大型屋蓋桁架整體提升施工技術(shù)

宋作良

（中鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司基礎(chǔ)設(shè)施事業(yè)部，北京 100040）

0 引言

隨著我國(guó)高鐵事業(yè)的蓬勃發(fā)展，由于桁架結(jié)構(gòu)外形豐富、結(jié)構(gòu)輕巧、制作安裝方便、經(jīng)濟(jì)性好，大跨度鋼桁架結(jié)構(gòu)逐漸成為大型公用建筑的主要受力結(jié)構(gòu)和新型屋面系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)，并在工程建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用［1］。京哈高鐵北京朝陽(yáng)站的鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)體系，并且沿中軸線對(duì)稱分布，中間高聳兩邊上翹，東西兩側(cè)屋蓋組合桁架上部為一平面，組合桁架內(nèi)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(biāo)高45.1 m、屋蓋檐口標(biāo)高36.6 m，并且橫向跨度達(dá)180 m、縱向跨度達(dá)270 m。施工要求實(shí)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)屋蓋桁架的整體提升，因此，在數(shù)字模擬分析的基礎(chǔ)上，制定了屋蓋桁架整體提升實(shí)施方案，解決了大跨度、大面積空間桁架鋼結(jié)構(gòu)的安裝難度大、施工進(jìn)度慢的問(wèn)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(shè)備投入，取得降本增效的效果［2］。

1 數(shù)值模擬分析

鋼結(jié)構(gòu)體系隨著工程進(jìn)度而變化時(shí)，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)力會(huì)處于動(dòng)態(tài)調(diào)整階段，其最大變形和應(yīng)力有可能發(fā)生在施工階段，因此為了預(yù)測(cè)施工階段的變形和應(yīng)力的變化，進(jìn)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(duì)鋼結(jié)構(gòu)的施工全過(guò)程進(jìn)行模擬分析［3］。

1.1 施工方案

鋼結(jié)構(gòu)施工根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、土建施工順序，將鋼桁架屋蓋施工進(jìn)行分區(qū)（見圖1），按照一區(qū)、二區(qū)、三區(qū)、四區(qū)4個(gè)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(chǎng)無(wú)法滿足施工條件，而且施工進(jìn)度緩慢、高空的防護(hù)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(jié)構(gòu)滑移施工，一、二、四區(qū)采用分步整體提升的方法，結(jié)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(dú)進(jìn)行地面拼裝，然后先提升至屋蓋桁架整體地面拼裝的設(shè)計(jì)標(biāo)高與兩側(cè)的桁架相連，再進(jìn)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(yàn)算

屋面桁架小拼單元最大質(zhì)量為10 t，通過(guò)汽車吊起重參數(shù)對(duì)比選擇，選用50 t汽車吊完全能滿足現(xiàn)場(chǎng)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(jìn)行樓板承載力及裂縫驗(yàn)算。50 t汽車吊的車身質(zhì)量為42 t，高架層梁板混凝土等級(jí)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(duì)9.8 m樓板計(jì)算，50 t汽車吊行駛時(shí)，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(biāo)準(zhǔn)組合下，樓板的最大彎矩為每延米20.5 kN·m（見圖3）。通過(guò)計(jì)算結(jié)果可知，50 t汽車吊在高架層板上行駛時(shí)，樓板抗彎強(qiáng)度和裂縫等指標(biāo)滿足規(guī)范及設(shè)計(jì)要求，不需要進(jìn)行加固。50 t汽車吊可以在樓板行駛，起吊時(shí)汽車吊通過(guò)支腿支座支設(shè)在混凝土梁上，實(shí)現(xiàn)桁架單元的吊裝，這樣可以加快施工進(jìn)度。

圖2 基本組合下樓板的最大彎矩

1.3 桁架施工變形驗(yàn)算

桁架桿件按照結(jié)構(gòu)圖進(jìn)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(diào)整拉索長(zhǎng)度。提升計(jì)算中，同步提升與不同步提升影響桿件應(yīng)力比均控制在0.85 以下，對(duì)同一提升點(diǎn)進(jìn)行位移和反力不同步影響計(jì)算，考慮提升過(guò)程中風(fēng)荷載等水平荷載，保證每個(gè)提升支架能夠承受的水平力相當(dāng)于其提升力5%［6］。根據(jù)屋蓋桁架的分布形式，北京朝陽(yáng)站利用原有支撐結(jié)構(gòu)與提升架格構(gòu)柱相結(jié)合作為屋蓋桁架的提升點(diǎn)，并且保證布設(shè)的提升點(diǎn)滿足桁架變形和應(yīng)力在相關(guān)規(guī)范可控范圍內(nèi)。

工程利用既有工程圓管柱和42 個(gè)格構(gòu)式提升架作為提升點(diǎn)，其中提升點(diǎn)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(yīng)力比為0.669，提升支架最大應(yīng)力比為0.67，綜上所述，該工況下桁架和提升架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度均滿足要求［7］。

2 屋蓋桁架整體提升實(shí)施

圖4 桁架變形圖

屋蓋桁架采用分步進(jìn)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(shè)計(jì)軸線位置布置胎架，在安裝施工過(guò)程中通過(guò)經(jīng)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(guò)液壓油缸提升技術(shù)直接提升至整體地面拼裝時(shí)的標(biāo)高，與兩側(cè)桁架相連接后屋蓋桁架整體提升至設(shè)計(jì)標(biāo)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(shè)計(jì)深化圖紙將所需的軸線進(jìn)行測(cè)量放線，先將主要的數(shù)字軸和字母軸的位置確定，且每個(gè)軸線的交叉點(diǎn)做出紅點(diǎn)標(biāo)記，再根據(jù)軸線將每個(gè)胎架的位置進(jìn)行測(cè)量放線，放線工作完成后需進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)拼裝質(zhì)量檢驗(yàn)，確保軸線和胎架的位置準(zhǔn)確無(wú)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(tái)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(tái)上鋪鋼跳板，地梁的規(guī)格為HN400×200×8×13工字鋼，按照?qǐng)D紙?jiān)O(shè)計(jì)尺寸進(jìn)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(chǎng)實(shí)際情況，采用桁架分段拼裝的施工方法（見圖7）。首先，將每個(gè)單元的桁架按照軸線主桁架方向進(jìn)行分割處理，在地面進(jìn)行拼裝，然后吊裝至胎架預(yù)設(shè)的位置，其中在地面進(jìn)行分段拼裝需要先進(jìn)行平臺(tái)劃線（在空地上根據(jù)桁架尺寸將其管件的中心線標(biāo)記出來(lái)）；然后，在線位布置完成后按照中心線位置搭設(shè)拼裝的胎架，桁架的弦桿放置在胎架上進(jìn)行定位、腹桿定位拼裝；最后桁架整體檢測(cè)驗(yàn)收，驗(yàn)收合格后進(jìn)行焊接、探傷，合格以后可以進(jìn)行吊裝。

圖7 桁架分段拼裝

屋脊桁架分段拼裝完成后進(jìn)行總拼吊裝。桁架單片按照?qǐng)D紙A-A、B-B、C-C 等位置分別采用50 t 汽車吊進(jìn)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(jìn)行吊裝、焊接。桁架的焊縫焊接完成后，需進(jìn)行超聲波探傷檢測(cè)，檢測(cè)合格后進(jìn)行提升。

圖8 桁架單片吊裝

2.3 桁架提升設(shè)備選取及安裝

工程采用的計(jì)算機(jī)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(qū)動(dòng)部件）、傳感檢測(cè)及計(jì)算機(jī)控制（控制部件）和遠(yuǎn)程監(jiān)視系統(tǒng)等部分組成。工程鋼絞線采用高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，公稱直徑為15.5 mm，抗拉強(qiáng)度為1 860 MPa，破斷拉力為260.7 kN，伸長(zhǎng)率在1%時(shí)的最小載荷221.5 kN，每米質(zhì)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(gè)相鄰提升點(diǎn)配置1臺(tái)液壓泵站。

提升架吊裝前預(yù)先將轉(zhuǎn)換梁根據(jù)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)安裝焊接在預(yù)埋件上，提升架組裝完成后用25 t汽車吊分次進(jìn)行吊裝拼接至設(shè)計(jì)標(biāo)高，然后安裝轉(zhuǎn)換鋼平臺(tái)、提升梁、液壓提升器，并進(jìn)行焊接固定。在桁架吊裝前將提升系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換梁、提升架進(jìn)行吊裝，以方便在桁架吊裝時(shí)某些箱梁穿過(guò)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(shè)備檢查（提升油缸、液壓泵站、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)檢查）、提升支撐結(jié)構(gòu)檢查。按照計(jì)算好的每個(gè)提升點(diǎn)的受力，分別將對(duì)應(yīng)的油缸及鋼絞線安裝到位，下部的提升節(jié)點(diǎn)焊接必須探傷檢測(cè)合格，支撐油缸的提升架必須經(jīng)過(guò)監(jiān)理、總包、分包單位的聯(lián)合檢查，確保支撐沒有問(wèn)題。

圖9 桁架提升系統(tǒng)安裝

提升系統(tǒng)調(diào)試包括液壓泵站調(diào)試、提升油缸調(diào)試、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)調(diào)試，任何情況下，油缸錨具必須在緊錨狀態(tài)，提升過(guò)程中下錨松動(dòng)作永遠(yuǎn)不給，只有在需要下放時(shí)才打開下錨。在正式提升之前，進(jìn)行試提升前的準(zhǔn)備與檢查、試提升加載，按比例進(jìn)行20%、40%、60%、70%、80%、90%、95%、100%分級(jí)加載直至結(jié)構(gòu)全部離地高度約30 cm，空中停滯一定時(shí)間（至少1 d），結(jié)構(gòu)確認(rèn)無(wú)誤后方可進(jìn)行正式提升。

屋蓋桁架通過(guò)對(duì)整體提升過(guò)程各種工況分析，對(duì)結(jié)構(gòu)變形、應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析，通過(guò)加設(shè)臨時(shí)支撐、臨時(shí)改變永久結(jié)構(gòu)受力體系保證提升過(guò)程中穩(wěn)定性和安全，通過(guò)調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力和流量控制起動(dòng)加速度和制動(dòng)加速度保證液壓提升穩(wěn)定性，并且液壓提升器自身獨(dú)有的機(jī)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(cè)視圖

3 實(shí)施方案技術(shù)優(yōu)勢(shì)

（1）通過(guò)Midas Gen 軟件對(duì)鋼結(jié)構(gòu)施工區(qū)域的樓板進(jìn)行模擬分析計(jì)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(shè)備，既保證了樓板結(jié)構(gòu)安全，又滿足了鋼結(jié)構(gòu)的吊裝施工，加快了施工進(jìn)度。

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

（3）通過(guò)局部地面拼裝與分步整體提升工藝的相結(jié)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(biāo)高下的支撐問(wèn)題，簡(jiǎn)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(shí)措施可反復(fù)利用，加之液壓同步提升動(dòng)荷載極小的優(yōu)點(diǎn)，使得臨時(shí)設(shè)施用量降至最小，有利于施工成本控制。

4 結(jié)束語(yǔ)

京哈高鐵北京朝陽(yáng)站站房工程大型屋蓋桁架整體提升技術(shù)方案，提升點(diǎn)布置合理，方案安全經(jīng)濟(jì)，有效解決了大跨度、大面積空間桁架鋼結(jié)構(gòu)的安裝難度大、施工進(jìn)度慢的問(wèn)題，既縮短了工期，又節(jié)省了施工成本，同時(shí)又保證了工程質(zhì)量，可為同類施工提供參考。