異型復(fù)雜鋼屋蓋整體提升空中平移安裝技術(shù)

常付杰

(中鐵建設(shè)集團有限公司 北京 100040)

1 前言

隨著科學(xué)技術(shù)的進步，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的建筑形式、建造技術(shù)難以滿足人們對于大跨度、大空間、建筑美學(xué)等方面的需求，為此大跨度的公共建筑中異形復(fù)雜鋼屋蓋越來越多[1]，以此來滿足大跨度公共建筑本身對結(jié)構(gòu)造型的需求。異形鋼屋蓋大多采取網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，造型復(fù)雜、異形構(gòu)件制作難度大、安裝時空中定位難度大、焊接量大、工期長、施工成本難以控制[2-9]，為高效解決這些難題，在每個異形復(fù)雜鋼屋蓋施工中，施工單位都采取各種措施加快進度、降低成本，本文介紹一種簡單、高效、低成本、保質(zhì)量的施工方法與大家共同探討。

2 工程概況

貴州銅仁鳳凰機場改擴建新航站樓平面投影尺寸為158 m×50 m，結(jié)構(gòu)頂標高為18.6 m，主要網(wǎng)格形式采用正放四角錐異形網(wǎng)架結(jié)構(gòu)體系，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)高度1.4 m，最大跨度38 m[10]。 航站樓屋蓋設(shè)帶狀采光頂和懸挑透光雨棚，于采光頂及懸挑雨棚處設(shè)置兩向斜交斜放網(wǎng)架，雨棚結(jié)構(gòu)最大懸挑12 m，懸挑根部結(jié)構(gòu)高度1.4 m，邊緣結(jié)構(gòu)高度0.7 m。 航站樓南側(cè)帶有局部夾層，夾層采用組合樓板，下部設(shè)鋼柱支撐。 鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架部分支承在夾層柱頂，部分直接落地。 網(wǎng)殼桿件均為圓管，夾層構(gòu)件采用焊接箱型和H 型鋼截面。 用于鋼結(jié)構(gòu)各部分的節(jié)點有焊接球、相貫節(jié)點、銷軸節(jié)點、夾層鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點和梁梁節(jié)點、埋入式剛接柱腳節(jié)點等。 支座節(jié)點根據(jù)受力情況，采用固定鉸支座、滑動鉸支座。 貴州銅仁鳳凰機場是銅仁市重點工程，航站區(qū)改擴建完成后，旅客吞吐能力將提升到每年100 萬人次、貨郵吞吐能力將提升到每年2 500 t、飛機起降能力將提升到每年12 158 架次，很大程度上加快了銅仁鳳凰機場由支線機場向區(qū)域性國際機場轉(zhuǎn)變的步伐。

3 鋼屋蓋制作及提升

總體施工思路：為了減少高空作業(yè)量，目前成熟的做法是將鋼屋蓋在其投影下方的樓面或地面分塊拼裝，然后整體提升到設(shè)計標高，最后進行高空合攏的施工方法。 但是本工程鋼網(wǎng)架是下弦支撐，鋼柱多，如果采取這種施工方法，地面拼裝時網(wǎng)架支座附近的桿件都要抽空，提升到位后高空塞桿量太大，不利于保證工期和質(zhì)量。 經(jīng)過多次分析研究確定鋼屋蓋在地面或樓面上錯開鋼柱拼裝，這樣支座球和桿件都可以在地面拼裝，提升到設(shè)計高度后再平移到柱頂位置。

3.1 拼裝階段

3.1.1 拼裝位置

(1)確定提升支架、網(wǎng)架、軸線對應(yīng)關(guān)系。

(2)網(wǎng)架地面拼裝胎具。

①拼裝場地要求：由于拼裝胎架坐落在級配回填土上，故應(yīng)保證回填質(zhì)量，且雨季應(yīng)保證排水通暢；②拼裝平臺材料：砌塊、鋼管102 ×6 mm，鋼管規(guī)格可根據(jù)現(xiàn)場材料進行調(diào)整。 拼裝現(xiàn)場見圖1。

圖1 屋蓋地面拼裝

3.1.2 拼裝順序

考慮到地面標高不同，為方便拼裝施工，因此由中間14 軸為界限向兩側(cè)進行拼裝，網(wǎng)架劃分為2 個單元塊，分塊進行拼裝。

網(wǎng)架拼裝方法：第1 步，首先在地面平臺上擺放1 ～14 軸下弦球、下弦桿。 第2 步，拼裝成正錐形，第3 步，安裝上弦桿。 第4 步，向四周擴展；同理，其余部位均可重復(fù)以上操作過程。

3.1.3 拼裝機械

汽車吊(主要用于上料等垂直運輸)。

3.2 提升階段

提升范圍：網(wǎng)架屋蓋。 提升重量：約530 t。 支承結(jié)構(gòu)：12 ＋15 根支承柱(4 肢格構(gòu)柱)，共計27 個提升點；第一次提升區(qū)域1 ～14 軸，重量約215 t，鋼件數(shù)量6 953 件。 第二次提升區(qū)域14 ～27 軸，重量約312 t，鋼件數(shù)量10 172 件。 提升高度約11 m。

3.3 提升支架布置

對焊接好的網(wǎng)架進行驗收并合格后，通過已確定位置來布置相應(yīng)數(shù)量的格構(gòu)式井字架提升支架。每組提升支架上設(shè)置提升電動葫蘆4 只，每只葫蘆的起重能力為10 t。 葫蘆和網(wǎng)架之間采用鋼絲繩進行連接，其中一端的鋼絲繩需與網(wǎng)架的下弦球節(jié)點進行連接，且需用卡環(huán)進行鎖緊，同時另一端則要與葫蘆的吊鉤上進行固定。 為保證吊裝的準確性，吊裝前均需在每個網(wǎng)架提升架的位置懸掛卷尺，同時需檢查每一點提升的速度，以此保證網(wǎng)架整體提升的一致性。 為保證提升支架承重后的穩(wěn)定性，在網(wǎng)架的四角八字形設(shè)置手動葫蘆，手動葫蘆一端固定于鋼柱底部，一端固定于網(wǎng)架下弦，以此來控制在提升過程中，網(wǎng)架因輕微擺動而產(chǎn)生的誤差。

3.3.1 試提升

首先將所有倒鏈繃緊。 通過調(diào)整吊點確保每一根鋼絲繩作用上的點在球節(jié)點上，且保持不滑動。 通過統(tǒng)一指揮，開始進行提升操作，同時開始每個提升點倒鏈的拉動，使得網(wǎng)架緩慢脫離地面，在離開地面100 mm 后，停止提升。

在提升過程中時刻需關(guān)注支架的地面沉降量，當沉降量過大時，須及時暫停網(wǎng)架的提升，通過進行支架的基礎(chǔ)處理，或者可以通過加大支架底部的鋼板面積來進行處理。 同時需靜置2 h 后，通過二次檢查，如果仍未出現(xiàn)異?，F(xiàn)象則可繼續(xù)進行提升。

3.3.2 正式提升

通過統(tǒng)一指揮下達指令進行網(wǎng)架的提升，同時開始倒鏈的拉動工作，從而讓網(wǎng)架緩緩提升(見圖2)。

圖2 屋蓋提升

為了避免提升高度出現(xiàn)偏差，通過在支架設(shè)置等高線進行精度的保證，等高線每隔500 mm 設(shè)一道，同時保證每個點的高度不得超過100 mm，在等高線標識的位置進行找平。 找平時由每個支架的組長負責(zé)向總指揮報告找平情況。

提升過程中，檢查人員要隨時觀察支架的根部有無翹起的情況，一旦出現(xiàn)需及時報送責(zé)任人并進行整改。 網(wǎng)架提升過程中，應(yīng)配合調(diào)整四周錨固攬風(fēng)繩的長度。 提升范圍：網(wǎng)架屋蓋、采光頂、雨棚等。 提升重量：約530 t。 支承結(jié)構(gòu)：二區(qū)重量約215 t 設(shè)12 個提升支架；一區(qū)重量約312 t 設(shè)15 個提升支架。

3.4 提升支架形式

提升支架和橫梁：此項目中拔桿使用φ159 ×6圓管及∠50 ×5 角鋼搭設(shè)而成，拔桿頂部標高20 m，平面尺寸為1.8 m×1.8 m。 拔桿頂部使用φ180 ×10 圓管制作十字橫梁，端點懸掛手拉葫蘆。 頂部支撐懸挑出支架500 mm，距端點200 mm 處為葫蘆掛點。

提升架的架設(shè)與網(wǎng)殼拼裝穿插同步進行，提升前完成提升系統(tǒng)的安裝、調(diào)試和驗收等工作，提升架的設(shè)置位置應(yīng)避開桿件位置，同時應(yīng)盡量落在梁上，減少對結(jié)構(gòu)的加固工作量。 提升架底部自由坐落于地基上。

在滑移前檢查是否所有支點都超過了格構(gòu)柱頂。 增加錨固點在柱頂?shù)乃降规湣?/p>

3.4.1 滑移就位

主提升倒鏈的拉緊操作和松動操作同時進行，使得網(wǎng)架慢慢移動。 第一階段放松近繩倒鏈，兩側(cè)倒鏈隨著網(wǎng)架的運動進行調(diào)整，使得網(wǎng)架將初始偏移變?yōu)?，然后繼續(xù)放松原近繩倒鏈直到其失效，使得網(wǎng)架繼續(xù)運動，當?shù)规? 失效時，網(wǎng)架由3個倒鏈形成平衡狀態(tài)，這時的偏移距離已經(jīng)很接近于就位位置。 第二階段施加額外的水平力將網(wǎng)架拽到位。

水平倒鏈起到輔助作用，不得生拉硬拽。 網(wǎng)架周邊的輔助拖拉繩，會隨這網(wǎng)架的移動而進行適當?shù)恼{(diào)整，以此避免整個系統(tǒng)在提升過程中失穩(wěn)。 同時網(wǎng)架在滑移過程中，須時刻觀察支架根部有無翹起的情況，一旦發(fā)現(xiàn)須立即整改。

網(wǎng)架滑移就位后，及時降落到柱頂，并采用水平倒鏈對支座在柱頂?shù)奈恢眠M行調(diào)整，以確保支座的位移符合規(guī)范設(shè)計要求。

同時當支座調(diào)整好后，便調(diào)松動相關(guān)倒鏈，使得網(wǎng)架的承重在柱頂，此時需使倒鏈保持繃緊狀態(tài)。

3.4.2 網(wǎng)架與原有結(jié)構(gòu)連接

網(wǎng)架就位后開始安裝在地面抽空的桿件。 螺栓球桿件的安裝應(yīng)注意桿件是否擰緊，不得有假連接現(xiàn)象。 焊接球桿件的安裝應(yīng)適當增加桿件的縫隙，但不得隨意切割桿件。

3.4.3 卸載及提升支架的拆除

當所有桿件補充完畢后，按照一定順序逐點松動倒鏈，使得倒鏈處于非工作狀態(tài)。 卸載應(yīng)按照由兩邊向中間的順序進行；分階段逐步卸荷并對網(wǎng)架進行撓度觀測。 拆除設(shè)備和支架，在支架的拆除過程中，不得使用網(wǎng)架桿件作為吊點。

網(wǎng)架整體到位后，首先安裝網(wǎng)架后補桿件，焊接完成后，提升系統(tǒng)卸載，拆除加固桿件、提升設(shè)備、平臺等。 網(wǎng)架最終就位位置為下弦桿件(支座)，坐落于柱頂。

(1)提升原理簡介(見圖3)

圖3 提升原理

提升過程：在上升過程中F1 和F2 在變大，F(xiàn)1a的垂直分力是在變大，F(xiàn)2a 的垂直分力在減小；可以通過調(diào)節(jié)兩側(cè)受力的大小，維持網(wǎng)架的平衡和產(chǎn)生一定方向的位移；每個支架4 個倒鏈能夠提供最大提升力20 t，實際使用控制在15 t。

(2)滑移過程(見圖4)

圖4 網(wǎng)架滑移示意

減小F1，網(wǎng)架向F1 方向位移，F(xiàn)4 增大；當F1 ＝0時，F(xiàn)4 ＜10 t。

在施加水平力F0 后F1 和F2、F3 增加，F(xiàn)4 減小，網(wǎng)架就位。

(3)提升系統(tǒng)的穩(wěn)定

無額外水平力時，支架穩(wěn)定，當有額外水平力時應(yīng)控制其大小不超過1 t。 支架的4 個支點的反力出現(xiàn)1 個以上拉力時，支架傾覆。

網(wǎng)架滑移就位時，支架的穩(wěn)定性處于最不利狀態(tài)，而網(wǎng)架已經(jīng)處于格構(gòu)柱頂部，已經(jīng)處于安全狀態(tài)。

3.5 屋蓋高空平移

當提升至距離柱頂約10 mm 時暫停，觀測支座對柱中心線偏移，對存在的偏差進行調(diào)整，調(diào)整以后緩慢提升，到達柱頂標高以后用人工和葫蘆進行水平移動。

4 施工過程模擬驗算

4.1 分析目的

由于屋蓋提升施工過程復(fù)雜，施工過程的安全性及結(jié)構(gòu)自身的安全性至關(guān)重要[11-12]，故對屋蓋提升施工過程進行計算機仿真分析。 非線性施工過程模擬采用大型通用有限元軟件MIDAS GEN 8.2.1。 計算鋼屋蓋在整體提升過程中桿件強度、剛度、整體穩(wěn)定是否滿足相應(yīng)的規(guī)范要求。

4.2 模型設(shè)置

分析模型：鋼屋蓋整體模型。

邊界約束：提升點處設(shè)置豎向約束。

4.3 提升過程靜力分析

靜止狀態(tài)下，支點之間為四跨連續(xù)簡支梁，受力比較均勻，利用midas civil 進行結(jié)構(gòu)有限元分析，桿件(單元)按照空間無側(cè)移框架進行分析，此時單元應(yīng)力最大應(yīng)力123 MPa ＜310 MPa，受力滿足要求。

4.4 提升過程動態(tài)及變形分析

提升時由于提升設(shè)備提升力一致，中間一排支架邊界約束放開，改用61 kN(各提升點受力均勻取其平均值)的拉力替代拉索對提升過程進行動態(tài)模擬，同樣采用無側(cè)移空間結(jié)構(gòu)計算模型。 網(wǎng)架變形均小于設(shè)計允許變形值。

5 結(jié)束語

總之，通過地面錯位拼裝，提升到設(shè)計標高以后平移到柱頂?shù)氖┕し椒?，和常用的投影下方拼裝再整體提升到設(shè)計標高的施工方法相比，大大減少了高空塞桿的數(shù)量，提高了功效、保證了安裝精度、降低了成本，具有顯著的經(jīng)濟效益，值得在今后類似工程中推廣。