1.1的動(dòng)載系數(shù)，啟動(dòng)和制動(dòng)加速度為0.2 m/s2，加速度極小，保證了整體懸挑結(jié)構(gòu)的同步平穩(wěn)提升。

6.3 高空補(bǔ)空安裝

結(jié)構(gòu)整體提升至設(shè)計(jì)位置后，各吊點(diǎn)微調(diào)使桁架和網(wǎng)架精確提升到達(dá)設(shè)計(jì)位置，然后補(bǔ)充安裝周邊桿件，完成后，網(wǎng)架及桁架整體卸載落位于球鉸支座上，最后拆除提升系統(tǒng)設(shè)備和提升支架， 完成整個(gè)提升施工的過程。

7 結(jié)語

該工程順利完成大噸位大跨度鋼結(jié)構(gòu)整體同步提升，對(duì)比桁架提升架體系計(jì)算值與實(shí)測(cè)值：懸挑結(jié)構(gòu)提升的技術(shù)指標(biāo)在可控范圍內(nèi)。施工安裝完成后鋼網(wǎng)架、鋼桁架縱橫向長(zhǎng)度偏差、支座中心偏移、撓度值等指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)要求。施工方案在技術(shù)先進(jìn)、質(zhì)量保證、縮短工期、經(jīng)濟(jì)性合理之間取得了最佳結(jié)合，為同類型工程積累了施工技術(shù)方面的經(jīng)驗(yàn)。