大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋蓋吊裝施工技術(shù)分析

張翔宇，葛 方，潘湘東，巫明杰，王 權(quán)，李 旭

(1.江蘇滬寧鋼機(jī)股份有限公司，江蘇 無(wú)錫 214231； 2.中鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司基礎(chǔ)設(shè)施事業(yè)部，北京 100043)

1 工程概況

臺(tái)州中心站站房屋蓋主要由主桁架、次桁架、鋼柱構(gòu)成，形成鋼管混凝土柱+正交空間管桁架結(jié)構(gòu)體系，其中主桁架主要采用三角桁架和四角桁架結(jié)構(gòu)形式，主體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 主體結(jié)構(gòu)示意

中央站房及西站房屋蓋最大跨度分別為74.1，80.4m，最大高度均為38.5m。站房屋蓋主要采用Q355B，Q355GJB鋼材，屋蓋各桿件均為無(wú)縫圓管或直縫圓管，中央站房屋蓋鋼柱采用圓管混凝土柱，鋼柱內(nèi)灌注C40混凝土；西站房屋蓋鋼柱主要采用圓管混凝土柱和格構(gòu)式圓管柱，屋蓋平面布置如圖2所示。

圖2 屋蓋平面布置

2 施工難點(diǎn)分析

1)現(xiàn)場(chǎng)拼裝工作量大，精度要求高 屋蓋桁架結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面尺寸過(guò)大，無(wú)法在工廠進(jìn)行分段制造，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件有限，但拼裝精度需滿足吊裝要求。因此，在保證高精度的情況下，現(xiàn)場(chǎng)完成大量構(gòu)件拼裝工作存在困難。

2)吊裝要求高 屋蓋桁架結(jié)構(gòu)最大跨度80.4m，最大高度38.5m，結(jié)構(gòu)質(zhì)量較大，對(duì)吊裝半徑有很大影響，并且屋面下方存在混凝土樓板，因此，應(yīng)選擇合適的吊裝機(jī)械與吊裝方案。

3)卸載控制難度大 鋼屋蓋跨度大，桿件局部受力變化對(duì)整體受力產(chǎn)生較大影響。卸載過(guò)程中，卸載點(diǎn)數(shù)量多且卸載時(shí)間長(zhǎng)，要保證大跨度屋蓋安全穩(wěn)定地卸載至正確位置，難度很大。

3 鋼結(jié)構(gòu)安裝方案

3.1 屋蓋區(qū)域劃分

將中央站房屋蓋劃分為提升1區(qū)和提升2區(qū)，如圖3所示，在高架層上現(xiàn)場(chǎng)拼接屋蓋桁架體系，然后依次提升，直至設(shè)計(jì)標(biāo)高，每個(gè)提升區(qū)均可獨(dú)立卸載。西站房屋蓋劃分成提升區(qū)和吊裝區(qū)，如圖4所示，提升區(qū)各桁架結(jié)構(gòu)均在對(duì)應(yīng)的進(jìn)站層及高架層上進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)拼裝，通過(guò)3次提升，達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高，隨后在吊裝區(qū)布置臨時(shí)支撐，使用履帶式起重機(jī)進(jìn)行分段吊裝，吊裝完成后分別卸載。

圖3 中央站房房屋蓋提升區(qū)劃分

圖4 西站房屋蓋施工分區(qū)

3.2 中央站房及西站房施工

中央站房施工順序如下：先降低提升1區(qū)(1-15)～(1-18)軸的跨中桁架，然后對(duì)跨中桁架進(jìn)行第1次提升，與(1-13)～(1-15)軸及(1-18)～(1-19) 軸的邊跨桁架對(duì)接，隨后將(1-A)～(3-E)軸桁架進(jìn)行整體提升，最后卸載提升1區(qū)提升架；②按照提升1區(qū)的拼裝順序，對(duì)提升2區(qū)的桁架進(jìn)行拼裝、提升及卸載。

西站房施工順序如下：①為方便提升，減小高度，提升區(qū)屋蓋結(jié)構(gòu)拼裝工作分別在其投影下的高架層和進(jìn)展層進(jìn)行，其中(2-5)～(2-8)軸屋架結(jié)構(gòu)先在進(jìn)站層上拼裝，提升至與高架層對(duì)應(yīng)位置的中跨桁架對(duì)接，然后將中跨桁架((2-5)～(2-8)軸桁架)整體提升至與兩邊跨桁架((2-2)～(2-5)軸及(2-8)～(2-11)軸桁架)對(duì)接，最后整體提升至設(shè)計(jì)標(biāo)高，卸載提升區(qū)的提升架；②布置15個(gè)臨時(shí)支撐，主桁架間次構(gòu)件配合主桁架同步安裝，吊裝完成后，卸載臨時(shí)支撐(見(jiàn)圖5)。

圖5 西站房屋蓋吊裝區(qū)臨時(shí)支撐布置

站房屋蓋施工工況如下：①拼裝中央站房提升1區(qū)，并進(jìn)行第1次提升；②提升1區(qū)整體二次提升至設(shè)計(jì)標(biāo)高；③卸載提升1區(qū)提升架；④拼裝中央站房提升2區(qū)，并進(jìn)行第1次提升；⑤提升2區(qū)整體二次提升至設(shè)計(jì)標(biāo)高；⑥卸載提升2區(qū)提升架；⑦拼裝西站房提升區(qū)屋蓋，提升進(jìn)站層上拼裝的桁架；⑧整體提升提升區(qū)中跨桁架；⑨提升區(qū)中跨及邊跨桁架整體提升至標(biāo)高；⑩卸載西站房提升架；吊裝西站房屋蓋格構(gòu)柱，布置臨時(shí)支撐；吊裝主桁架分段、次桁架及次梁；北半幅吊裝完成；吊裝南半幅屋蓋；吊裝遠(yuǎn)端跨中主桁架；吊裝次梁；吊裝剩余屋蓋結(jié)構(gòu)；吊裝區(qū)卸載。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)拼裝工藝

由于屋蓋桁架結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面尺寸過(guò)大，工廠拼裝運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)難度大，故桁架構(gòu)件均在現(xiàn)場(chǎng)拼裝。為方便提升，提升區(qū)的桁架均在已建好的高架層樓面進(jìn)行拼裝，方案如下。

1)桁架拼裝前搭設(shè)拼裝胎架 用于現(xiàn)場(chǎng)拼裝桁架的胎架結(jié)構(gòu)構(gòu)件主要包括底座、立管、定位模板和斜撐。胎架設(shè)置時(shí)，首先根據(jù)桁架模型各桿件的水平投影鋪設(shè)工字鋼，相連后形成剛性拼裝平臺(tái)。吊裝區(qū)胎架底座采用HW300×300×10×15工字鋼，提升區(qū)由于存在澆筑完成的混凝土樓板結(jié)構(gòu)，故在混凝土樓板澆筑時(shí)，預(yù)埋件以作為拼裝胎架底座。建立由水平投影線、標(biāo)高線、檢驗(yàn)線及支點(diǎn)位置構(gòu)成的桿件軸線控制網(wǎng)，并提交驗(yàn)收。隨后根據(jù)支點(diǎn)標(biāo)高布置胎架模板，模板上口水平誤差≤1mm，當(dāng)胎架高度>3m時(shí)，應(yīng)設(shè)置斜撐，斜撐規(guī)格為φ102×6，此外，胎架高度需滿足全位置焊接要求，而且搭設(shè)后不應(yīng)產(chǎn)生明顯晃動(dòng)，胎架在驗(yàn)收合格后才可投入使用[1]。

2)弦桿、水平腹桿定位與拼接 通過(guò)分析，使用25t汽車(chē)式起重機(jī)現(xiàn)場(chǎng)拼裝分段弦桿，將弦桿分段吊裝至胎架上，通過(guò)對(duì)準(zhǔn)地樣線、對(duì)合線進(jìn)行桿件定位。通過(guò)測(cè)定弦桿端口，判斷是否合格，合格后即可固定于胎架上。待上、下弦桿定位合格后安裝腹桿，腹桿吊裝過(guò)程中，做好地樣線和對(duì)合線的定位工作。由于腹桿存在相貫坡口，故安裝過(guò)程中需觀測(cè)隱蔽坡口，按特定順序依次安裝。

3)桿件定位焊接 當(dāng)桿件定位安裝并驗(yàn)收合格后，對(duì)桿件進(jìn)行焊接，按照先下弦桿后上弦桿的順序，從下向上進(jìn)行兩側(cè)對(duì)稱施焊，最后對(duì)焊縫進(jìn)行探傷檢測(cè)。

4)檢測(cè)、驗(yàn)收 當(dāng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件現(xiàn)場(chǎng)拼裝結(jié)束后，使用全站儀測(cè)量整體結(jié)構(gòu)拼裝精度，驗(yàn)收合格后方可進(jìn)行吊裝施工。

3.4 鋼結(jié)構(gòu)安裝技術(shù)

鋼結(jié)構(gòu)安裝分為提升及吊裝。提升作業(yè)前，應(yīng)做好提升設(shè)備安裝、調(diào)試及檢查工作，并進(jìn)行試提升。試提升過(guò)程中，按比例分級(jí)加載至結(jié)構(gòu)全部離地約30cm，并在空中懸停12h后，調(diào)整結(jié)構(gòu)至設(shè)計(jì)位置，待試提升成功后，進(jìn)行正式提升，當(dāng)各點(diǎn)就位后，逐點(diǎn)卸載鋼絞線，確保支撐立柱荷載被逐級(jí)施加，待吊裝完成后進(jìn)行卸載。

中央站房屋蓋在高架層樓面上拼裝，為方便提升，減少高空作業(yè)，將1-15～1-18軸屋蓋降低拼裝，然后提升至與兩側(cè)桁架對(duì)接，最后整體提升至設(shè)計(jì)標(biāo)高。中央站房屋蓋提升架一部分以結(jié)構(gòu)鋼柱作為支撐體系(見(jiàn)圖6a)，一部分在主桁架上搭設(shè)支撐體系以供后續(xù)提升(見(jiàn)圖6b)。提升過(guò)程中，隨著提升構(gòu)件質(zhì)量的變化，提升架受力也將發(fā)生改變。針對(duì)實(shí)際提升情況，對(duì)提升架受力及鋼柱穩(wěn)定性進(jìn)行模擬分析，結(jié)果表明提升架最大變形和最大應(yīng)力及鋼柱在最不利工況下的最大變形、最大應(yīng)力比及屈曲因子均滿足要求[2]。

圖6 提升架示意

由于中央站房屋蓋最大跨度達(dá)74.1m，故在主桁架下弦設(shè)置水平拉索以減小跨中變形(見(jiàn)圖7)。提升過(guò)程中，水平拉索的分級(jí)張拉與提升油缸同步。拉索一端為固定端，通過(guò)底錨支架與主結(jié)構(gòu)桁架下弦桿連接，另一端為張拉端，設(shè)置張拉油缸。拉索兩端與對(duì)應(yīng)桁架耳板采用銷(xiāo)軸連接，確保拉索可豎向自由轉(zhuǎn)動(dòng)(見(jiàn)圖8)。水平拉鎖端耳板厚度為30mm，拉鎖張拉力為1 728kN，350t的油缸儲(chǔ)備系數(shù)為2.03，鋼絞線共23條，其安全系數(shù)為3.46。

圖7 水平張拉立面

圖8 水平張拉節(jié)點(diǎn)模型

水平拉索張拉對(duì)大跨度屋蓋的提升十分重要，為確保安裝工程的安全性，還需對(duì)水平張拉點(diǎn)進(jìn)行變形及應(yīng)力模擬分析，確保水平張拉點(diǎn)的可靠性。

當(dāng)屋蓋提升時(shí)，為進(jìn)一步減小結(jié)構(gòu)應(yīng)力及變形，對(duì)提升1，2區(qū)交界處及鋼柱周邊桁架進(jìn)行加固處理。為方便后續(xù)施工，減少拆除工程量(不影響外觀的加固構(gòu)件后期可不拆除)，要求加固構(gòu)件與主體結(jié)構(gòu)間采用等強(qiáng)焊接。

西站房吊裝區(qū)屋蓋桁架結(jié)構(gòu)主要使用履帶式起重機(jī)進(jìn)行吊裝，由于屋蓋跨度大，吊裝過(guò)程中，桁架體系易產(chǎn)生形變，吊裝前對(duì)吊裝屋蓋進(jìn)行模擬分析，以確保安全可靠。

4 鋼結(jié)構(gòu)卸載方案

鋼結(jié)構(gòu)卸載主要難點(diǎn)在于卸載過(guò)程受力復(fù)雜，卸載設(shè)備同步控制難度大。卸載過(guò)程中，主體結(jié)構(gòu)及支架受荷情況發(fā)生變化，主體結(jié)構(gòu)逐步由支撐受力狀態(tài)過(guò)渡至自由受力狀態(tài)，支架則逐步演化成無(wú)荷狀態(tài)，結(jié)構(gòu)體系產(chǎn)生內(nèi)力重分布現(xiàn)象[3-4]。因此，支架形式的正確選擇是大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋蓋安全卸載的關(guān)鍵。卸載方案遵循分區(qū)、分級(jí)、均衡、緩慢的原則，主要包括提升架、拉索卸載及吊裝區(qū)臨時(shí)支撐卸載。

當(dāng)多種方案進(jìn)行多方面比較后，采用整體下降技術(shù)控制屋蓋提升區(qū)桁架的卸載工作。提升架卸載過(guò)程中，支架承受的荷載通過(guò)提升油缸系統(tǒng)按分級(jí)控制卸載量的方式(10%，30%，50%，70%，90%，100%)，逐級(jí)減小荷載，其中卸載量應(yīng)根據(jù)計(jì)算得出，該過(guò)程通過(guò)計(jì)算機(jī)統(tǒng)一指揮施行，確保各卸載點(diǎn)卸載過(guò)程的同步性。拉索卸載應(yīng)遵循防止桁架變形的原則，在提升架卸載完成及主次桁架連接形成整體后進(jìn)行。和提升架的卸載方式相同，由計(jì)算機(jī)統(tǒng)一指揮，采用分級(jí)控制卸載量的方式(30%，50%，90%，100%)，逐級(jí)減小荷載，從而完成拉索卸載工作。此外，卸載時(shí)還應(yīng)觀測(cè)變形控制點(diǎn)產(chǎn)生的變形位移情況，產(chǎn)生較大偏差時(shí)，立刻停止卸載，待查明并排除問(wèn)題后繼續(xù)進(jìn)行卸載。

通過(guò)逐步割除胎架模板的方式進(jìn)行臨時(shí)支撐卸載，按照如圖9所示分區(qū)逐個(gè)進(jìn)行同步卸載。卸載前，需確保結(jié)構(gòu)不受附加約束，處于自由狀態(tài)，并保證臨時(shí)支撐的穩(wěn)定性。在臨時(shí)支撐卸載過(guò)程中，每次割除的模板高度主要受支撐點(diǎn)的卸載位移量影響，控制在5～10mm，在某一步割除工作后，結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)向下的位移時(shí)，即可拆除支撐。在整個(gè)卸載過(guò)程中，需密切關(guān)注變形控制點(diǎn)的位移，當(dāng)出現(xiàn)較大偏差時(shí)，立刻停止卸載，待查明并排除問(wèn)題后繼續(xù)進(jìn)行卸載。

圖9 吊裝區(qū)臨時(shí)支撐卸載順序

5 施工全過(guò)程模擬

根據(jù)實(shí)際施工工況，通過(guò)MIDAS Gen 2017有限元軟件，計(jì)算出站房屋蓋在安裝過(guò)程中的變形、位移及應(yīng)力變化，分析整個(gè)施工周期中結(jié)構(gòu)存在的最不利情況，以便工程實(shí)施過(guò)程中做好防范措施。

仿真模擬分析表明，在完整的施工周期中，屋蓋結(jié)構(gòu)位移、應(yīng)力均滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求，整個(gè)施工方案合理可靠。

6 結(jié)語(yǔ)

1)臺(tái)州中心站站房屋蓋跨度大、構(gòu)件截面尺寸大，故選擇現(xiàn)場(chǎng)拼裝、吊裝提升的方法進(jìn)行安裝施工。通過(guò)有限元軟件進(jìn)行仿真模擬分析，結(jié)果表明，方案設(shè)計(jì)合理，安裝過(guò)程中，主體結(jié)構(gòu)變形、位移及應(yīng)力均滿足設(shè)計(jì)要求。

2)使用胎架輔助構(gòu)件定位拼接的工藝具有很好的精準(zhǔn)性，為后續(xù)工作打好堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。在大跨度桁架跨中進(jìn)行水平張拉，施加預(yù)應(yīng)力，很好地減小提升過(guò)程中主體結(jié)構(gòu)變形與應(yīng)力。對(duì)提升吊裝過(guò)程中提升架、鋼柱及主體結(jié)構(gòu)的變形與應(yīng)力進(jìn)行模擬分析，為提升吊裝工藝的安全可靠性提供理論支持。

3)提升架及拉索卸載采用分級(jí)控制卸載量的方式，逐級(jí)減小荷載，臨時(shí)支撐卸載主要通過(guò)切割胎架的方式，為保證卸載過(guò)程的同步性，卸載過(guò)程中，密切觀測(cè)變形控制點(diǎn)的變形位移量，確保主體結(jié)構(gòu)在卸載過(guò)程中安全可靠。