鋼結構施工在A330寬體飛機天津總裝線工程中的應用

劉鳳成

摘 要：2016年，我公司承建了A330寬體飛機天津總裝線工程，對其大跨度鋼結構工業(yè)廠房的結構設計進行了較大創(chuàng)新，要求施工單位具有結構內力、變形分析的能力。傳統(tǒng)粗放型的見圖施工的方式已經在本工程中無法實行，我們通過科學嚴謹?shù)挠嬎惴治?，精確控制鋼結構施工每一步中的應力與變形，高質量完成了鋼結構工程的施工，滿足了設計方對于內力調整的施工要求。下面以A330工程中的100號完成中心為例進行說明。

關鍵詞：鋼結構施工；技術創(chuàng)新；寬體飛機；桁架組對

中圖分類號：F416.5 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.23.100

1 工程概況

完成中心位于A330廠區(qū)內，由客艙裝飾機庫、工作組機庫形成三連跨鋼排架結構，跨度222 m，進深84 m。

工作組機庫跨度78 m，客艙裝飾機庫1&2跨度均為72 m，結構最高處標高+28.000，屋架下弦標高+21.000 m。屋架下弦為直線，上弦為弧線形，下弦標高+21.000 m，上弦標高+23.000～+28.000 m，端部矢高2 m，跨中矢高7 m，與鋼柱連接為剛性連接。

2 大跨度屋架剛度較弱時的施工方案

本工程設計方通過優(yōu)化及創(chuàng)新設計方案，結構的自重大大降低，例如72 m跨度的鋼屋架僅重約31 t，單榀屋架的剛度很弱。對于施工方來說，傳統(tǒng)的單榀吊裝將會遇到屋架是否會失穩(wěn)的問題，這一問題必須通過嚴格的內力計算和吊點設計才能解決。

2.1 方案制訂流程

方案制訂流程為：①采用MIDAS/GEN分析軟件或其他結構分析軟件進行吊點設計。通過吊點的位置設計，使得屋架上弦受壓盡量較?。ɡ硐肭闆r為原設計承載力的1/10），同時下弦兩端受壓，而中部大部分桿件受拉。②獲得鋼屋架吊裝內力軸力數(shù)值。③進行桁架上下弦桿的穩(wěn)定計算。計算時，截面取最小截面，上弦計算考慮為多跨等長（本工程為三跨），采用實際最大長度為標準跨長度。④應力比的控制。我公司為0.6（考慮現(xiàn)場各種不利影響），當天氣很好時，可以采用0.8的作為控制值。⑤如果發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定問題，應考慮重新布置吊點調整結構內力，并重復步驟1～4.

2.2 屋架吊裝上下弦穩(wěn)定分析

2.2.1 屋架上弦的吊裝穩(wěn)定分析

完成中心72 m跨鋼屋架為雙機抬吊裝施工。鋼屋架的吊裝主要是面外穩(wěn)定問題。

在鋼屋架吊裝中，由于沒有任何上下弦桿支撐的作用，所以上下弦桿、腹桿互相之間對側向抗彎剛度的影響比較弱，從安全考慮一般不計這種影響，僅作為安全儲備。

實際上，鋼屋架在吊裝過程中是存在一個確定的面外支撐作用的，這就是吊裝使用的鋼絲繩。當鋼絲繩橫向擺動離開原位置，與原位置距離為d時，必然產生一水平的恢復力F。

鋼絲繩對鋼屋架的面外支撐力與水平擺動距離d成正比，

可將這一作用考慮為剛度為k的彈簧， . 在得到剛度k后

可以根據所得內力及穩(wěn)定原理進行吊裝時的穩(wěn)定分析。內力采用MIDAS/GEN有限元結構分析軟件進行計算。

根據上述72 m跨鋼絲繩受力分析可知鋼絲繩內力約為100 kN，鋼絲繩繩長17 m，則當鋼絲繩面外橫向擺動時，k=5.9 kN/m。上弦桿取最小截面為H400×400×10×18，最大間距l(xiāng)=24 m，根據彈性穩(wěn)定理論，當彈簧剛度足夠大時，桿件軸壓承載力為：

將相關數(shù)據帶入公式（1）中得 .

實際彈簧剛度為 .

N為實際最大承載力。

根據上文內力分析可知，上弦最大壓力為53 kN，考慮彎矩等不利影響，乘以1.2的系數(shù)為64 kN，應力為0.46<0.6，滿足吊裝安全要求。

2.2.2 鋼屋架下弦桿吊裝穩(wěn)定驗算

大跨度鋼屋架下弦桿由于不存在任何側向支撐，所以應在吊點設計時控制下弦桿內力盡量為拉桿。由于施工中很少將屋架端部設為吊點，所以在兩端會存在一定的壓力，這種兩端受壓中間受拉的屋架下弦桿件可以進行穩(wěn)定分析。

同樣以A330工程72 m鋼屋架吊裝為例，受壓端長度為9 m，壓力取大值為19.9 kN，中間受拉長度48 m，拉力平均值為19.4 kN。

對下弦平面完全不設支撐的三段式（壓拉壓）軸心受力桿件的進行驗算：

將相關數(shù)據代入公式（2）中得 .

計算長度μl=38 m，按照鋼結構穩(wěn)定理論可知，當下弦承受軸心壓力面外失穩(wěn)時，最大受壓承載力為121 kN（根據《鋼結構設計規(guī)范》計算），下弦吊裝中最大壓力為19.9 kN，考慮彎矩影響乘以1.2，則應力比為0.2<0.6，滿足要求。

3 預變形技術

安裝本工程的排架時，要求采用下弦與鋼柱連接節(jié)點連接分離的兩階段安裝方式調整內力分布。

第一階段：排架上弦與柱鉸接，下弦不連接。

第二階段：排架在自重下完成變形，剛接上下弦與鋼柱的連接節(jié)點。

這是設計方施工的要求，目的是將排架端部負彎矩向跨中轉移，降低端部桿件軸力，避免截面突變的問題。

3.1 施工難點

對于桁架，一般的施工方法是在安裝時將上弦、下弦、腹桿與鋼柱的連接節(jié)點全部連接，然后讓桁架在自重荷載下進行內力分布。這樣可以通過吊點、鉤頭的不同位置對桁架安裝內力進行調整，從而保證桁架與鋼柱連接段的各個桿件變形非常微小，從而保證了藍圖、制作、安裝的尺寸一一對應。

而在兩階段安裝方法中，下弦節(jié)點的安裝是在桁架自重下內力重分布之后，所以桁架必然產生變形，而對于大跨度桁架，這種變形會更大，往往造成按照藍圖制作的連接節(jié)點無法安裝。所以桁架藍圖、制作、安裝的尺寸不是一一對應的，必須通過科學的變形分析，將這三個尺寸統(tǒng)一起來。

3.2 解決措施

為了將三個尺寸統(tǒng)一起來，必須對屋架預變形，步驟為：①分析桁架在不連接下弦的情況下的變形數(shù)值，以藍圖尺寸為準，計算桁架在端頭需進行的預變形數(shù)值；②對比桁架起拱值，將兩種變形值進行對比、包絡，形成最終桁架預變形圖；③桁架采用整體偶配組對的方式進行工廠、現(xiàn)場的預拼裝，從而將圖紙、制作、安裝的桁架尺寸統(tǒng)一起來。

3.3 桁架預變形分析

桁架變形分析采用的理論是由虛功原理發(fā)展而來的圖乘法，具體內容不再詳述。由于此方法對于大跨度桁架來說手算量過大，所以采用同樣原理的結構計算軟件midas/gen進行變形分析。

建模分析結果為：與下弦節(jié)點相連的桿件兩端下?lián)戏謩e為-6.6 mm、-12.8 m。

從上得知，只要第二根桿件兩端起拱為6.6 mm和12.8 mm就可以解決問題。根據這兩個點的數(shù)值推算整體起拱線。這里由于端部在第二階段安裝，所以未安裝部分的起拱均為0.

本工程要求的設計中間起拱為100 mm，推算的中間起拱為75 mm，不符合設計要求。

我們需要補償25 mm的起拱值，但不是所有節(jié)點都補償，方法為中間點起25 mm，然后拉線直到端點，得到每個點的附加起拱值（全屋架起拱，包括未安裝段），然后與預變形起拱值相加，得到最終起拱值。第一點的起拱值為6.6+2=8.6 mm，以此類推第二個節(jié)點起拱為12.8+4=16.8 mm，中間起拱為75+25=100 mm，滿足設計要求，同時保證端部準確連接。

3.4 桁架組對方法

對于桁架的組對，我們采用bim技術進行模擬，在組隊前預控了定位點的位置和組對順序，大大提高了效率。

桁架組對方法為：①在組對平臺上確定測量基準點，將屋架進行1∶1放樣（包括起拱）出所有屋架弦、腹桿節(jié)點的位置。②將鋼柱柱頭放入組對平臺的準確位置。③將弦桿分段裝入胎具，由柱端向中間依次定位各段屋架上下弦桿，進行屋架整體起拱、找形，定位完成后點焊弦桿對接焊縫。這里下弦柱牛腿不裝入拼裝胎具。④將腹桿裝入屋架，腹桿的定位點與放樣定位點一一對應，然后以實際情況對腹桿端頭尺寸進行調整，最后點焊與弦桿的焊縫固定腹桿，完成腹桿拼裝。⑤拼裝屋架與鋼柱上弦節(jié)點，將鋼柱與屋架連接，根據實際尺寸制作鋼柱、上弦桿連接板和錨栓孔，并插入安裝螺栓定位。檢驗合格后進行成品焊接。⑥焊接完成后對屋架尺寸進行復測，如果不合格，則要進行調整。合格后，實測下弦節(jié)點區(qū)間的長度，然后根據相關計算數(shù)據制作下弦節(jié)點。⑦屋架制作完成后，在屋架運輸分段線兩側各250 mm的位置標出定位點，采用全站儀測量各個定位點的數(shù)據，將此數(shù)據發(fā)至施工現(xiàn)場用于現(xiàn)場組對，從而將工廠制作尺寸與現(xiàn)場拼裝尺寸一一對應起來。

4 結束語

通過A330寬體飛機天津總裝線鋼結構工程的施工，我們可以看出，建筑行業(yè)正由粗放型施工向精細化施工轉型，沒有技術能力的企業(yè)將無法完成類似工程的施工。在目前行業(yè)轉型的大潮下，有限元分析、bim技術、建筑產業(yè)化等無一不對建筑企業(yè)的技術能力提出高要求，我們只有腳踏實地地鉆研技術，并將其轉化為真正的生產力，才能在未來的建筑市場中占有一席之地。

〔編輯：王霞〕