大型屋蓋桁架整體提升施工技術

宋作良

（中鐵建設集團有限公司基礎設施事業(yè)部，北京 100040）

0 引言

隨著我國高鐵事業(yè)的蓬勃發(fā)展，由于桁架結構外形豐富、結構輕巧、制作安裝方便、經濟性好，大跨度鋼桁架結構逐漸成為大型公用建筑的主要受力結構和新型屋面系統(tǒng)的主體結構，并在工程建設中得到廣泛應用［1］。京哈高鐵北京朝陽站的鋼結構屋蓋桁架具有典型的古典京城宮殿建筑形式，采用組合式桁架結構體系，并且沿中軸線對稱分布，中間高聳兩邊上翹，東西兩側屋蓋組合桁架上部為一平面，組合桁架內部包含縱橫向單片魚腹式管桁架，兩邊為變截面焊接箱形鋼梁，其屋脊標高45.1 m、屋蓋檐口標高36.6 m，并且橫向跨度達180 m、縱向跨度達270 m。施工要求實現(xiàn)鋼結構屋蓋桁架的整體提升，因此，在數(shù)字模擬分析的基礎上，制定了屋蓋桁架整體提升實施方案，解決了大跨度、大面積空間桁架鋼結構的安裝難度大、施工進度慢的問題。既保證了大跨度桁架的安裝精度，又節(jié)約了大量的人力及設備投入，取得降本增效的效果［2］。

1 數(shù)值模擬分析

鋼結構體系隨著工程進度而變化時，結構構件的內力會處于動態(tài)調整階段，其最大變形和應力有可能發(fā)生在施工階段，因此為了預測施工階段的變形和應力的變化，進行施工階段分析是十分必要的，采用有限元分析軟件Midas Gen 對鋼結構的施工全過程進行模擬分析［3］。

1.1 施工方案

鋼結構施工根據(jù)結構特點、土建施工順序，將鋼桁架屋蓋施工進行分區(qū)（見圖1），按照一區(qū)、二區(qū)、三區(qū)、四區(qū)4個階段的順序施工。屋蓋桁架采用原位高空吊裝的方法，不僅桁架吊裝難度大，現(xiàn)場無法滿足施工條件，而且施工進度緩慢、高空的防護難度大。因此除三區(qū)因夾層較多，采取先土建夾層施工，后鋼結構滑移施工，一、二、四區(qū)采用分步整體提升的方法，結合多種施工方案的分析和研究，最終確定將屋脊處桁架單獨進行地面拼裝，然后先提升至屋蓋桁架整體地面拼裝的設計標高與兩側的桁架相連，再進行整體提升到位的施工方法［4-5］。

圖1 鋼桁架屋蓋施工分區(qū)

1.2 樓板承載力及裂縫驗算

屋面桁架小拼單元最大質量為10 t，通過汽車吊起重參數(shù)對比選擇，選用50 t汽車吊完全能滿足現(xiàn)場桁架的吊裝需求。由于汽車吊要行駛在9.8 m 高架層樓板上，因此需進行樓板承載力及裂縫驗算。50 t汽車吊的車身質量為42 t，高架層梁板混凝土等級為C40、板厚為150 mm、配筋為雙層雙向φ12@150 的HRB400 鋼筋。利用Midas Gen 軟件針對9.8 m樓板計算，50 t汽車吊行駛時，在基本組合下，樓板的最大彎矩為每延米28.1 kN·m（見圖2）；在標準組合下，樓板的最大彎矩為每延米20.5 kN·m（見圖3）。通過計算結果可知，50 t汽車吊在高架層板上行駛時，樓板抗彎強度和裂縫等指標滿足規(guī)范及設計要求，不需要進行加固。50 t汽車吊可以在樓板行駛，起吊時汽車吊通過支腿支座支設在混凝土梁上，實現(xiàn)桁架單元的吊裝，這樣可以加快施工進度。

圖2 基本組合下樓板的最大彎矩

1.3 桁架施工變形驗算

桁架桿件按照結構圖進行整體建模，提升支架與桁架之間采用拉索模擬鋼絞線連接，用溫度調整拉索長度。提升計算中，同步提升與不同步提升影響桿件應力比均控制在0.85 以下，對同一提升點進行位移和反力不同步影響計算，考慮提升過程中風荷載等水平荷載，保證每個提升支架能夠承受的水平力相當于其提升力5%［6］。根據(jù)屋蓋桁架的分布形式，北京朝陽站利用原有支撐結構與提升架格構柱相結合作為屋蓋桁架的提升點，并且保證布設的提升點滿足桁架變形和應力在相關規(guī)范可控范圍內。

工程利用既有工程圓管柱和42 個格構式提升架作為提升點，其中提升點最大反力為1 360 kN，桁架最大變形為77 mm（見圖4），提升支架最大變形為26 mm（見圖5），桁架桿件的最大應力比為0.669，提升支架最大應力比為0.67，綜上所述，該工況下桁架和提升架的結構強度和剛度均滿足要求［7］。

2 屋蓋桁架整體提升實施

圖4 桁架變形圖

屋蓋桁架采用分步進行提升，中央屋脊桁架吊裝前用工字鋼拼裝胎架以支撐中央屋脊桁架，按照施工設計軸線位置布置胎架，在安裝施工過程中通過經緯儀、全站儀控制桁架的安裝精度和施工安全。中央屋脊桁架焊接完成后，通過液壓油缸提升技術直接提升至整體地面拼裝時的標高，與兩側桁架相連接后屋蓋桁架整體提升至設計標高［8］。

2.1 胎架放線及制作安裝

在9.8 m 高架層板，根據(jù)施工設計深化圖紙將所需的軸線進行測量放線，先將主要的數(shù)字軸和字母軸的位置確定，且每個軸線的交叉點做出紅點標記，再根據(jù)軸線將每個胎架的位置進行測量放線，放線工作完成后需進行現(xiàn)場拼裝質量檢驗，確保軸線和胎架的位置準確無誤。

總拼胎架由地梁、立管、模板、角鋼等拼裝焊接而成（見圖6），胎架均采用16#工字鋼，立管之間用L75×5角鋼做斜撐加固，作為操作平臺的角鋼跨度不得大于3 m，大于3 m 則需立管加密，操作平臺上鋪鋼跳板，地梁的規(guī)格為HN400×200×8×13工字鋼，按照圖紙設計尺寸進行拼裝焊接而成。

2.2 桁架拼裝及吊裝

圖6 桁架吊裝的總拼胎架示意圖

屋蓋桁架根據(jù)現(xiàn)場實際情況，采用桁架分段拼裝的施工方法（見圖7）。首先，將每個單元的桁架按照軸線主桁架方向進行分割處理，在地面進行拼裝，然后吊裝至胎架預設的位置，其中在地面進行分段拼裝需要先進行平臺劃線（在空地上根據(jù)桁架尺寸將其管件的中心線標記出來）；然后，在線位布置完成后按照中心線位置搭設拼裝的胎架，桁架的弦桿放置在胎架上進行定位、腹桿定位拼裝；最后桁架整體檢測驗收，驗收合格后進行焊接、探傷，合格以后可以進行吊裝。

圖7 桁架分段拼裝

屋脊桁架分段拼裝完成后進行總拼吊裝。桁架單片按照圖紙A-A、B-B、C-C 等位置分別采用50 t 汽車吊進行吊裝（見圖8）。桁架單片吊裝完成后，將中間連接的腹桿按順序進行吊裝、焊接。桁架的焊縫焊接完成后，需進行超聲波探傷檢測，檢測合格后進行提升。

圖8 桁架單片吊裝

2.3 桁架提升設備選取及安裝

工程采用的計算機控制液壓同步提升系統(tǒng)由鋼絞線及提升油缸集群（承重部件）、液壓泵站（驅動部件）、傳感檢測及計算機控制（控制部件）和遠程監(jiān)視系統(tǒng)等部分組成。工程鋼絞線采用高強度低松弛預應力鋼絞線，公稱直徑為15.5 mm，抗拉強度為1 860 MPa，破斷拉力為260.7 kN，伸長率在1%時的最小載荷221.5 kN，每米質量為1.1 kg。工程選用100 t 和200 t 規(guī)格的提升架及TX-80-P 型液壓泵站，每6 個相鄰提升點配置1臺液壓泵站。

提升架吊裝前預先將轉換梁根據(jù)圖紙設計安裝焊接在預埋件上，提升架組裝完成后用25 t汽車吊分次進行吊裝拼接至設計標高，然后安裝轉換鋼平臺、提升梁、液壓提升器，并進行焊接固定。在桁架吊裝前將提升系統(tǒng)的轉換梁、提升架進行吊裝，以方便在桁架吊裝時某些箱梁穿過提升架，這樣可以避免桁架完成后影響提升架的吊裝（見圖9）。

2.4 桁架整體提升

桁架提升前的檢查包括提升設備檢查（提升油缸、液壓泵站、計算機控制系統(tǒng)檢查）、提升支撐結構檢查。按照計算好的每個提升點的受力，分別將對應的油缸及鋼絞線安裝到位，下部的提升節(jié)點焊接必須探傷檢測合格，支撐油缸的提升架必須經過監(jiān)理、總包、分包單位的聯(lián)合檢查，確保支撐沒有問題。

圖9 桁架提升系統(tǒng)安裝

提升系統(tǒng)調試包括液壓泵站調試、提升油缸調試、計算機控制系統(tǒng)調試，任何情況下，油缸錨具必須在緊錨狀態(tài)，提升過程中下錨松動作永遠不給，只有在需要下放時才打開下錨。在正式提升之前，進行試提升前的準備與檢查、試提升加載，按比例進行20%、40%、60%、70%、80%、90%、95%、100%分級加載直至結構全部離地高度約30 cm，空中停滯一定時間（至少1 d），結構確認無誤后方可進行正式提升。

屋蓋桁架通過對整體提升過程各種工況分析，對結構變形、應力狀態(tài)進行分析，通過加設臨時支撐、臨時改變永久結構受力體系保證提升過程中穩(wěn)定性和安全，通過調節(jié)系統(tǒng)壓力和流量控制起動加速度和制動加速度保證液壓提升穩(wěn)定性，并且液壓提升器自身獨有的機械和液壓自鎖裝置，可以保證屋蓋桁架單元的穩(wěn)定提升。桁架提升工藝流程見圖10，桁架整體提升施工見圖11。

圖10 桁架提升工藝流程

圖11 桁架整體提升側視圖

3 實施方案技術優(yōu)勢

（1）通過Midas Gen 軟件對鋼結構施工區(qū)域的樓板進行模擬分析計算，確保在承載力滿足要求、樓板混凝土不開裂的條件下使用起吊設備，既保證了樓板結構安全，又滿足了鋼結構的吊裝施工，加快了施工進度。

（2）通過Midas Gen 軟件模擬分析提升過程中桁架及提升架變形、剛度及強度滿足要求，保證了提升過程中桁架及提升架的安全性。

（3）通過局部地面拼裝與分步整體提升工藝的相結合，最終完成桁架整體提升，解決了大跨度空間桁架在不同標高下的支撐問題，簡化地面拼裝工序，降低施工成本，提高施工工效。

（4）提升支架和提升梁、下吊具和提升用臨時措施可反復利用，加之液壓同步提升動荷載極小的優(yōu)點，使得臨時設施用量降至最小，有利于施工成本控制。

4 結束語

京哈高鐵北京朝陽站站房工程大型屋蓋桁架整體提升技術方案，提升點布置合理，方案安全經濟，有效解決了大跨度、大面積空間桁架鋼結構的安裝難度大、施工進度慢的問題，既縮短了工期，又節(jié)省了施工成本，同時又保證了工程質量，可為同類施工提供參考。