高聳超大跨度雙環(huán)試驗(yàn)塔架鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)

范銳釗，邢 偉，趙東生，黃 科，李朝陽

(1.北京市機(jī)械施工集團(tuán)有限公司，北京 100045；2.北京特種工程設(shè)計(jì)研究院，北京 100028)

1 工程概況

低重力模擬試驗(yàn)平臺(tái)是我國(guó)向火星發(fā)射探測(cè)器前地面模擬試驗(yàn)的重要試驗(yàn)平臺(tái)，主要用來在地面模擬完成“天問一號(hào)”探測(cè)器懸停、避障、緩速下降及觸火關(guān)機(jī)等驗(yàn)證試驗(yàn)，以滿足各試驗(yàn)工況技術(shù)指標(biāo)要求，并獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

低重力模擬試驗(yàn)平臺(tái)為高聳塔架構(gòu)筑物(見圖1)，由塔架和頂部雙環(huán)桁架組成(見圖2),總用鋼量約為7 000t。塔架由鋼管混凝土柱、水平腹桿、斜腹桿和鋼梯組成，鋼管混凝土圓柱直徑為680，630mm，壁厚20，22m，水平腹桿按7m/層布置，斜腹桿呈八字形布置。

圖1 低重力模擬試驗(yàn)平臺(tái)效果

圖2 高聳塔架整體示意

6個(gè)格構(gòu)式塔架內(nèi)接于1個(gè)內(nèi)徑152m的圓上，5號(hào)塔架共31層，每層高7m。在標(biāo)高140.000m以下，平面尺寸為18m×12m，共11根鋼管柱；標(biāo)高140.000m以上，平面尺寸變?yōu)?2m×9m，鋼管柱9根。1～4，6號(hào)塔架共20層，每層高7m，外形呈梯形立方體，底部平面尺寸為18m×12m，頂部收縮為12m×12m，共6根鋼管柱。

頂部雙環(huán)桁架包括外環(huán)桁架和內(nèi)環(huán)桁架(見圖3)。外環(huán)桁架共6榀，均勻分布在6個(gè)塔架之間，每榀桁架跨度約57m，重約100t，頂面標(biāo)高為140.000m；內(nèi)環(huán)桁架跨度為116m，重約1 000t，頂面標(biāo)高為140.000m。

圖3 140.000m標(biāo)高平面布置

2 鋼結(jié)構(gòu)總體施工流程

施工準(zhǔn)備→第1節(jié)塔架安裝→第1節(jié)塔架鋼管混凝土澆筑→第2節(jié)塔架安裝及混凝土澆筑→第(i+1)節(jié)塔架安裝(i=2)及混凝土澆筑→外環(huán)桁架拼裝和提升→內(nèi)環(huán)桁架拼裝和提升→拆除5臺(tái)塔式起重機(jī)→5號(hào)塔架第11節(jié)塔架安裝及混凝土澆筑→5號(hào)塔架第(i+1)節(jié)塔架安裝(i=11)及混凝土澆筑→拆除5號(hào)塔式起重機(jī)。

3 超高塔架鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)

3.1 群塔作業(yè)

為完成塔架鋼結(jié)構(gòu)吊裝任務(wù)，在塔架外側(cè)布置6臺(tái)外附著自升塔機(jī)(見圖4)，即每個(gè)塔架各1臺(tái)。6臺(tái)塔式起重機(jī)分為3層高度，1，5號(hào)塔式起重機(jī)為最高層，2～4號(hào)塔式起重機(jī)為中間層，4號(hào)塔式起重機(jī)為最低層。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)塔式起重機(jī)布置

塔式起重機(jī)高度為149.9～227m，共附著2～5道，頂升2～5次(見表1)。

表1 群塔作業(yè)控制

由于塔式起重機(jī)周圍有障礙物、頂部外環(huán)桁架完工后對(duì)塔式起重機(jī)拆除的影響、外環(huán)桁架提升時(shí)需臨時(shí)拆除1根附著桿等因素，造成塔式起重機(jī)附著結(jié)構(gòu)成為異形附著結(jié)構(gòu)，附著角度不佳，因此，采用多桿體系，對(duì)附著框和附著桿進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計(jì)，然后通過可調(diào)式抱柱圈附著在塔架鋼管柱上。

繪制塔式起重機(jī)附著頂升動(dòng)態(tài)全圖，模擬塔式起重機(jī)初裝、附著、頂升、吊裝等全流程，采用塔式起重機(jī)防碰撞系統(tǒng)，防止塔式起重機(jī)之間的碰撞、塔式起重機(jī)吊鉤鋼絲繩與大臂的碰撞、塔式起重機(jī)與主體結(jié)構(gòu)的碰撞等。

3.2 吊裝

塔架在高度方向按每2層1節(jié)(14m)進(jìn)行分段，在平面上分成3個(gè)吊裝單元，吊裝單元最重45t，采用地面拼裝、分片吊裝的方法進(jìn)行平行施工。

每節(jié)塔架施工流程為：地面拼裝塔架單元→吊裝塔架單元→操作架第1次升高→安裝第1層腹桿→焊接→操作架第2次升高→安裝第2層腹桿→焊接→澆筑鋼管柱內(nèi)混凝土→進(jìn)行下節(jié)塔架施工。

3.3 超高塔架多操作面施工平臺(tái)

塔架超高且無樓板，均為超高空懸空作業(yè)，且存在多工種交叉作業(yè)、立體作業(yè)等情況，極易發(fā)生高空墜落、物體打擊、火災(zāi)等，防護(hù)難度大，施工風(fēng)險(xiǎn)高。經(jīng)過詳細(xì)比選，設(shè)計(jì)了超高塔架多操作面施工平臺(tái)，具有自重小，安裝、升高、拆除等簡(jiǎn)單靈活的特點(diǎn)。

施工平臺(tái)包括外施工平臺(tái)和內(nèi)施工平臺(tái)，采用槽鋼、角鋼、鋼管及花紋板等焊接而成，高度為15.3m。外施工平臺(tái)設(shè)置了5層操作平臺(tái)，為塔架外側(cè)鋼結(jié)構(gòu)吊裝、焊接、檢測(cè)和防腐施工等提供操作面，同時(shí)其外側(cè)安裝安全網(wǎng)、內(nèi)部設(shè)置爬梯，分別作為塔架外防護(hù)和垂直通道。外操作架通過雙層錨固支腿外附于塔架上、下2層水平腹桿上(見圖5)，錨固支腿由橫梁和限位立柱組成，間隔3m，限位立柱間距略大于水平腹桿外徑。為防止架體向外傾覆，利用索具將架體頂部與塔架結(jié)構(gòu)連接牢固，利用塔式起重機(jī)爬升，形成流水施工。

圖5 外施工平臺(tái)錨固

內(nèi)施工平臺(tái)共有3層操作平臺(tái)，可同時(shí)進(jìn)行吊裝、焊接作業(yè)，利用塔式起重機(jī)升高，形成流水施工，底層平臺(tái)為封閉式，可存放施工器具；中層及上層平臺(tái)中間鏤空，可將施工器具利用塔式起重機(jī)裝卸于底層平臺(tái)上。利用底部4個(gè)錨固支腿擱置于塔架結(jié)構(gòu)上，通過U形抱箍與塔架結(jié)構(gòu)內(nèi)部水平桿固定，錨固支腿由橫梁及U形抱箍組成(見圖6)。

圖6 內(nèi)施工平臺(tái)錨固

3.4 測(cè)量技術(shù)

1)采用GPS和高精度全站儀布置測(cè)量控制網(wǎng)，使用全站儀和垂準(zhǔn)儀測(cè)放施工基準(zhǔn)點(diǎn)，在塔架外側(cè)設(shè)置多個(gè)測(cè)量控制點(diǎn)。

2)塔架鋼結(jié)構(gòu)安裝采用全站儀坐標(biāo)法進(jìn)行測(cè)量校正，精確定位每節(jié)柱，必要時(shí)通過2個(gè)測(cè)點(diǎn)互相測(cè)校。

3)為規(guī)避日照效應(yīng)和風(fēng)的影響，測(cè)量校正盡量選擇日出前及太陽落山后氣溫較均勻時(shí)段或陰天且風(fēng)力小于5級(jí)時(shí)。

4)在固定時(shí)間進(jìn)行停塔測(cè)量校正。

5)同步監(jiān)測(cè)施工，建立測(cè)量數(shù)據(jù)庫(kù)，分析測(cè)量數(shù)據(jù)，找出結(jié)構(gòu)變形規(guī)律，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量工作。

3.5 焊接

1)選用CO2氣體保護(hù)焊為主、手工電弧焊為輔的焊接方法，對(duì)焊工進(jìn)行專門的高空焊接培訓(xùn)，適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的需要，提高焊接質(zhì)量。

2)采用結(jié)構(gòu)對(duì)稱焊、節(jié)點(diǎn)對(duì)稱焊、分段焊等來控制焊接變形，嚴(yán)格控制焊接質(zhì)量，及時(shí)進(jìn)行焊縫的無損檢測(cè)。

3)做好焊接過程中的跟蹤監(jiān)測(cè)，總結(jié)焊接變形規(guī)律[6]，優(yōu)化焊接順序，指導(dǎo)后續(xù)施工。

4)嚴(yán)格控制剖口形式、尺寸及表面清潔等，同時(shí)做好施工防風(fēng)、預(yù)熱、焊后保溫等措施。

3.6 鋼管混凝土澆筑

塔架C40自密實(shí)鋼管混凝土采用高拋澆筑法進(jìn)行施工，塔架42m以下鋼管混凝土采用泵車泵送，42m以上鋼管混凝土采用塔式起重機(jī)吊運(yùn)吊斗澆筑,同一節(jié)管內(nèi)的混凝土要連續(xù)澆筑。

4 超高大跨度雙環(huán)桁架提升技術(shù)

4.1 外環(huán)桁架分塊

采用地面原位拼裝、液壓千斤頂提升就位的施工方法分別將6榀外環(huán)桁架提升就位。

桁架提升高度約133m，每榀布置4個(gè)提升點(diǎn)，采用40t液壓千斤頂進(jìn)行提升，在每個(gè)塔架頂部平臺(tái)設(shè)置1臺(tái)液壓泵站，控制對(duì)應(yīng)提升點(diǎn)的千斤頂。在塔架頂部平臺(tái)布置1臺(tái)計(jì)算機(jī)控制柜進(jìn)行提升同步控制。

4.2 內(nèi)環(huán)桁架

內(nèi)環(huán)桁架懸臂桁架端部設(shè)有7m高下弦三角區(qū)(見圖7)，根據(jù)內(nèi)環(huán)桁架結(jié)構(gòu)類型和作業(yè)環(huán)境，采用地面分步拼裝、下弦三角區(qū)自旋轉(zhuǎn)就位、累積提升的方法施工。

圖7 內(nèi)環(huán)桁架下弦三角區(qū)

待外環(huán)桁架全部卸載完成且內(nèi)環(huán)桁架第1次拼裝完成后，安裝內(nèi)環(huán)桁架提升上錨點(diǎn)；然后進(jìn)行整體提升設(shè)備的安裝及調(diào)試，調(diào)試完成后進(jìn)行內(nèi)環(huán)桁架第1步提升的試提升；將內(nèi)環(huán)桁架整體提升7m，當(dāng)內(nèi)環(huán)桁架固定后拼裝內(nèi)環(huán)桁架下弦三角區(qū)剩余桿件；將內(nèi)環(huán)桁架整體提升126m就位；最后進(jìn)行內(nèi)環(huán)桁架合龍和卸載。

桁架提升高度為133m，布置12個(gè)提升點(diǎn)(見圖8)，采用200t液壓千斤頂進(jìn)行提升，提升上錨點(diǎn)設(shè)置在塔架鋼管混凝土柱頂，提升下錨點(diǎn)設(shè)置在上弦桿端部。

圖8 內(nèi)環(huán)桁架提升點(diǎn)布置

下弦三角區(qū)自旋轉(zhuǎn)提升的施工流程如下。

1)步驟1 當(dāng)內(nèi)環(huán)桁架中弦和上弦拼裝完成后，進(jìn)行下弦三角區(qū)單片桁架的地面拼裝(見圖9)。

2)步驟2 安裝U形懸掛件，將拼裝好的下弦三角區(qū)單片桁架分別可動(dòng)地連接在中弦桿上。

3)步驟3 進(jìn)行內(nèi)環(huán)桁架第1次提升，提升高度為8m，提升過程中，掛在中弦桿上、下弦三角區(qū)的單片桁架單元隨之以其所掛的桿件為軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。

4)步驟4 繼續(xù)提升，單片桁架繼續(xù)隨之旋轉(zhuǎn)，直至下弦三角區(qū)單片桁架均離開地面變?yōu)榇怪睜顟B(tài)，停止提升，鎖緊提升設(shè)備，同時(shí)采用防風(fēng)措施臨時(shí)固定內(nèi)環(huán)桁架，然后采用調(diào)節(jié)設(shè)備將下弦三角區(qū)單片桁架調(diào)整至設(shè)計(jì)位置。

圖9 下弦三角區(qū)單片桁架地面拼裝

5)步驟5 安裝下弦三角區(qū)散桿(見圖10)，桁架外觀尺寸檢查合格后，進(jìn)行焊接作業(yè)。

圖10 下弦三角區(qū)散桿安裝

6)步驟6 下弦三角區(qū)焊縫經(jīng)探傷檢測(cè)合格后，繼續(xù)進(jìn)行第2次提升，即提升至設(shè)計(jì)標(biāo)高。

4.3 施工模擬計(jì)算

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工條件和環(huán)境因素，充分考慮風(fēng)荷載、塔式起重機(jī)附著荷載、施工荷載及提升不同步性等影響，施工前建立整體結(jié)構(gòu)模型，采用MIDAS，ABAQUS軟件進(jìn)行全過程工況的仿真模擬，包括外環(huán)桁架提升、內(nèi)環(huán)桁架提升、提升時(shí)塔架、上錨點(diǎn)、下錨點(diǎn)、合龍和卸載等驗(yàn)算。

外環(huán)桁架提升驗(yàn)算工況包括同步提升和某一提升點(diǎn)超提；內(nèi)環(huán)桁架提升驗(yàn)算工況包括同步提升、某一提升點(diǎn)超提、某一懸挑桁架超提和某一提升點(diǎn)失效。

4.4 外環(huán)桁架提升過程中塔式起重機(jī)附著桿拆裝

采用BIM技術(shù)模擬桁架提升通道是否通暢。在外環(huán)桁架提升過程中，遇到塔式起重機(jī)附著桿前，采用對(duì)應(yīng)塔式起重機(jī)吊至地面，然后由履帶式起重機(jī)吊運(yùn)至其投影位置，當(dāng)外環(huán)桁架提升通過附著桿的位置后，采用塔式起重機(jī)將該附著桿垂直吊至安裝位置并安裝就位。

4.5 桁架合龍

1)為保證桁架結(jié)構(gòu)提升就位后與塔架結(jié)構(gòu)順利對(duì)接，在連接處預(yù)留調(diào)整桿件，以調(diào)節(jié)施工偏差，最終保證桁架整體尺寸，確保施工質(zhì)量，調(diào)整構(gòu)件待桁架校正就位后再進(jìn)行安裝焊接。

2)為確保合龍口在施工過程中因溫度變化而自由伸縮,合龍口處弦桿用連接件臨時(shí)連接，腹桿暫不進(jìn)行焊接。

3)6榀外環(huán)桁架全部校正后進(jìn)行合龍焊接，先與1，3，5號(hào)塔架連接的外環(huán)桁架焊接，再與2，4，6號(hào)塔架連接的外環(huán)桁架焊接，單榀外環(huán)桁架一端由下弦向上弦進(jìn)行合龍焊接。

4)內(nèi)環(huán)桁架與塔架結(jié)構(gòu)連接的6個(gè)端部全部校正后，6道合龍部位同時(shí)進(jìn)行焊接。每道合龍部位按中弦→上弦→下弦的順序進(jìn)行焊接。

5)為確保合龍口施工過程中的安全，調(diào)整桿件安裝就位后,及時(shí)將合龍?zhí)幷{(diào)整桿件與塔架柱之間的焊縫焊接完畢；然后在同一時(shí)間、同一溫度區(qū)間內(nèi)同時(shí)焊接弦桿連接件；最后焊接調(diào)整桿件與就位后的桁架焊接，并確保焊接過程中鋼結(jié)構(gòu)本體溫度處于設(shè)計(jì)要求的合龍溫度范圍內(nèi)。

4.6 桁架卸載

提升點(diǎn)合龍桿件焊接完畢后，經(jīng)質(zhì)量檢驗(yàn)驗(yàn)收合格且桁架整體穩(wěn)定后開始卸載。按同步分級(jí)、均衡緩慢的原則進(jìn)行卸載，利用上提液壓千斤頂逐級(jí)減荷載的方法進(jìn)行卸載，每次卸載量取為5mm/10mm。

4.7 反變形措施

桁架地面拼裝時(shí)，根據(jù)仿真模擬驗(yàn)算結(jié)果進(jìn)行預(yù)起拱，內(nèi)環(huán)桁架最大下?lián)现等?94mm，桁架拼裝時(shí)最大起拱值取200mm。

4.8 風(fēng)荷載作用下穩(wěn)定性控制措施

根據(jù)施工地區(qū)氣候，經(jīng)過驗(yàn)算，在8級(jí)風(fēng)的情況下，單榀外環(huán)桁架受水平推力約為80kN，內(nèi)環(huán)桁架受水平推力約為350kN。

因桁架結(jié)構(gòu)距塔架結(jié)構(gòu)較近，在外環(huán)桁架結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)上、下弦桿端部設(shè)置限位，以控制提升過程中桁架結(jié)構(gòu)過大幅度擺動(dòng)。內(nèi)環(huán)桁架自重大，提升過程中擺動(dòng)較小，無須設(shè)置限位。

桁架提升離地前，在其靠近塔架的位置預(yù)先掛好鋼絲繩，根據(jù)天氣情況，當(dāng)風(fēng)力較大時(shí)，停止提升，將桁架結(jié)構(gòu)與塔架結(jié)構(gòu)用鋼絲繩、倒鏈連接牢固，防止其水平擺動(dòng)。

5 結(jié)語

1)通過內(nèi)、外施工平臺(tái)協(xié)調(diào)配合，在塔架作業(yè)面形成具有視覺屏障作用的作業(yè)環(huán)境，既可作為水平通道和垂直通道，又可作為高空隔離設(shè)施，避免人、物下落造成的傷害和損失，使用情況良好，經(jīng)受住了大風(fēng)天氣的考驗(yàn)，并順利通過了塔式起重機(jī)附著桿，保證了施工順利進(jìn)行。

2)超高塔架鋼結(jié)構(gòu)安裝技術(shù)大大減少了高空作業(yè)量，既減少了高空吊次，又確保了工程質(zhì)量；通過采取有效的測(cè)量控制措施，消除了溫度效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)施工的影響，最終保證了塔架結(jié)構(gòu)的垂直度和頂點(diǎn)水平位移偏差。

3)外環(huán)桁架采用分段提升、分段合龍、分級(jí)卸載的方案分別提升就位，提升高度為133m，每榀桁架提升用時(shí)10～14h。

4)內(nèi)環(huán)桁架通過采用大跨度環(huán)形雙層管桁架自旋轉(zhuǎn)累積提升技術(shù)，減少了拼裝胎架的用量，縮短了桁架空中停留時(shí)間，減少了高空作業(yè)，節(jié)約施工成本50余萬，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

低重力模擬試驗(yàn)平臺(tái)通過采用超高塔架鋼結(jié)構(gòu)安裝技術(shù)和超高大跨度雙環(huán)桁架提升技術(shù)，成功克服了結(jié)構(gòu)形態(tài)復(fù)雜、安裝高度高、體量大、跨度大、結(jié)構(gòu)鏤空及作業(yè)環(huán)境惡劣等多方面困難，歷時(shí)3個(gè)月完成了塔架鋼結(jié)構(gòu)施工，用時(shí)2個(gè)月順利完成了超高大跨度雙環(huán)桁架施工。經(jīng)過頂部桁架端部靜荷載變形檢測(cè)，試驗(yàn)平臺(tái)各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求，確保了火星探測(cè)器地面模擬試驗(yàn)的順利進(jìn)行，充分驗(yàn)證了施工方案的可靠性和高效性，為類似高聳鋼結(jié)構(gòu)施工提供了借鑒和參考，具有重要的指導(dǎo)意義。