大跨度空間結構整體液壓提升技術

陳　慶, 蔣曉洪

(中國五冶集團有限公司, 四川成都 610063)

計算機控制液壓同步提升技術是一項新穎的構件提升安裝施工技術，它采用柔性鋼絞線承重、提升油缸集群、計算機控制、液壓同步提升原理，結合現代化施工工藝，將成千上萬噸的構件在地面拼裝后，整體提升到預定位置安裝就位，實現大噸位、大跨度、大面積的超大型構件高空整體同步提升。

計算機控制液壓同步提升技術的核心設備采用計算機控制，可以全自動完成同步升降、實現力和位移控制、操作閉鎖、過程顯示和故障報警等多種功能，是集機、電、液、傳感器、計算機和控制技術于一體的現代化先進施工設備。

1　工程概況

南充博物館為大型綜合性博物館，建設內容主要包括藏品用房、陳列展覽用房、技術及管理用房、觀眾服務設施用房以及設備配置等，項目占地面積為38 119 m2，建筑面積為49 157 m2(圖1、圖2)。

圖1　建筑整體效果

圖2　鋼結構整體效果

地上四層，地下一層，地下局部設有夾層，采用鋼筋混凝土筒體-鋼桁架-鋼筋混凝土框架組成的混合結構體系，建筑高度31.2 m。

二層設有局部懸挑桁架；三層樓面以上由四個鋼筋混凝土筒體支承八榀主鋼桁架形成的屋蓋鋼結構,主鋼桁架凈跨度約40 m，外挑約15～17 m。主桁架材質為Q420B，鋼桁架最大高度9.1 m。

核心筒共計有四個，采用型鋼混凝土結構，核心筒鋼柱采用□400×400×50箱型鋼骨柱，材質Q345B，鋼骨柱外裹C40混凝土。

鋼屋蓋在-6.75 m標高中風化泥巖上整體拼裝，然后整體提升。桁架提升到設計標高位置后，連接桁架上、下弦及桁架腹桿等，待連體桁架結構形成受力體系后，再安裝其它結構。提升時一次提升到位，提升高度約28 m。桁架屋蓋平面投影94.6 m×99.4 m，高度9.1 m。該桁架提升總重7 800 t(圖3、圖4)。

圖3　施工效果

圖4　施工實照

2　整體提升施工工藝

2.1　整體提升流程

整體提升流程見圖5。

圖5　整體提升流程

2.2　提升點布置

桁架提升點布置在四個核心筒四周主桁架上弦桿，共布置32個提升點，每個提升點布置1臺350 t油缸。每個核心筒頂布置2臺液壓泵站，共計8臺，流量為80 L/min(圖6～圖8)。

圖6　提升布置

圖7　液壓泵站

圖8　液壓油缸

2.3　提升點設計

提升上吊點設置于柱頂提升架上，下吊點設置于桁架上弦桿上，提升耳板對應桁架內部設置加筋板(圖9)。

結構整體應力較小，模擬計算最大變形為2.93 mm。結構滿足強度及變形要求。

圖9　提升上吊點效果

圖10　提升點受力分析一

下吊點效果圖模擬計算最大變形為0.98 mm，對周圍混凝土結構影響較小，結構滿足強度及變形要求(圖11)。

圖11　提升點受力分析二

模擬計算結構整體應力較小，最大變形為1.66 mm。結構滿足強度及變形要求(圖12)。

圖12　提升點受力分析三

2.4　提升支架設計

利用核心筒頂部專業(yè)設計的鋼結構提升架作為提升吊點提升屋蓋主桁架。每個核心筒設置8個提升吊點，同時提升縱向和橫向主桁架結構。提升桁架高度為3.5 m，長度13 m，兩端各懸挑3 m，主要由H型及箱型截面構成，材質Q345B(圖13)。

最大應力比0.81，最大位移9.3 mm，滿足要求(圖13)。

2.5　加固桁架設計

加固的方式主要是在核心筒周圍設置環(huán)向加固桁架，將斷開的桁架連成整體，以保證提升過程結構的強度、穩(wěn)定性及變形滿足要求，主要由H型及箱型截面構成，材質Q345B(圖14、圖15)。

2.6　整體提升施工模擬

采用Sap2000程序的空間桿系有限元方法計算。桁架結構采用Frame單元，荷載作用點(鉸接或剛接節(jié)點)到截面形心的偏心采用剛臂(剛體約束)模擬。結構重量采用分段計算(圖16)。

屋蓋鋼結構拼裝時，依據模擬計算結構變形值(最大變形70 mm)，進行相應反起拱，以抵消結構變形。結構應力比最大0.8，在加固桁架角部位置。

3　整體提升

3.1　提升準備階段

(1)采用MIDAS/GEN V800程序對提升階段進行分析，確保安裝有科學的理論支撐。

(2)檢查拼裝焊接質量，測量結構變形情況與設計圖比較，確保質量、變形可控范圍。

(3)支撐提升的提升架應根據使用要求，進行模擬計算，滿足國家相關規(guī)范要求。提升架的安裝應符合審圖后的圖紙，驗收合格后才能投入使用。

編號X向水平力/kNY向水平力/kNZ向豎向力/kNX向彎矩/kN·mY向彎矩/kN·ma800492442250384b8758032873329542c9109355232192332d766506292881477

圖13　提升支架受力分析

圖14　環(huán)向加固桁架平面布置

圖15　環(huán)向加固桁架效果

圖16　整體提升施工模擬

(4)通過模擬計算設置了32個吊點，提升前根據圖紙設置好吊點位置提升結構與提升架可靠連接，提升前應驗收檢查滿足提升要求后才能使用。

(5)提升鋼拉索(鋼絞線)加大安全系數模擬計算選用直徑，按照ASTMA416-87a國家規(guī)范進行驗收。提升前應檢查鋼絞線穿入提升缸、提升結構連接，檢查錨具，滿足提升安全后才能使用。

(6)液壓提升設備設置、計算機控制系統(tǒng)、安全控制措施應按照施工方案進行配置并進行驗收。

(7)調試好提升控制系統(tǒng)，預演提升中的突發(fā)狀況，安全應急措施使用狀態(tài)。

3.2　整體提升

(1)試提升，拆除輔助拼裝的支撐，將結構提升離開地面約150 mm高，12 h內不間斷，測量結構變形情況，觀察提升系統(tǒng)、計算機控制系統(tǒng)信號正常。

(2)正式提升，結構在12 h后勻速上升，隨時注意結構、提升架變形情況；注意提升系統(tǒng)的安全措施，確保突發(fā)事件的應急；提升過程中，提升區(qū)域內不能有障礙物；設置專人觀察鋼絞線、錨固點等工作情況；與提升無關人員禁止進入提升現場，專人負責安保工作；提升注意3d內的天氣情況，測定風速、風向；現場配備滅火設備。

(3)提升就位，提升到指定高度，用鋼板固定對接口，千斤頂支撐對接口，使對接在絕對靜止、溫度變化小的狀態(tài)下焊接。結構安裝焊接完成后，分級卸載，直至所有荷載承受在原結構上，控制和檢測負載狀況，保證結構變形在安全和可控范圍內拆除提升設備。

4　應力應變監(jiān)測

利用有限元分析方法對屋蓋鋼結構的施工過程進行模擬分析，得到有限元分析數值、并預估鋼結構變形；在施工過程中，根據應力應變片反饋的監(jiān)測數值與有限元分析的對比所得的誤差值，修正和調整提升施工，直至完成屋蓋鋼結構的安裝施工。采用上述方法，通過應力應變片及時反映出被監(jiān)測鋼結構的實時狀態(tài)，預測變形發(fā)展趨勢，提拱信息反饋，確保建筑物、重要設備及施工過程的安全性和使用功能，具有監(jiān)測精度要求高、監(jiān)測頻次密集的有益效果，并能夠有效提升屋蓋鋼結構的施工質量和施工精度。

5　結束語

本文對南充市博物館鋼結構整體提升施工控制技術進行分析，臨時加固措施設計及施工全過程采用計算機仿真模擬，并且對施工過程結構內力、位移進行全面的動態(tài)實時監(jiān)控。采用整體提升施工技術，設備自動化程度高，操作方便靈活，安全性好，可靠性高。計算機控制液壓同步提升技術的特點和工程實踐表明，這是一項極具應用前景的新技術。