大跨度管桁架屋蓋整體提升施工工藝及仿真分析

劉慶嶺LIU Qing-ling

（山東鐵投集團(tuán)魯南高速鐵路有限公司，濟(jì)南 250014）

0 引言

目前，大跨度管桁架屋蓋在體育場(chǎng)、機(jī)場(chǎng)和鐵路客站等一系列大跨度空間結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用愈發(fā)廣泛[1-2]。其施工安裝方法，大致可分為兩類，一類是高空散拼法[3-4]；一類是整體頂（提）升法[5]。

其中，高空散拼法所需材料耗費(fèi)及焊接作業(yè)量大，工期長且占用施工場(chǎng)地，施工質(zhì)量控制難度高。相較傳統(tǒng)高空拼裝的施工技術(shù)，液壓整體頂升技術(shù)一方面對(duì)頂升設(shè)備的性能要求不高，一般的液壓千斤頂就能滿足要求；另一方面，大部分的鋼結(jié)構(gòu)桿件焊接、拼裝工作在地面或接近地面處就已完成，結(jié)構(gòu)頂升至預(yù)定高度后僅需要完成小部分的后補(bǔ)桿件及節(jié)點(diǎn)的安裝，施工難度得以大幅降低，高空作業(yè)大幅縮減，施工質(zhì)量從而得到了保障；同時(shí)，該方法對(duì)施工過程的模擬和施工工藝提出了更嚴(yán)格的要求[6-7]。

針對(duì)大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)的整體頂（提）升方法，蘆文文[8]以吉安體育場(chǎng)屋蓋結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象，使用SAP2000 對(duì)吉安體育場(chǎng)的吊裝階段、安裝階段和卸載階段進(jìn)行監(jiān)測(cè)，確保體系在施工階段的安全性。周世武[9]以大跨度管桁架屋蓋為背景，對(duì)施工過程進(jìn)行了劃分，進(jìn)而計(jì)算出各施工段的應(yīng)力及位移，完善了施工方案。田黎敏[10]以某大學(xué)生運(yùn)動(dòng)會(huì)主體育場(chǎng)工程為依托，使用MIDAS GEN 建立有限元模型，通過計(jì)算各施工段結(jié)構(gòu)的應(yīng)力及位移，進(jìn)而確定了最佳施工方案。接著將數(shù)值模擬結(jié)構(gòu)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，從而使施工模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性得以驗(yàn)證。

基于此，考慮到該站房工程工期緊、場(chǎng)地受限、高空大跨吊裝難度大等情況，本文采用了一種循環(huán)頂升系統(tǒng)，并形成了管桁架屋蓋“原位拼裝+整體液壓提升”的施工工藝。同時(shí)，結(jié)合有限元軟件對(duì)結(jié)構(gòu)提升過程中的受力情況進(jìn)行分析驗(yàn)算，對(duì)提升過程中各結(jié)點(diǎn)的安裝精度進(jìn)行嚴(yán)格控制，并成功應(yīng)用于新建青島西站站房屋蓋工程。

1 工程概況

新建青島西站主站房管桁架屋蓋為大跨度高拱度管桁架結(jié)構(gòu)，長232.3m，寬132.4m，投影面積為31306m2，總重5320t，主桁架跨度72m，上下弦中心高度2.5～4.5m。本工程屋面桁架的最大安裝標(biāo)高為+38.330m，若采用分件高空散裝，不但高空組裝和焊接工作量大，且施工進(jìn)度難以保證，現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械設(shè)備很難滿足吊裝要求；另外高空拼裝所需的胎架搭設(shè)時(shí)存在很大的安全及質(zhì)量隱患。施工難度大，不利于鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)安全的安裝、質(zhì)量以及工期的控制。該鐵路客站效果圖如圖1 所示。

圖1 鐵路客站效果圖

針對(duì)以上技術(shù)難點(diǎn)研發(fā)了循環(huán)頂進(jìn)提升系統(tǒng)，采用管桁架屋蓋“原位拼裝+整體液壓提升”施工工藝，解決了場(chǎng)地受限、高空大跨吊裝難題。提升系統(tǒng)示意圖如圖2 所示。

圖2 提升系統(tǒng)示意圖

2 提升原理與結(jié)構(gòu)安裝施工過程

2.1 被提升結(jié)構(gòu)

主站房屋蓋結(jié)構(gòu)采取跨外吊裝+整體提升相結(jié)合的總體思路進(jìn)行施工作業(yè)，即主站房屋蓋施工一區(qū)采用整體提升施工方案，施工二區(qū)桁架為跨外吊裝施工的總體思路如圖3 所示。

圖3 站房結(jié)構(gòu)立面布置圖

鋼結(jié)構(gòu)提升單元在其投影面正下方的站房樓面上拼裝為整體，同時(shí)，在屋面結(jié)構(gòu)層（標(biāo)高+26.887m）處，利用桁架結(jié)構(gòu)柱設(shè)置提升平臺(tái)（上吊點(diǎn)），在鋼結(jié)構(gòu)提升單元的屋面層桿件上與上吊點(diǎn)對(duì)應(yīng)位置處安裝提升臨時(shí)吊具（下吊點(diǎn)），上下吊點(diǎn)間通過專用底錨和專用鋼絞線連接。利用液壓同步提升系統(tǒng)將鋼結(jié)構(gòu)提升單元整體提升至設(shè)計(jì)安裝位置，并與預(yù)裝段牛腿等連接，完成安裝。

2.2 液壓提升原理

“液壓同步提升技術(shù)”以液壓提升器作為提升機(jī)具，柔性鋼絞線作為承重索具，鋼絞線具備安全可靠、承重件自身重量輕、安裝運(yùn)輸便捷、中間不必鑲接等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。

液壓提升器兩端的楔型錨具可單向自鎖。當(dāng)錨具工作（緊）時(shí)，會(huì)自動(dòng)鎖緊鋼絞線；錨具不工作（松）時(shí)，放開鋼絞線后其可上下活動(dòng)。該工藝將傳統(tǒng)千斤頂工藝進(jìn)行優(yōu)化，利用液壓泵源確保提升動(dòng)力，借助鋼絞線為提升載體，通過松緊上下錨實(shí)現(xiàn)循環(huán)頂進(jìn)提升。

2.3 結(jié)構(gòu)安裝施工方案

主站房大跨度管桁架屋蓋結(jié)構(gòu)整體提升過程分為5個(gè)階段，提升結(jié)構(gòu)示意圖如圖4 所示。

圖4 結(jié)構(gòu)整體提升示意圖

①提升前準(zhǔn)備：拼裝整體提升單元，依次安裝預(yù)裝段、液壓同步提升系統(tǒng)、提升下吊點(diǎn)、臨時(shí)吊具及專用底錨和專用鋼絞線。

②試提升：整體提升單元提升至150mm 后，持續(xù)4～12 個(gè)小時(shí)，檢查各部位運(yùn)行情況，對(duì)關(guān)鍵部位及支座的應(yīng)力變形進(jìn)行檢查和檢測(cè)。

③正式提升：試提升結(jié)束后，確保各項(xiàng)數(shù)據(jù)復(fù)核規(guī)范及方案要求后開始正式提升。

④后補(bǔ)桿件施工：從中間向兩邊進(jìn)行后補(bǔ)桿件焊接，每榀鋼管桁架兩端同時(shí)焊接，確保受力同步。

⑤卸載：在所有桁架和邊跨連成整體后進(jìn)行卸載。

3 提升施工過程仿真分析

3.1 被提升結(jié)構(gòu)分析

利用MIDAS Gen 對(duì)主站房的被提升鋼桁架屋蓋建立結(jié)構(gòu)模型，如圖5 所示，并進(jìn)行模擬分析。

圖5 被提升結(jié)構(gòu)模型

3.2 提升結(jié)果分析

表1 各階段提升結(jié)果

3.3 不同步驗(yàn)算

因提升設(shè)備設(shè)有不同步響應(yīng)系統(tǒng)，允許提升存在設(shè)定幅度的不同步，一旦不同步超越設(shè)定幅度，提升設(shè)備即自動(dòng)啟動(dòng)響應(yīng)系統(tǒng)以確保提升施工的安全。鋼結(jié)構(gòu)提升全過程由計(jì)算機(jī)同步控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，控制不同步提升位移在20mm 以內(nèi)（以提升力控制為主）。模擬中，加載不同步提升吊點(diǎn)位移20mm，對(duì)結(jié)構(gòu)自身復(fù)核。

分析得出，不同步工況下，最大應(yīng)力比為0.73，僅在不同步吊點(diǎn)附近的桿件應(yīng)力比稍有改變，應(yīng)力比均小于1，在可控制范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)整體的應(yīng)力比變化情況不大。

4 提升平臺(tái)有限元分析

利用鋼柱設(shè)置提升平臺(tái)，提升平臺(tái)的提升梁規(guī)格為B400×400×20，斜撐規(guī)格為B300×300×16，水平加固桿選用P114×4。所有臨時(shí)措施材質(zhì)均為Q345B。結(jié)構(gòu)最大板厚12mm，鋼材抗拉、抗壓和抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值取310N/mm2。提升平臺(tái)各桿件之間均為焊接連接，焊縫均采用熔透焊縫，焊縫等級(jí)一級(jí)，加勁板采用角焊縫連接。提升平臺(tái)三維示意圖如6 所示。建立提升平臺(tái)的有限元計(jì)算模型，如圖7所示，采用Solid 45 單元。提升平臺(tái)采用基本荷載組合取820.4kN。

圖6 提升平臺(tái)示意圖

圖7 提升平臺(tái)模型

通過有限元計(jì)算，可以得到提升平臺(tái)在荷載作用下的應(yīng)力和變形情況，如圖8～圖9 所示?？梢钥闯?，提升平臺(tái)的最大應(yīng)力為192.02MPa，總體應(yīng)力分布較小，滿足應(yīng)力要求；提升平臺(tái)的最大位移為3.89mm，位移較小，滿足位移要求。因此，可以認(rèn)為提升平臺(tái)滿足設(shè)計(jì)要求。

圖8 提升平臺(tái)—應(yīng)力

圖9 提升平臺(tái)—變形

5 結(jié)論

①該管桁架屋蓋“原位拼裝+整體液壓提升”施工方法有效提高了工作效率、解決了高空作業(yè)的難題，有利于整體進(jìn)度的控制，同時(shí)使得安裝精度得到了保證。

②結(jié)構(gòu)在提升階段最大豎向位移為139mm，小于L/250=288mm；最大應(yīng)力為185N/mm2，小于295N/mm2；最大應(yīng)力比為0.73，小于1，滿足要求。

③整體提升的施工工藝，減少了架體的搭設(shè)和起重機(jī)械作業(yè)等措施，措施作業(yè)相對(duì)較少，有利于施工成本的控制。

④該仿真分析過程及結(jié)論在工程實(shí)踐中已被成功應(yīng)用，將為類似工程設(shè)計(jì)和仿真分析提供參考。