伺服技術(shù)在地鐵上蓋鋼結(jié)構(gòu)施工中的應(yīng)用*

郁政華

1. 同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院 上海 200092；2. 上海市機(jī)械施工集團(tuán)有限公司 上海 200072

1 工程概況

中國博覽會會展綜合體項目E1商業(yè)中心位于整個場館的中心，四周被A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)、D區(qū)及F區(qū)場館環(huán)繞。正下方為軌交2號線徐涇東站車站區(qū)間和盾構(gòu)區(qū)間，東側(cè)跨越盾構(gòu)區(qū)間，最大跨度達(dá)83 m，西側(cè)跨越車站區(qū)間，最大跨度達(dá)117 m。如圖1所示。

E1商業(yè)中心為鋼框架-支撐筒結(jié)構(gòu)體系。結(jié)構(gòu)內(nèi)徑109 m，外徑166 m。結(jié)構(gòu)地下1層，地上8層，屋蓋最高達(dá)43 m。鋼結(jié)構(gòu)總質(zhì)量約27 300 t。

2 施工特點

圖1 E1商業(yè)中心與軌交2號線的相對位置

E1商業(yè)中心鋼結(jié)構(gòu)施工環(huán)境非常復(fù)雜，存在多專業(yè)、多標(biāo)段、不同工程綜合立體交叉施工的情況。施工時，軌交2號線出入口改造也在同步進(jìn)行。軌交運(yùn)營方對于地鐵上方加蓋鋼結(jié)構(gòu)非常重視，提出軌交區(qū)間內(nèi)施工荷載不得大于20 kN/m2，同時加強(qiáng)了軌交區(qū)間線路沉降監(jiān)測，要求施工期間累計沉降值小于10 mm。本工程在軌交區(qū)間上方建造大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)，在國內(nèi)尚為首例。由于軌交車站區(qū)間、盾構(gòu)區(qū)間對受力非常敏感，采用常規(guī)施工工藝顯然無法應(yīng)對，必須提出和實施一種能精確控制施工荷載值，以確保地鐵在施工期間安全并正常運(yùn)營的施工方案[1]。

3 大跨度鋼結(jié)構(gòu)伺服施工技術(shù)

伺服技術(shù)廣泛應(yīng)用于機(jī)電行業(yè)的自動化控制系統(tǒng)中，能通過外部參數(shù)的設(shè)置精確調(diào)整相對應(yīng)的參數(shù)和指令。通過運(yùn)用油壓泵壓力系統(tǒng)和計算機(jī)同步控制系統(tǒng)交互作用，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)施工的參數(shù)化、自動化。這一技術(shù)已逐步應(yīng)用于大跨度、大空間鋼結(jié)構(gòu)施工中，總結(jié)出了一系列新型施工技術(shù)：整體提升法、整體頂升法、滑移法、攀達(dá)穹頂法、折疊展開法、恒力支撐法、彈性支撐法等。

恒力支撐系統(tǒng)區(qū)別于傳統(tǒng)的剛性支撐，該系統(tǒng)通過液壓千斤頂油壓系統(tǒng)和計算機(jī)控制系統(tǒng)相結(jié)合，通過計算機(jī)參數(shù)化指令確保液壓千斤頂油壓為某一恒定值。當(dāng)作用于恒力支撐上的軸力小于恒定值時，千斤頂?shù)膭偠葻o窮大，基本沒有伸縮量；當(dāng)作用于恒力支撐上的軸力大于恒定值時，千斤頂處于保壓狀態(tài)，剛度變?yōu)榱悖Ы镯斪詣踊乜s，軸力降低至恒定值。

恒力支撐系統(tǒng)由4部分組成：PC人機(jī)交互系統(tǒng)，PLC控制系統(tǒng)，油壓泵壓力系統(tǒng)和鋼支撐系統(tǒng)。

恒力支撐法是一種利用伺服控制系統(tǒng)控制支撐軸力為恒定值的施工方法，該方法通過控制支撐軸力值來確保傳遞至基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的力不會對基礎(chǔ)產(chǎn)生破壞（圖2）。

圖2 恒力支撐伺服技術(shù)原理

結(jié)合軌交區(qū)間上方加蓋大跨度鋼結(jié)構(gòu)的特殊施工環(huán)境的要求，恒力支撐法能有效地控制支撐軸力，達(dá)到保護(hù)軌交區(qū)間的最終目的[2,3]。

4 E1商業(yè)中心跨軌交區(qū)間加蓋技術(shù)

E1商業(yè)中心一共分成4個區(qū)：一區(qū)、三區(qū)為非轉(zhuǎn)換區(qū)；二區(qū)、四區(qū)為轉(zhuǎn)換區(qū)，位于軌交區(qū)間正上方，跨度分別為83 m、117 m。為確保軌交的正常運(yùn)營，轉(zhuǎn)換區(qū)鋼結(jié)構(gòu)采用2臺大型履帶吊分別停機(jī)在軌交區(qū)間安全控制線以外，跨外對稱綜合安裝。從兩邊往中間合攏，豎向支撐采用恒力支撐控制軸力，并通過路基箱擴(kuò)散傳遞至軌交區(qū)間頂板。

E1商業(yè)中心總體施工流程如下：

1）一區(qū)、三區(qū)非轉(zhuǎn)換區(qū)采用大型履帶吊自下而上節(jié)間綜合安裝；

2）二區(qū)、四區(qū)轉(zhuǎn)換區(qū)在軌交區(qū)間上方設(shè)置恒力支撐，從兩邊往中間合攏4層以下結(jié)構(gòu)；

3）4層以下節(jié)間合攏，形成結(jié)構(gòu)自身剛度；

4）利用已形成的4層節(jié)間剛度，自下而上安裝5～8層鋼結(jié)構(gòu)，恒力支撐整體卸載。

5 恒力支撐施工有限元施工模擬分析

1）首先通過Midas有限元分析軟件建立E1商業(yè)中心鋼結(jié)構(gòu)整體模型，定義邊界條件及荷載。

2）定義各施工階段、施工階段結(jié)構(gòu)組、邊界組、荷載組。

恒力支撐布置如圖3所示，車站區(qū)間恒力值設(shè)定為1 200 kN，盾構(gòu)區(qū)間恒力值設(shè)定為800 kN。通過2塊2.40 m×6.00 m路基箱擴(kuò)散，考慮1.50 m覆土，車站區(qū)間支撐軸力荷載值為19 kN/m2，盾構(gòu)區(qū)間支撐軸力荷載值為13 kN/m2，均小于設(shè)計允許荷載值20 kN/m2。

圖3 恒力支撐布置

結(jié)構(gòu)合攏后，恒力支撐分階段同步卸載，卸載工況如表1所示。

表1 卸載工況

通過Midas有限元分析軟件分階段施工模擬分析，可以較準(zhǔn)確地反應(yīng)恒力支撐法施工各個階段的結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變。限于篇幅，僅以匯總表表述主要參數(shù)值（表2）。

表2 各施工階段應(yīng)力、應(yīng)變匯總

如表2所示，采用恒力支撐法施工，大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)最終變形狀態(tài)均向外扭轉(zhuǎn)，豎向最大變形值達(dá)119 mm，水平向最大變形值達(dá)36 mm，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力達(dá)209 MPa，與設(shè)計值相近。

該施工方案能有效地控制結(jié)構(gòu)施工過程中的變形情況，施工精度、質(zhì)量易于保障。恒力支撐法施工能大大提高施工效率。通過伺服控制系統(tǒng)，不但能很好地控制恒力千斤頂反力，同時也能實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的分階段同步卸載。該施工方案適用于軌交區(qū)間這種對施工荷載需嚴(yán)格控制的施工環(huán)境，通過對荷載、位移的實時調(diào)控，能有效地確保軌交安全及正常運(yùn)營[4-6]。

6 結(jié)語

國展E1商業(yè)中心跨軌交區(qū)間大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工采用基于伺服施工技術(shù)的恒力支撐施工方法，該施工方法是一種能精確控制支撐軸力，同時確保支撐同步卸載的方案。該施工技術(shù)能實時反映支撐軸力、支座位移，并對以上參數(shù)進(jìn)行實時調(diào)控，真正實現(xiàn)了機(jī)械化、參數(shù)化、自動化、高精度施工，在特殊施工環(huán)境中有著傳統(tǒng)施工技術(shù)無法比擬的優(yōu)勢。伺服施工技術(shù)在該工程中得以成功應(yīng)用主要基于以下原因[7,8]：通過對結(jié)構(gòu)卸載變形過程的監(jiān)測，保證了結(jié)構(gòu)卸載過程的應(yīng)力、應(yīng)變均滿足設(shè)計要求；同時針對軌交區(qū)間進(jìn)行軌交沉降長期監(jiān)測，保證了軌交在結(jié)構(gòu)施工階段累計沉降值小于10 mm，滿足設(shè)計要求。