405 m超長(zhǎng)跨度機(jī)庫(kù)屋蓋的鋼結(jié)構(gòu)拼裝技術(shù)

董 巍 迂長(zhǎng)偉 黃樹(shù)青 寇志強(qiáng) 高玉蘭

北京建工集團(tuán)有限責(zé)任公司 北京 100055

北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)南航機(jī)庫(kù)屋蓋結(jié)構(gòu)不同于國(guó)內(nèi)已建成的類似超大型維修機(jī)庫(kù)[1-2]，如首都機(jī)場(chǎng)Ameco四機(jī)位機(jī)庫(kù)和A380機(jī)庫(kù)所采用的大門桁架＋雙層平板網(wǎng)架的結(jié)構(gòu)體系，其創(chuàng)新性地采用了“W”形斜桁架＋單層平板網(wǎng)架的組合結(jié)構(gòu)體系，單一大門中柱的情況下機(jī)庫(kù)總寬達(dá)到了405 m，成為亞洲最大跨機(jī)庫(kù)。

新型結(jié)構(gòu)體系提升了結(jié)構(gòu)效率，有效控制了結(jié)構(gòu)的用鋼量，同時(shí)也給屋蓋結(jié)構(gòu)的拼裝施工增加了難度。大門桁架222 m＋183 m的凈跨度以及機(jī)庫(kù)內(nèi)屋蓋下方懸掛安裝的大量吊車和維修塢也對(duì)屋蓋鋼結(jié)構(gòu)的拼裝和安裝精度提出了極高要求。

通過(guò)模擬數(shù)字預(yù)拼裝，確保箱形構(gòu)件的加工精度；采用合理的拼裝方法，研發(fā)并使用一種輕型操作平臺(tái)，顯著提升了拼裝的精度和安全施工效率；使用三維激光掃描技術(shù)對(duì)拼裝完成的網(wǎng)架進(jìn)行校核，確保了拼裝質(zhì)量。這些技術(shù)的綜合應(yīng)用，使得總面積為39 438.75 m2的亞洲最大跨機(jī)庫(kù)屋蓋的鋼結(jié)構(gòu)施工僅用90 d的工期即完成了地面拼裝，并順利地整體提升到位，刷新了超大型維修機(jī)庫(kù)屋蓋鋼結(jié)構(gòu)的施工速度紀(jì)錄。

1 工程概況

北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)南航基地第一標(biāo)段機(jī)務(wù)維修設(shè)施項(xiàng)目1號(hào)機(jī)庫(kù)屋蓋為由平面桁架及單層斜放四角錐網(wǎng)架構(gòu)成的組合結(jié)構(gòu)體系。其桁架體系由沿進(jìn)深方向設(shè)置的4道45 斜向桁架、沿大門開(kāi)口邊設(shè)置的下沉式大門桁架和沿縱向設(shè)置的一字形桁架組成（圖1～圖3）。桁架之間為單層斜放四角錐網(wǎng)架。這種“W”形桁架體系為機(jī)庫(kù)屋蓋首次采用，不僅降低了屋蓋結(jié)構(gòu)高度，還比普通的平板網(wǎng)架節(jié)約用鋼量約1 500 t。

圖1 屋蓋結(jié)構(gòu)平面示意

機(jī)庫(kù)屋蓋結(jié)構(gòu)總面積39 438.75 m2，平面軸線尺寸405 m 100 m 。其405 m的超長(zhǎng)跨度為亞洲最大跨機(jī)庫(kù)。屋蓋整體結(jié)構(gòu)上頂平齊，標(biāo)高38.50 m。門頭桁架截面總高度11.50 m，下弦中心標(biāo)高27.00 m；斜桁架及一字形桁架截面高度8.50 m，下弦中心標(biāo)高30.00 m；桁架間單層斜放四角錐網(wǎng)架厚度4.25 m，基本網(wǎng)格尺寸6.0 m 6.0 m，下弦中心標(biāo)高34.25 m；下弦最大高差達(dá)7.25 m。

圖2 屋蓋桁架結(jié)構(gòu)體系平面示意

圖3 屋面結(jié)構(gòu)剖面示意

除大門邊桁架上、下弦桿及斜桁架下弦桿采用焊接箱形截面，腹桿根據(jù)內(nèi)力大小采用圓鋼管、焊接H形截面或焊接箱形截面，節(jié)點(diǎn)采用栓焊節(jié)點(diǎn)外，斜向桁架、一字形桁架及屋蓋網(wǎng)架均采用球管結(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)采用焊接球 節(jié)點(diǎn)。

網(wǎng)架桿件最大規(guī)格為φ 5 5 0 m m 3 0 m m，最小規(guī)格為φ 1 0 2 m m 4 m m，網(wǎng)架球最大規(guī)格為φ900 mm 36 mm，最小規(guī)格為φ300 mm 12 mm ，網(wǎng)架共計(jì)13種圓管、10種焊接球，鋼材材質(zhì)為Q345B。門頭桁架箱形構(gòu)件最大截面為□800 mm 800 mm 100 mm，最小截面為□500 mm 320 mm 16 mm，主要鋼材材質(zhì)為Q420B。項(xiàng)目采用在地面拼裝，然后整體提升的施工方法。其中屋蓋的拼裝質(zhì)量和進(jìn)度，對(duì)工程有直接的影響。

2 拼裝起拱

網(wǎng)架拼裝完成后提升到設(shè)計(jì)高度，在重力和上部屋面荷載的作用下會(huì)發(fā)生下?lián)稀Ｒ虼?，根?jù)設(shè)計(jì)計(jì)算要求，大門桁架、一字形桁架和斜桁架在拼裝時(shí)，須進(jìn)行預(yù)起拱，起拱值為跨度的1/700。經(jīng)過(guò)計(jì)算，主要構(gòu)件的跨中最大起拱值如圖4所示。

圖4 屋蓋結(jié)構(gòu)計(jì)算起拱值示意

普通的平板網(wǎng)架在拼裝時(shí)采用弧線起拱即可，而本工程由于斜桁架的存在，導(dǎo)致整個(gè)屋蓋結(jié)構(gòu)的剛度并不均勻，也就導(dǎo)致了網(wǎng)架每個(gè)點(diǎn)的起拱值都不相同。為了保證屋蓋下?lián)显谠O(shè)計(jì)范圍內(nèi)，我們通過(guò)計(jì)算軟件對(duì)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)預(yù)加載，得到了每個(gè)節(jié)點(diǎn)的變形值。在拼裝時(shí)，以網(wǎng)架下弦球和斜桁架下弦連接節(jié)點(diǎn)為控制重點(diǎn)，精確地放出每個(gè)下弦球的定位坐標(biāo)，并使用鋼管硬性支撐進(jìn)行固定，確保位置精準(zhǔn)。最終網(wǎng)架卸載后的下?lián)蠈?shí)測(cè)值與計(jì)算的理論下?lián)现祷鞠喾?，最大偏差僅為18 mm，確保了機(jī)庫(kù)大門的順利安裝。

3 模擬預(yù)拼裝

大門桁架和斜桁架下弦均為箱形構(gòu)件，結(jié)合桁架的結(jié)構(gòu)形式，采用平面實(shí)況數(shù)字模擬拼裝進(jìn)行整體的模擬施工（即將相鄰2個(gè)構(gòu)件按照實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)標(biāo)示，然后按照統(tǒng)一的基準(zhǔn)進(jìn)行一對(duì)一的電腦拼接），對(duì)弦桿、腹桿等的自由邊間隙、板邊差及錯(cuò)邊等進(jìn)行一對(duì)一的模擬。

模擬預(yù)拼裝主要檢驗(yàn)以下幾部分內(nèi)容：上、中、下弦桿，腹桿與牛腿接口間的板邊差、錯(cuò)邊以及間隙；拼裝單元的對(duì)角線誤差。

通過(guò)數(shù)字模擬預(yù)拼裝，確保了關(guān)鍵構(gòu)件的加工精度，為現(xiàn)場(chǎng)拼裝提供了保證。

4 拼裝方法

考慮拼裝質(zhì)量和施工安全，將整個(gè)屋蓋分成兩部分分別進(jìn)行拼裝：一部分為大門桁架，高度11.5 m，寬度6.0 m；另一部分為除大門桁架之外的一字形桁架、斜桁架和鑲嵌在其中的單層網(wǎng)架，將其作為大廳網(wǎng)架，單獨(dú)進(jìn)行拼裝，大廳網(wǎng)架高度為8.50 m。

4.1 大門桁架拼裝方法

大門桁架由2榀鋼桁架組成，桁架之間通過(guò)圓鋼管連接成一體，總長(zhǎng)度405 m。鋼桁架分為3層，上、下弦桿為箱形截面，腹桿及中弦桿件為工字鋼、箱形件或鋼管，采用栓焊節(jié)點(diǎn)。弦桿分段加工，長(zhǎng)度10～12 m，通過(guò)在下弦桿接口位置鋪設(shè)型鋼作為拼裝胎架（圖5）。

圖5 大門桁架拼裝示意

4.2 大廳網(wǎng)架拼裝方法

大廳網(wǎng)架為一字形桁架、斜桁架和單層網(wǎng)架，一字形桁架和斜桁架高度8.50 m，單層網(wǎng)架高度4.25 m。由于上頂平齊，故下弦存在4.25 m的高差。在拼裝時(shí)，將一字形桁架和斜桁架作為拼裝控制的重點(diǎn)。除斜桁架下弦為箱形截面外，一字形桁架、單層網(wǎng)架均為球管結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)形式為雙層和單層斜放四角錐網(wǎng)架。先拼裝一字形桁架和斜桁架，然后再拼裝鑲嵌在其中的單層網(wǎng)架。

為了提高拼裝效率，結(jié)合斜放四角錐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將中弦球和下弦腹桿拼裝成“人”字形單元，將上弦球和中弦腹板拼裝成四角錐單元，從而減少桿件的吊次（減少近1/3桿件數(shù)量），同時(shí)也確保了拼裝的精度（圖6）。

圖6 “人”字形和四角錐拼裝單元

5 操作平臺(tái)設(shè)計(jì)

門頭桁架高度11.50 m，為雙層，層間高度5.75 m；一字形桁架高度8.50 m，也為雙層，層間高度4.25 m。即使在地面進(jìn)行拼裝，其最高操作高度也將超過(guò)10 m，高空操作是面臨的最大難題。如何能在確保安全的前提下，優(yōu)質(zhì)、高效地進(jìn)行拼裝，是本工程成功的關(guān)鍵。

針對(duì)這一難題，設(shè)計(jì)了一種可移動(dòng)輕型操作平臺(tái)，平臺(tái)采用方鋼管組焊而成。平臺(tái)寬度根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際確定（小于大門桁架間距或網(wǎng)格寬度），長(zhǎng)12～15 m，下方采用輕型方管制成桁架式平臺(tái)，平臺(tái)上鋪彩鋼板。在桁架式平臺(tái)上部制作操作平臺(tái)，滿足人員站立操作的條件（圖7）。

圖7 可移動(dòng)輕型操作平臺(tái)示意

將平臺(tái)分別放置在桁架或網(wǎng)格的下弦和中弦，分別進(jìn)行中弦和上弦桿件的安裝和焊接。操作平臺(tái)質(zhì)量較輕，使用倒鏈或卷?yè)P(yáng)機(jī)就可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)。隨著桁架或網(wǎng)架的累積拼裝，操作平臺(tái)可以便捷地移動(dòng)到所拼裝的節(jié)間（圖8）。

這種可移動(dòng)輕型操作平臺(tái)的使用，為施工人員高空操作提供了安全保障，從而提高了拼裝的效率。

6 三維激光掃描測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用

網(wǎng)架分段拼裝完成后，由于節(jié)點(diǎn)較多，故常規(guī)的測(cè)量方法無(wú)法及時(shí)地將每個(gè)點(diǎn)的偏差測(cè)出來(lái)，為此，我們采用了三維激光掃描技術(shù)對(duì)網(wǎng)架進(jìn)行掃描校核。將掃描后的網(wǎng)架圖像導(dǎo)入電腦中，與CAD模型進(jìn)行校核，確保拼裝的精度（圖9）。

圖8 可移動(dòng)輕型操作平臺(tái)

圖9 三維激光掃描測(cè)量校核拼裝網(wǎng)架

同時(shí)，通過(guò)三維激光掃描技術(shù)，我們得到了每個(gè)上弦點(diǎn)的位置偏差，為屋蓋提升到位卸載后的屋面系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)安裝提供了依據(jù)。

7 結(jié)語(yǔ)

北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)南航機(jī)庫(kù)屋蓋采用了不同于普通平板網(wǎng)架的“W”形斜桁架＋單層平板網(wǎng)架的組合網(wǎng)架結(jié)構(gòu)體系，給現(xiàn)場(chǎng)拼裝帶來(lái)了難度。為確保拼裝精準(zhǔn)、高效，采取了一系列的技術(shù)措施，收到了良好的效果，并從工程實(shí)踐中得出如下結(jié)論：

1）采用數(shù)字模擬預(yù)拼裝技術(shù)，確保了復(fù)雜構(gòu)件的加工精度滿足拼裝要求，并為大型鋼結(jié)構(gòu)工程中的復(fù)雜構(gòu)件或復(fù)雜節(jié)點(diǎn)加工提供了技術(shù)保證。

2）對(duì)于網(wǎng)格尺寸大的結(jié)構(gòu)，可以使用文中介紹的輕型可移動(dòng)操作平臺(tái)。其在保證施工安全的前提下，有利于工作面展開(kāi)，提高了施工效率，可以推廣應(yīng)用到類似大空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)拼裝施工中。

3）三維激光掃描測(cè)量技術(shù)可以彌補(bǔ)常規(guī)測(cè)量的不足，使測(cè)量結(jié)果更加直觀，對(duì)空間曲面和異形結(jié)構(gòu)的測(cè)量起到了很好的輔助作用，值得推廣和應(yīng)用。