大跨度拱形鋼管桁架屋蓋滑移安裝技術(shù)

宋秀英

摘 要：呼和浩特汽車客運東樞紐站綜合站務樓屋蓋采用大跨度拱形鋼管桁架結(jié)構(gòu)。由于拱形桁架跨度大、重心高、混凝土拱墩占據(jù)位置大、塔吊不宜布置等特點，通過對散拼分段吊裝和整理滑移安裝技術(shù)的研究分析，確定了采用“構(gòu)建工廠加工制作、現(xiàn)場拼裝滑移單元、整體頂進滑移安裝”的施工技術(shù)。重點介紹了大跨度鋼管拱滑移安裝整體思路、分段拼裝、滑移安裝等施工工藝。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)；拱形桁架；屋蓋；滑移安裝；施工技術(shù)

中圖分類號：U446 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）18-0001-04

1 概 述

大跨度鋼管桁架結(jié)構(gòu)廣泛應用在各類大型車站、體育場館、機場候機樓等重要公共設(shè)施，隨著大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)應用的蓬勃發(fā)展，其施工工藝和安裝技術(shù)也在不斷創(chuàng)新和提高，常規(guī)的桁架分段吊裝技術(shù)在一些特殊工程或特殊施工環(huán)境下已無法滿足施工需求。本文以呼和浩特汽車客運東樞紐站綜合站務樓屋蓋施工，介紹大跨度拱形鋼管桁架滑移安裝技術(shù)，為今后同類工程施工提供參考。

2 工程概況

呼和浩特汽車客運東樞紐站綜合站務樓，建筑面積26 912 m2，建筑總高度22.55 m，地下一層，地上二層（局部設(shè)夾層），總長168 m，跨度108 m。屋蓋為大跨度鋼管拱結(jié)構(gòu)（鋼管拱為φ1200×20高結(jié)鋼鋼管，定位半徑為93 m），共有18榀鋼管桁架組成，每榀鋼管桁架之間采用變截面H型鋼梁連接，每2榀連成一個拼裝單元，共形成9個拼裝單元，如圖1所示。

每個拼裝單元之間采用折形變截面H型組合鋼梁連接，折點相貫焊在圓鋼管上，作為面外支撐體系，如圖2所示。屋蓋總用鋼量為1 450 t。

屋蓋主拱鋼管桁架跨度為72.518 m，布置在7軸和14軸區(qū)域，鋼管拱腳伸入拱形鋼筋混凝土拱柱內(nèi)，形成屋蓋整體架構(gòu)體系，如圖3所示。

3 工程特點及難點

①加工精度控制難。 由于本工程主拱用材料為Q345C材質(zhì)的高建鋼，管徑達1 200 mm，并且需彎弧加工，因此加工難度極大。

②安裝技術(shù)難度大。在鋼結(jié)構(gòu)安裝施工中，土建單位的主體施工仍未完成，同時伴有裝修的交叉施工，為此鋼結(jié)構(gòu)安裝施工時必須保證不對其他施工造成較大的干擾，屋蓋鋼管拱分段吊裝施工技術(shù)無法滿足現(xiàn)場需要，最終選擇的滑移安裝施工是本工程的控制難點和重點。

③焊接量大且要求。本工程屋蓋鋼結(jié)構(gòu)多數(shù)為鋼接節(jié)點，且由于構(gòu)建體量大，必須在現(xiàn)場進行拼裝，焊縫質(zhì)量要求標準高，焊接施工是本工程的重點之一。

④支撐系統(tǒng)的設(shè)置及使用要求高。本工程鋼結(jié)構(gòu)安裝需要設(shè)置支撐系統(tǒng)，由于結(jié)構(gòu)重量極重，同時安裝高度較高，支撐系統(tǒng)的設(shè)置和使用要求非常高。

⑤施工安全控制難度大。本工程有大量的高空現(xiàn)場焊接，現(xiàn)場焊接的火花控制很重要；同時由于本工程最大高度46m，高空作業(yè)是本工程安全控制的重點之一。

4 總體思路

4.1 整體設(shè)想

每榀鋼管桁架之間采用變截面H型鋼梁連接，每2榀連成一個拼裝單元，18榀鋼管桁架共組成9個拼裝單元?，F(xiàn)場施工以2個拼裝單元為一個滑移組，共組成4個滑移組，分四次滑移到位（共完成16榀鋼管桁架滑移），最后一個拼裝單元（2榀鋼管桁架）在拼裝胎架上拼裝、卸載和安裝，完成屋蓋鋼管拱桁架安裝。

4.2 施工區(qū)域劃分

根據(jù)工程特點，將本工程鋼結(jié)構(gòu)劃分為兩個施工區(qū)域，第一個區(qū)域為拼裝區(qū)域；第二個區(qū)域為滑移安裝區(qū)域。分區(qū)布置圖，如圖4所示。

4.3 滑移方案要點

①根據(jù)結(jié)構(gòu)體系的布置特點，擬采用縱向A-d軸線155.9 m范圍內(nèi)鋼拱結(jié)構(gòu)進行液壓同步累積2個拼裝單元組成1個滑移組進行滑移施工，A軸以東和d軸以西懸挑部位屋蓋鋼結(jié)構(gòu)采用高空原位拼裝。

②在南側(cè)C和A軸線鋼結(jié)構(gòu)屋蓋下設(shè)置臨時支撐架，如圖5所示，采用履帶吊高空原位散件，拼裝成一個標準拼裝單元，如圖6所示，完成后在鋼管拱下之間設(shè)置鋼絞線。在7軸和14軸設(shè)置滑移軌道，軌道采用鋼柱支撐，鋼柱采用側(cè)向剛性拉桿保持側(cè)向穩(wěn)定性，鋼管拱滑移單元經(jīng)焊接探傷合格后進行卸載，然后作為第一個拼裝單元向前滑出。

③第一個拼裝單元滑移到位后暫停滑移（滑移18.0 m，相鄰兩單元間距），按照第一個單元拼裝方法，開始拼裝第二單元鋼拱結(jié)構(gòu)，拼裝完成后卸載，再安裝第一和第二單元之間的折形變截面H型鋼組合梁，如圖7所示，焊接完成后繼續(xù)推動第一單元向前滑移，此時將帶動第二單元向前滑出。將2個拼裝單元滑移到設(shè)計指定位置。分別滑移四次，最后一個拼裝單元不用滑移直接卸載安裝就位，完成鋼結(jié)構(gòu)屋蓋安裝。

④鋼管拱結(jié)構(gòu)拼裝單元組滑移到設(shè)計位置（鋼拱管柱腳連同滑移組一起）后，交與土建捆扎鋼筋、支模、澆筑混凝土，待柱腳混凝土強度達到100%后。（同時土建需對4根預應力張拉索的其中2根進行張拉。）對鋼拱管進行混凝土澆筑，混凝土鋼拱管的混凝土強度達到100%后，進行鋼絞線、滑移、臨時措施的拆除，同時安裝東西方向兩側(cè)懸挑鋼構(gòu)件。

5 施工工藝

5.1 施工準備

5.1.1 測量放線

根據(jù)該工程的幾何形狀，建立測量控制網(wǎng)，每個控制網(wǎng)的基準點距離30～50 m，以確保測量精度及分區(qū)吊裝的要求。

基準網(wǎng)的邊長精度及平面封閉角精度必須滿足邊長精度1/15 000，封閉角精度應滿足±10 "。

結(jié)合平面特點，建立豎向高程基準點，組成閉合水準網(wǎng)。

5.1.2 吊機準備

依據(jù)結(jié)構(gòu)特點和吊機起重性能，鋼管拱分6段進行吊裝，分段位置設(shè)置臨時支撐架，采用120 t履帶吊將分段鋼管吊裝至高空進行拼裝。履帶吊站位在A軸南側(cè)。

吊重分析。由鋼管拱分段可知，最大分段重量為7.1噸，選擇吊裝最不利構(gòu)件進行分析，履帶吊站位在距離C軸線20 m處，吊裝時取吊裝半徑為20 m，采用1臺120 t帶副臂履帶吊進行吊裝滿足吊裝要求。

5.1.3 鋼管拱分段

根據(jù)深化設(shè)計及吊機起重性能，將72 m鋼管（截面φ1 200×20 mm）拱分成6段，采用履帶吊車吊裝至高空組拼，分段位置及各分段重量，如圖8所示。

5.2 拼裝胎架安裝

5.2.1 拼裝胎架設(shè)計要求

①拼裝胎架設(shè)置應避開主拱節(jié)點位置，滿足焊工的施焊空間。為了便于結(jié)構(gòu)的滑移，胎架的位置須避免與結(jié)構(gòu)滑移時碰撞，選定在二層最東邊一跨做為拼裝胎架位置。

②拼裝胎架必須保證有足夠的剛度和穩(wěn)定性，拼裝中每一個拼裝段必須形成穩(wěn)定體系結(jié)構(gòu)，兩端應設(shè)置人字撐地桿進行加固。

③在組裝平臺上劃出鋼管端面定位線、中心線及分段長度位置線，作為結(jié)構(gòu)拼裝驗收的依據(jù)。

④臨邊四周間隔3 m設(shè)置φ48 mm高度1.5 m鋼管立柱，立柱頂部固定生命線。在東南側(cè)設(shè)置爬梯一副。

5.2.2 拼裝胎架受力計算（采用midas8.0計算軟件）

其一，荷載情況。

①恒荷載：自重（D）—由程序自動計算，考慮1.05倍自重系數(shù)；

②活荷載：結(jié)構(gòu)傳給支撐架荷載（L）按midas計算最大反力考慮，如圖9所示，考慮200 mm的偏心。

荷載組合：COMB—1.2D+1.4 L（承載能力極限狀態(tài)）。

其二，變形情況。如圖10所示。

其三，應力情況。如圖11所示。

根據(jù)計算結(jié)果可知，支撐架構(gòu)件最大應力比為0.27，發(fā)生在支撐柱上，受力滿足規(guī)范要求。

5.3 主拱管拼裝

5.3.1 拼裝流程

彈線→胎架搭設(shè)→找平校正→構(gòu)件清理→桿件拼裝→焊前預熱→桿件焊接→焊后處理→無損探傷→尺寸檢查

5.3.2 拼裝方法

第一步：在地面平臺上，劃出拱架管中心線及輪廓線的投影線。拱的長度方向，按每個節(jié)點預放2 mm的焊接收縮余量放線，寬度方向不放收縮余量。

根據(jù)放線尺寸，按主桁架每個節(jié)點間設(shè)兩個支撐架的原則，設(shè)立弧形胎架及模板，胎架高度應便于全位置焊接，胎架距節(jié)點中心約800 mm，以不影響腹桿的裝焊。

現(xiàn)場拼裝過程中，先定出端部一個節(jié)點位置的空間三維坐標，定其為原點O（0，0，0），然后測出另一個端部節(jié)點的三維坐標，據(jù)此，結(jié)合圖紙尺寸和定位，定出其余節(jié)點相對坐標。

第二步：依次安裝兩段平行的一號主拱。

第三步：將拱管間的H型鋼連系梁安裝就位。

按照此方法將其后的剩余拱管及聯(lián)系鋼梁安裝完成。

5.4 鋼管拱加載預應力

為保證鋼拱就位前保持設(shè)計狀態(tài)，拼裝過程中須設(shè)置張拉索，張拉步驟簡述：

①鋼拱在支撐架上安裝完成后，將張拉設(shè)備安裝到位；

使用5 MP壓力（約6 t力）將張拉索收緊；

②將1、1a處支撐架拆除；

③拆除后鋼拱會向兩側(cè)略微下?lián)?，測量鋼拱下?lián)现担⒉僮鲝埨O(shè)備將鋼拱張拉至卸載前狀態(tài)（參考壓力20 t）；

④張拉完成后繼續(xù)拆除2、2a處支撐架，測量鋼拱下?lián)现担⒉僮鲝埨O(shè)備將鋼拱張拉至卸載前狀態(tài)（參考壓力35 t）；

⑤繼續(xù)張拉，使張拉力達到60 t，張拉過程中注意觀察拱腳，以拱腳微微向內(nèi)收縮為宜。（3、3 a拆除時鋼拱變形較大，需提前張拉）；

⑥拆除3、3a支撐架；

⑦測量拱腳位置位移，調(diào)整張拉設(shè)備使鋼拱處于設(shè)計狀態(tài)（參考壓力70 t）；

⑧鋼拱滑移到位后，待兩側(cè)混凝土墩強度達到要求后再拆除張拉索。

5.5 鋼管拱滑移施工

本工程中采用液壓同步頂推滑移的施工工藝。選用步進式液壓頂推器，是一種通過后部頂緊，主液壓缸產(chǎn)生頂推反力，從而實現(xiàn)與之連接的被推移結(jié)構(gòu)向前平移的專用設(shè)備。此設(shè)備的反力結(jié)構(gòu)利用滑道設(shè)置，省去了反力點的加固問題。

液壓頂推器與被推移結(jié)構(gòu)通過銷軸連接，傳力途徑非常直接，啟動過程中無延時，動作精確度好。由于其反力點為步進頂緊式接觸，不會在滑移過程中產(chǎn)生相對滑動，所以同步控制效果更好。步進式的工作過程，使得同步誤差在每個行程完成后自然消除，無累積誤差，同步精度很高。

5.5.1 滑移軌道布置

滑移軌道結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)滑移過程中，起到承重、導向和橫向限制支座水平位移的作用。屋面滑移施工共設(shè)置2條通長滑道，分別設(shè)置于7軸和14軸，單條滑道長度約為160 m。軌道梁選用焊接H型鋼，材質(zhì)Q345B，截面規(guī)格為：H700×300×14×24 mm。滑移軌道選用16 a熱軋槽鋼，材質(zhì)為Q235B，利用滑移軌道的側(cè)擋板與軌道梁固定。軌道的側(cè)擋板采用規(guī)格為-20×40× 150 mm的鋼板，在滑移軌道兩側(cè)對稱設(shè)置，間距為450 mm，起到對槽鋼翼緣加固、以及抵抗滑移支座處可能側(cè)向推力的作用。

第1、2個拼裝單元為第一滑移組，第3、4拼裝單元為第二滑移組，第5、6拼裝單元為第三滑移組，第7、8拼裝單元為第四滑移組，第9拼裝單元不需要滑移。每個滑移組整體滑移時，在每條滑道設(shè)置1組頂推點，頂推點分別設(shè)置在第1、3、5、7拼裝單元桁架支撐柱柱腳處，每個頂推點設(shè)置1臺YS-PJ-50型液壓頂推器，單個滑移組共計配置2臺液壓頂推器?；兰绊斖泣c布置，如圖12和圖13所示。

側(cè)擋板與槽鋼軌道及預埋件連接采用焊接連接，單塊側(cè)擋板所承受的頂推反力為500÷4=125 kN。焊縫設(shè)計高度hf= 10 mm時，焊縫設(shè)計強度：

N=？滓×0.7hf×lw=160×0.7×10×（150-2×10）=150 kN

滿足設(shè)計要求。

5.5.2 動力設(shè)備驗算

摩擦力F=滑靴在結(jié)構(gòu)自重作用下豎向反力×1.05×1.2×0.15（滑靴與滑軌之間的摩擦系數(shù)為0.13～0.15，偏安全考慮取摩擦系數(shù)為0.15，1.2為摩擦力的不均勻系數(shù)，1.05為動荷載系數(shù)）。本工程中滑移最大重量約為260 t（每兩個拼裝單元為一個滑移組），則滑移所需的最大頂推力為：

F=260×1.05×1.2×0.15=50 t

根據(jù)以上計算，并依據(jù)滑移經(jīng)驗，本工程中每個滑移組設(shè)置2臺YS-PJ-50型液壓頂推器，每條軌道上布置一臺。單臺YS-PJ-50型液壓頂推器的額定頂推驅(qū)動力為50 t，則總頂推力為100 t>50 t，能夠滿足滑移施工的要求。

5.5.3 滑移施工方法

其一，施工流程，如圖14所示。

其二，滑移過程控制要點：

①在一切準備工作做完之后，且經(jīng)過系統(tǒng)的、全面的檢查無誤后，現(xiàn)場滑移作業(yè)總指揮檢查并發(fā)令后，才能進行正式進行滑移作業(yè)。

②在液壓滑移過程中，注意觀測設(shè)備系統(tǒng)的壓力、荷載變化情況等，并認真做好記錄工作。

③在滑移過程中，測量人員應通過鋼卷尺配合測量各牽引點位移的準確數(shù)值，以輔助監(jiān)控滑移單元滑移過程的同步性。

④滑移過程中應密切注意滑道、液壓頂推器、液壓泵源系統(tǒng)、計算機控制系統(tǒng)、傳感檢測系統(tǒng)等的工作狀態(tài)。

⑤現(xiàn)場無線對講機在使用前，必須向工程指揮部申報，明確回復后方可作用。通訊工具專人保管，確保信號暢通。

6 滑移安裝施工技術(shù)優(yōu)點

①屋蓋采取單元累計滑移法施工，避開了與下部結(jié)構(gòu)立面交叉施工、吊裝機械無法進入或無法輻射等問題。

②兩條軌道滑移設(shè)備通過計算機同步控制，在滑移推進過程中，各榀鋼管拱的同步滑移姿態(tài)平穩(wěn)，滑移同步控制精度高。

③滑移推進力均勻，加速度極小，在滑移的起動和停止工況時，屋蓋鋼結(jié)構(gòu)不會產(chǎn)生不正常抖動現(xiàn)象。

④操作方便靈活、安全可靠，牽引就位精度高。

⑤可大大節(jié)省機械設(shè)備、勞動力、支撐措施等資源。

7 結(jié) 語

目前，此工程的施工已完成。對于現(xiàn)場交叉作業(yè)多、吊裝機械無法進入或無法輻射的情況下，采用構(gòu)件分段拼裝后整體單元滑移施工技術(shù)，有效解決了上述施工難題，施工精度高，操作方便靈活，節(jié)省機械設(shè)備和勞動力投入，解決了交叉作業(yè)難題，達到了提高施工效率，降低成本投入的良好效果。

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