大跨度復(fù)雜空間鋼結(jié)構(gòu)拼裝與整體滑移施工技術(shù)

張 利

中鐵北京工程局集團(tuán)有限公司機(jī)場(chǎng)工程分公司 北京 100073

1 工程概況

背景工程造型獨(dú)特，鋼結(jié)構(gòu)平面為一矩形（圖1），南北向長(zhǎng)度為206 m，東西向長(zhǎng)度為178 m，總建筑面積為32 238.5 m2。鋼結(jié)構(gòu)總質(zhì)量約為3 500 t，主要材質(zhì)為Q345C，鋼管采用相貫節(jié)點(diǎn)連接，其中最小管徑80 mm，最大管徑700 mm，多達(dá)36種規(guī)格。鋼結(jié)構(gòu)屋蓋節(jié)點(diǎn)主要采用圓鋼管相貫節(jié)點(diǎn)，多管相交復(fù)雜節(jié)點(diǎn)采用鑄鋼和焊接球節(jié)點(diǎn)，包括A、B、C、D、L1、L2、L3、L4、L5、L6共10個(gè)部分。主體由4個(gè)24～36 m高度不等的大三角錐形相切后相連而成的錐體組成，4個(gè)大錐體由4榀空間主桁架組成，主桁架之間設(shè)置屋面次桁架，形成空間桁架體系，主體周邊由比較低緩的5個(gè)三角錐形（最高7 m）圍繞，其下方設(shè)置大型主展廳。

圖1 鋼結(jié)構(gòu)平面示意

2 施工難點(diǎn)與方案選擇

采用信息化施工，對(duì)空間鋼結(jié)構(gòu)桁架拼裝和整體滑移全過(guò)程進(jìn)行仿真模擬，確定相關(guān)工藝參數(shù)；對(duì)施工關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行應(yīng)力、變形、滑移同步監(jiān)測(cè)，保證施工安全和質(zhì)量。鋼結(jié)構(gòu)由9個(gè)錐體桁架組成，采用“分區(qū)、分塊安裝、逐步形成穩(wěn)定單元”的安裝方法進(jìn)行拼裝，一次滑移就位。對(duì)復(fù)雜錐體尖角節(jié)點(diǎn)采用球節(jié)點(diǎn)、鑄鋼件來(lái)替代多桿件相交點(diǎn)，利用“管桁架相貫口定位方法”的專(zhuān)利技術(shù)，保證空間復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的精確定位。鋼結(jié)構(gòu)整體滑移時(shí)，在工程外采用混凝土條形基礎(chǔ)，工程內(nèi)采用貝雷架、鋼管斜撐組成的棧橋系統(tǒng)，解決了相鄰不同形式軌道基礎(chǔ)的剛度差問(wèn)題，保證了不同形式軌道間的平穩(wěn)過(guò)渡。鋼結(jié)構(gòu)拼裝和土建施工平行作業(yè)，避免了施工交叉，縮短了施工工期，節(jié)省了臨時(shí)支撐的搭拆工作量及周轉(zhuǎn)材料，減少了大型吊裝設(shè)備的投入，降低了施工難度，提高了施工效率[1]。

3 施工工藝要點(diǎn)

3.1 施工準(zhǔn)備

1）對(duì)屋蓋鋼結(jié)構(gòu)施工全過(guò)程進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真分析，確定最不利點(diǎn)的應(yīng)力、變形、各支點(diǎn)反力等施工參數(shù)，確定本工程不同步性不大于50 mm，施工中按不大于30 mm進(jìn)行控制。各階段模擬分析如圖2～圖4所示。

圖2 拼裝階段變形仿真模擬示意

圖3 滑移階段變形仿真模擬示意

圖4 支座安裝與卸載仿真模擬示意

2）建立空間測(cè)控網(wǎng)，將建筑物的縱橫軸線(xiàn)和鋼柱、鋼梁的徑向軸線(xiàn)與建筑矩形控制網(wǎng)軸線(xiàn)的交點(diǎn)，用內(nèi)分法在控制網(wǎng)軸線(xiàn)上標(biāo)出各桿件軸線(xiàn)尺寸，進(jìn)行圖上作業(yè)，計(jì)算各桿件、節(jié)點(diǎn)的空間坐標(biāo)，并畫(huà)出拼裝位置圖。

3）進(jìn)場(chǎng)材料經(jīng)檢驗(yàn)合格后，方可使用，全站儀、經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀等測(cè)量?jī)x器經(jīng)檢定合格后，方可使用。

4）拼裝場(chǎng)地應(yīng)平整、堅(jiān)實(shí)，宜采用混凝土硬化場(chǎng)地。

3.2 鋼結(jié)構(gòu)預(yù)埋件施工

工程外澆筑混凝土條形基礎(chǔ)時(shí)，預(yù)埋滑移軌道連接件；混凝土底板施工時(shí)，在對(duì)應(yīng)貝雷架棧橋系統(tǒng)短柱下預(yù)埋鋼板埋件；地下結(jié)構(gòu)剪力墻和樓板位置，增設(shè)牛腿鋼筋和預(yù)埋加強(qiáng)H型鋼梁，上鋪軌道。

3.3 滑移軌道施工

1）布置6條滑移軌道，其中兩側(cè)的1、4號(hào)軌道為單軌，中間的2、3號(hào)軌道為雙軌。軌道標(biāo)高與鋼結(jié)構(gòu)桁架支座設(shè)計(jì)標(biāo)高設(shè)置在同一高度?；栖壍啦贾萌鐖D5所示。

圖5 滑移軌道平面示意

2）工程外滑移軌道采用混凝土條形基礎(chǔ)，待基礎(chǔ)混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，安裝軌道。

3）工程內(nèi)滑移軌道貝雷架棧橋系統(tǒng)施工工藝：底板預(yù)埋件施工→型鋼短柱安裝→H型鋼橫梁安裝→貝雷架安裝→軌道梁及軌道鋪設(shè)→兩側(cè)斜撐安裝。短柱與底板及橫梁間采用焊接連接，軌道與軌道梁間采用固定卡板連接。

4）滑移軌道基礎(chǔ)和鋼軌安裝應(yīng)牢固，施工完成后，用“貝雷架靜載試驗(yàn)反力架裝置”對(duì)貝雷架棧橋軌道系統(tǒng)進(jìn)行加載試驗(yàn)，實(shí)測(cè)變形量，保證軌道的變形滿(mǎn)足要求。

3.4 固定、滑移支撐架搭設(shè)

鋼結(jié)構(gòu)拼裝時(shí)設(shè)置固定支撐架和滑移支撐架，滑移時(shí)拆除固定支撐架，支撐架均采用鋼管、型鋼焊接。

1）固定支撐架為格構(gòu)式塔架結(jié)構(gòu)，采用預(yù)埋螺栓與混凝土基礎(chǔ)連接或與混凝土上的預(yù)埋鋼板焊接。其上部采用鋼管臨時(shí)焊接在屋蓋鋼結(jié)構(gòu)桁架的節(jié)點(diǎn)上，固定支撐架底部設(shè)置卸載節(jié)點(diǎn)，其構(gòu)造如圖6所示。

圖6 固定支撐架卸載節(jié)點(diǎn)示意

2）滑移支撐架為空間桁架式結(jié)構(gòu)，下部通過(guò)滑靴支撐在滑移軌道上，上部與屋蓋鋼結(jié)構(gòu)桁架節(jié)點(diǎn)焊接（圖7）。

圖7 滑移支撐架

3）在滑移支撐架底部安裝滑靴裝置，滑靴縱向用鋼楔鎖定，橫向用滑靴限位裝置鎖定，保證鋼結(jié)構(gòu)拼裝時(shí)的穩(wěn)定?；?gòu)造如圖8所示。

圖8 混凝土基礎(chǔ)上滑靴構(gòu)造示意

3.5 分塊單元拼裝

3.5.1 桁架小拼

在工程外混凝土地面上搭設(shè)拼裝平臺(tái)，將桿件拼成片狀單元。采用自創(chuàng)的“管桁架相貫口定位方法”，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬確定角度，制作模具，利用實(shí)體模具及量角儀器進(jìn)行放樣，確定相貫口方向及角度，進(jìn)行桿件固定、安裝，確保相貫口精度。

3.5.2 桁架大拼

采用“圓鋼管桁架安裝臨時(shí)固定裝置”對(duì)小拼單元桁架進(jìn)行組對(duì)臨時(shí)固定，測(cè)量合格后焊接固定。

拼裝時(shí)，復(fù)雜的桁架桿件相交節(jié)點(diǎn)可采用鑄鋼節(jié)點(diǎn)、球節(jié)點(diǎn)，通過(guò)計(jì)算機(jī)三維模型確定安裝角度，現(xiàn)場(chǎng)采用全站儀對(duì)相貫口進(jìn)行精確定位，保證節(jié)點(diǎn)安裝精度。

3.6 整體鋼結(jié)構(gòu)拼裝

按屋蓋鋼結(jié)構(gòu)桁架造型、跨度劃分整體拼裝區(qū)塊，每個(gè)錐體為一個(gè)區(qū)塊。整個(gè)屋蓋鋼結(jié)構(gòu)桁架由屋蓋的一端向另一端逐個(gè)區(qū)塊依次安裝。每個(gè)區(qū)塊主桁架由兩端向中間進(jìn)行拼裝，次桁架隨著主桁架依次進(jìn)行嵌補(bǔ)，以減少安裝累積誤差和合攏時(shí)的安裝誤差。每吊裝一個(gè)大拼單元，將其焊接在支撐架上，如圖9、圖10所示。

圖9 桁架大拼單元吊裝

圖10 分區(qū)塊桁架拼裝

根據(jù)設(shè)計(jì)給出的屋蓋鋼結(jié)構(gòu)桁架起拱高度和模擬計(jì)算分析得出的下?lián)现?，采用反變形法，?duì)臨時(shí)支撐預(yù)起拱，使卸載后的屋蓋結(jié)構(gòu)標(biāo)高符合設(shè)計(jì)要求。

現(xiàn)場(chǎng)拼裝采用手工電弧焊、CO2氣體保護(hù)焊對(duì)桿件進(jìn)行焊接。相貫口采用多層多道對(duì)稱(chēng)焊接，注意避免焊接變形及焊接應(yīng)力。相貫口組對(duì)時(shí)，應(yīng)在相貫口處支管與主管間預(yù)留出2～3 mm間隙，以提高焊接質(zhì)量。構(gòu)件焊接結(jié)束后，焊縫應(yīng)全部進(jìn)行探傷檢驗(yàn)。

3.7 拼裝完成后卸載

整體拼裝完成后，拆除固定支撐架，將荷載轉(zhuǎn)移到滑移支撐架上。按施工圖劃分的構(gòu)造單元分區(qū)依次進(jìn)行卸載，先進(jìn)行豎向卸載，再進(jìn)行水平卸載。卸載過(guò)程中，通過(guò)安裝的應(yīng)變儀及棱鏡監(jiān)測(cè)卸載過(guò)程的應(yīng)力應(yīng)變，保證卸載過(guò)程結(jié)構(gòu)安全。

1）豎向卸載是對(duì)非軌道處固定支撐架進(jìn)行“同步等比例”卸載，其工藝為：千斤頂頂緊固定支撐架下部鋼梁→切除鋼柱→墊鋼板→升高千斤頂→抽掉鋼板→千斤頂縮缸。循環(huán)往復(fù)，直到卸載完畢，拆除固定支撐架。

2）水平卸載是釋放結(jié)構(gòu)自重和豎向位移作用下滑移支撐架滑靴與軌道間的水平力，以減小滑移階段軌道上的水平荷載，采用“同步等距”的方法，其工藝為：千斤頂頂緊滑移支撐架底部→拆除臨時(shí)車(chē)擋和鎖定裝置→釋放千斤頂→安裝滑移車(chē)擋等裝置→分級(jí)卸載，直至卸載完畢。滑靴底部與軌道接觸面處涂抹潤(rùn)滑油，為滑移做好準(zhǔn)備，如圖11所示。卸載過(guò)程中如發(fā)現(xiàn)應(yīng)力、變形超過(guò)警戒值，應(yīng)停止卸載，采取相應(yīng)措施后方可繼續(xù)卸載。

圖11 拼裝完成后水平卸載示意

3.8 頂推系統(tǒng)安裝

將每條軌道上的滑靴用拉桿連接，拉桿采用160 mm×100 mm×16 mm雙角鋼，或在滑移支撐架和屋蓋鋼結(jié)構(gòu)桁架之間設(shè)置斜撐，保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

根據(jù)屋蓋鋼結(jié)構(gòu)桁架質(zhì)量及滑移支撐架底部反力，在軌道上安裝液壓爬行頂推器。每條軌道上可根據(jù)頂推力大小選擇一個(gè)或多個(gè)頂推器，所有爬行頂推器均由集中液壓油泵供給動(dòng)力，并由計(jì)算機(jī)控制中心控制。液壓爬行頂推器平面布置如圖12所示。

圖12 液壓爬行頂推器平面布置示意

3.9 試滑移

試滑移前，應(yīng)對(duì)軌道及其支撐系統(tǒng)、滑移支撐架及其與屋蓋鋼結(jié)構(gòu)桁架連接進(jìn)行檢查，各項(xiàng)檢測(cè)設(shè)備正常工作后開(kāi)始試滑移，試滑移距離為3 m。爬行頂推器每行程300 mm，檢查各軌道是否同步，合格后再進(jìn)行下一行程滑移。試滑移階段完成后進(jìn)行全面檢查，確認(rèn)滑移安全。

3.10 整體滑移

在滑移軌道上每3 m劃出標(biāo)記，作為一個(gè)滑移步序，滑移時(shí)采用尺量的方法記錄每個(gè)行程的距離，檢查滑移的同步性；計(jì)算機(jī)控制中心通過(guò)傳感器反饋每條軌道上的距離信號(hào)，進(jìn)一步控制滑移的同步性。相同軌道的同步偏差不大于10 mm，不同軌道的同步偏差不大于15 mm?；七^(guò)程中，應(yīng)隨時(shí)觀測(cè)滑移軌道、液壓爬行頂推器、液壓泵源系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、傳感檢測(cè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)。如發(fā)現(xiàn)滑移同步偏差不滿(mǎn)足要求，應(yīng)對(duì)單臺(tái)頂推器進(jìn)行點(diǎn)動(dòng)微調(diào)。每次正式滑移前，應(yīng)先點(diǎn)動(dòng)試滑，待所有頂推器同步工作后再進(jìn)行正式滑移，利用行程及位移傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，通過(guò)數(shù)據(jù)反饋和控制指令傳遞，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)同步動(dòng)作。通過(guò)相同的泵源和對(duì)液壓油壓力、流量控制，使每條軌道所分配的液壓油量相等，實(shí)現(xiàn)頂推器同步。滑移接近設(shè)計(jì)位置時(shí)，點(diǎn)動(dòng)緩慢滑移到位。

3.11 支座安裝

1）非軌道處支座安裝。分區(qū)調(diào)整非軌道處原結(jié)構(gòu)支座至其設(shè)計(jì)狀態(tài)，安裝該處支座。根據(jù)屋蓋鋼結(jié)構(gòu)桁架布置及其剛度特征，依次分區(qū)進(jìn)行支座安裝，采用千斤頂對(duì)非軌道處結(jié)構(gòu)支座位置進(jìn)行同步回頂，至其設(shè)計(jì)標(biāo)高后，安裝該處支座。

2）軌道處支座安裝。屋蓋鋼結(jié)構(gòu)桁架滑移至設(shè)計(jì)位置后，用千斤頂將鋼柱頂緊，將滑移軌道上的力轉(zhuǎn)移至千斤頂上，拆除滑靴、滑移軌道及其軌道支撐架結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，切除多余鋼管，補(bǔ)長(zhǎng)支座管鋼并安裝鋼支座，移出千斤頂，安裝鋼支座。永久支座安裝完畢后，拆除剩余的滑移軌道及其軌道支撐架。

3.12 監(jiān)控量測(cè)

3.12.1 應(yīng)力監(jiān)測(cè)

通過(guò)仿真模擬分析計(jì)算，確定鋼結(jié)構(gòu)整體拼裝、卸載、滑移、支座安裝過(guò)程中應(yīng)力及變形值較大的桿件，并在這些桿件上安裝應(yīng)力傳感器，通過(guò)數(shù)據(jù)采集儀及計(jì)算機(jī)觀測(cè)桿件應(yīng)力及變形值，若超預(yù)警值，立即停止施工。

3.12.2 滑移同步監(jiān)測(cè)

1）通過(guò)爬行頂推器位移傳感器將每個(gè)行程的數(shù)據(jù)傳遞至計(jì)算機(jī)控制中心，進(jìn)行計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)控制。

2）通過(guò)桁架上安裝的棱鏡，在滑移方向的前后方各布置1臺(tái)全站儀，監(jiān)測(cè)各條滑移軌道間的位移同步情況，并根據(jù)同步監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)各條軌道爬行頂推器進(jìn)行調(diào)整，使各條軌道上屋蓋鋼結(jié)構(gòu)滑移的同步性滿(mǎn)足滑移方案的要求。

3）每天滑移時(shí)，爬行頂推器首次行程結(jié)束后，通過(guò)尺量對(duì)比各條軌道上屋蓋結(jié)構(gòu)滑移前進(jìn)值，保證滑移同步。

4 質(zhì)量控制

1）鋼結(jié)構(gòu)桁架拼裝質(zhì)量控制。屋蓋鋼結(jié)構(gòu)桁架拼裝允許偏差應(yīng)符合方案要求；對(duì)施工的特殊過(guò)程、關(guān)鍵工序進(jìn)行檢查，合格后方可進(jìn)行下道工序施工；對(duì)已組裝好的構(gòu)件用鋼材測(cè)厚儀進(jìn)行10%隨機(jī)抽查；現(xiàn)場(chǎng)焊接實(shí)行質(zhì)量終身制，每個(gè)焊口標(biāo)記焊工姓名，發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題由責(zé)任人進(jìn)行返修，直至檢查合格；手工電弧焊作業(yè)環(huán)境風(fēng)速不得超過(guò)8 m/s；CO2氣體保護(hù)焊作業(yè)環(huán)境風(fēng)速不得超過(guò)2 m/s。

2）滑移過(guò)程質(zhì)量控制?？刂婆佬许斖破餍谐蹋３置看位菩谐虨?00 mm，整體滑移速度控制在8 m/h。屋蓋鋼結(jié)構(gòu)每滑移3 m即對(duì)不同軌道的滑移量值進(jìn)行測(cè)量，若不同步值超過(guò)15 mm、小于30 mm時(shí)，通過(guò)點(diǎn)動(dòng)滑移對(duì)單軌道進(jìn)行位移調(diào)整，保證滑移的同步性。若不同步值超過(guò)30 mm，停止滑移。

3）支座安裝過(guò)程中，采用應(yīng)變儀對(duì)桁架結(jié)構(gòu)支座內(nèi)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并與原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)狀態(tài)支座反力進(jìn)行比較，若超出計(jì)算值應(yīng)立即處理，保證結(jié)構(gòu)安全。

5 結(jié)語(yǔ)

整體拼裝滑移與傳統(tǒng)高空散裝法施工相比，節(jié)省臨時(shí)支撐材料約500 t，成本200萬(wàn)元；將切割機(jī)運(yùn)至場(chǎng)區(qū)附近的加工廠(chǎng)加工管材，減少運(yùn)輸成本72萬(wàn)元；減少了大型機(jī)械設(shè)備的投入，節(jié)約機(jī)械租賃費(fèi)60萬(wàn)元；在冬季施工之前，完成了鋼結(jié)構(gòu)的拼裝、滑移任務(wù)，工期提前6個(gè)月，節(jié)約成本250萬(wàn)元。共計(jì)節(jié)約成本582萬(wàn)元，成本降低約16%，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。采用工程外拼裝整體滑移的施工方法，減少構(gòu)件吊裝次數(shù)，支撐架用鋼量較傳統(tǒng)方法減少約30%。由于大型機(jī)械的投入減少，從而減少了施工中的污染，實(shí)現(xiàn)了建筑施工節(jié)能減排、降噪的目標(biāo)。