大跨度多層跌級鋼桁架安裝技術(shù)研究

高學(xué)巖 孫宇 張志福 何根達(dá)

0 引言

隨著當(dāng)前建筑鋼結(jié)構(gòu)的迅猛發(fā)展，大型空間鋼桁架屋蓋體系以其跨越能力強(qiáng)、空間穩(wěn)定性好、工業(yè)化程度高、荷重性能優(yōu)越等特點(diǎn)，在各類公共建筑工程中得到廣泛的設(shè)計(jì)應(yīng)用。

1 工程概況

巴東北站（后改名巴東站）位于湖北省恩施州巴東縣，為線側(cè)下式站房。車站建筑總面積20 521m，站房主體為局部地下1 層，地上2 層，建筑高度23.8m。站場規(guī)模為2 臺5 線（含正線2 條），最高聚集人數(shù)800 人。

巴東北站站房屋蓋結(jié)構(gòu)主要為平面桁架結(jié)構(gòu)，采用鋼管鋼桁架結(jié)構(gòu)，桁架上下弦主要桿件規(guī)格有D580×40、D480×36、D480×16 等，腹桿主要桿件規(guī)格有D480×32、D299×16 等；桁架之間聯(lián)系桿件主要規(guī)格有D140×6、D168×6、D219×10和D299×6 等，材質(zhì)均為Q355B。

屋蓋中間設(shè)置多層桁架，將站房屋蓋分為高跨區(qū)域和低跨區(qū)域，其中低跨主桁架最大跨度約35.04m，高跨主桁架最大跨度約29.2m，中間鋼桁架由兩層桁架組成，連接兩邊高低跨桁架，高差4.3m，跨度87m。桁架間節(jié)點(diǎn)采用相貫線焊接連接，桁架端部通過抗震支座與混凝土框架柱連接，如圖1 所示。

圖1 屋蓋鋼桁架整體結(jié)構(gòu)示意圖

2 確定安裝方案

本工程屋蓋結(jié)構(gòu)為87m 大跨度跌級鋼桁架結(jié)構(gòu)，安裝精度要求高、焊接工作量大、場地狹小、運(yùn)輸條件差，從經(jīng)濟(jì)性、可操作性、可靠性、施工周期以及起重機(jī)械性能等方面分析，排除了整體提升、高空散拼、滑移等常規(guī)大跨度桁架的安裝方法，考慮通過仿真模擬預(yù)拼裝、裝配式格構(gòu)柱臨時(shí)支撐、地面分段拼裝、原位對稱分段吊裝的方法，按照多層桁架由兩端向中間分段安裝→安裝與該段多層桁架連接的高低跨桁架→安裝桁架間斜撐、聯(lián)系桿的安裝順序，實(shí)現(xiàn)整個(gè)屋蓋桁架的高精度高效率的安裝。

屋蓋多層桁架和高低跨桁架，均在工廠制作成散件，發(fā)運(yùn)至現(xiàn)場，拼裝成單榀或單片，分段吊裝、安裝。其中高跨單榀桁架重量約10t，低跨單榀桁架重量約17t，如圖2 所示；多層桁架GHJ-1 和GHJ-2 均分成10 個(gè)單片，最大吊裝單元重量約18.5t，如圖3 所示。

圖2 屋蓋高低跨鋼桁架結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 多層桁架分段示意圖

其中多層桁架在站房地面結(jié)構(gòu)上吊裝區(qū)分段拼裝，采用80t 汽車吊選用24.38m 主臂工況直接吊裝到位。高低跨區(qū)域桁架為平面桁架，在站房地面結(jié)構(gòu)上吊裝區(qū)拼裝完成后，采用80t 汽車吊選用45m 主臂工況直接整段吊裝到位。

3 仿真模擬預(yù)拼裝

根據(jù)深化設(shè)計(jì)圖紙和加工安裝方案，在構(gòu)件分段與胎架設(shè)置等安裝措施可保證自重受力變形不致影響安裝精度的前提下，建立設(shè)計(jì)、制造、安裝全部信息的拼裝工藝三維幾何模型，完全整合形成一致的輸入文件，通過模型導(dǎo)出分段構(gòu)件和相關(guān)零件的加工制作詳圖。構(gòu)件制作驗(yàn)收后，利用全站儀實(shí)測外輪廓控制點(diǎn)三維坐標(biāo)。

采用有限元軟件MIDASGen2020 將鋼桁架分段構(gòu)件控制點(diǎn)的實(shí)測三維坐標(biāo)，在計(jì)算機(jī)中模擬拼裝形成分段構(gòu)件的輪廓模型，與深化設(shè)計(jì)的理論模型擬合比對，檢查分析加工拼裝精度，得到所需修改的調(diào)整信息。經(jīng)過必要校正、修改與模擬拼裝，直至滿足精度要求。現(xiàn)場不再進(jìn)行實(shí)體預(yù)拼裝，相應(yīng)減少施工周期。

4 裝配式格構(gòu)柱臨時(shí)支撐安裝

通過對現(xiàn)有格構(gòu)柱支撐架改進(jìn)，選用截面為1 500mm×1 500mm 的具有3.2m、4.8m、6.4m 高度標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的裝配式格構(gòu)柱作為臨時(shí)支撐，支撐立桿為鋼管Φ180×8，腹桿為鋼管Φ102×6，材質(zhì)為Q 345B。支撐立桿之間采用M20 安裝螺栓連接固定，腹桿和立桿之間采用M16 安裝螺栓連接固定。格構(gòu)支架上下端口設(shè)置鋼平臺，鋼平臺采用H300×300×10×15 的H 型鋼焊接而成，通過模擬分析驗(yàn)算其承載力、穩(wěn)定性、剛度滿足要求，如圖4 所示。

圖4 支撐標(biāo)準(zhǔn)節(jié)及桁架安裝示意圖

在拼裝過程中，根據(jù)計(jì)算軟件得出的該段桁架產(chǎn)生的變形預(yù)估值，進(jìn)行預(yù)起拱，通過反變形控制起拱值保證安裝結(jié)果的準(zhǔn)確性。

根據(jù)主桁架起拱值要求，在加工制作時(shí)對桁架或鋼梁進(jìn)行起拱放樣；現(xiàn)場拼裝及安裝測量時(shí)根據(jù)起拱后標(biāo)高進(jìn)行，如圖6 所示。

圖5 臨時(shí)支撐布置及標(biāo)高示意圖（考慮起拱值）

5 地面分段拼裝

桁架吊裝單元拼裝胎架設(shè)置時(shí)先根據(jù)桁架模型坐標(biāo)轉(zhuǎn)化后的X、Y 投影點(diǎn)鋪設(shè)HN400×200 型鋼，中間采用D159×6 的鋼管相連形成剛性平臺，胎架落于樓面結(jié)構(gòu)上。平臺鋪設(shè)后，標(biāo)出X、Y 的投影線、標(biāo)高線、檢驗(yàn)線及支點(diǎn)位置，形成桿件軸線控制網(wǎng)，并提交驗(yàn)收。鋼桁架地面拼裝完成后，在吊裝之前進(jìn)行焊縫探傷檢測，確保焊接質(zhì)量。

6 分段對稱吊裝、安裝

多層鋼桁架分段對稱吊裝以減小安裝誤差積累值，降低各分段對接節(jié)點(diǎn)焊接變形，如圖6 所示。

圖6 鋼桁架對稱安裝流程

7 合攏嵌補(bǔ)

在一個(gè)單元兩片多層桁架吊裝完成后，安裝單元間聯(lián)系桿件；在每跨主桁架安裝完成后，嵌補(bǔ)高低跨主桁架間聯(lián)系桿件。

8 卸載

在主結(jié)構(gòu)桁架施工吊裝完成、達(dá)到驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)后，即開始結(jié)構(gòu)的卸載施工。結(jié)構(gòu)卸載是將屋蓋鋼結(jié)構(gòu)從支撐受力狀態(tài)下，轉(zhuǎn)換到自由受力狀態(tài)的過程，即保證現(xiàn)有鋼結(jié)構(gòu)臨時(shí)支撐體系整體受力安全、主體結(jié)構(gòu)由施工安裝狀態(tài)順利過渡到設(shè)計(jì)狀態(tài)。

巴東北站站房屋蓋臨時(shí)支撐按照從跨中對稱向兩側(cè)的順序卸載，每次卸載一組臨時(shí)支撐上的胎架。卸載操作主要采取對支撐頂部的胎架模板割除的辦法進(jìn)行，根據(jù)支撐位置的卸載位移量控制每次割除的高度△H（每次割除量控制在5～10mm），直至完成某一步的割除結(jié)構(gòu)不再產(chǎn)生向下的位移后拆除支撐。

9 實(shí)際與模擬對比分析

根據(jù)安裝方案，采用有限元軟件MIDASGen2020 對鋼結(jié)構(gòu)的施工全過程進(jìn)行了模擬分析。施工模擬計(jì)算采用自重荷載，計(jì)算模型采用桿單元，鋼柱底部采用固定約束，臨時(shí)支撐底部采用鉸接約束。鋼結(jié)構(gòu)施工過程中的最大豎向變形-32mm，鋼構(gòu)件最大應(yīng)力為149MPa＜295MPa，處于設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)，支撐結(jié)構(gòu)在施工過程中的最大應(yīng)力為57MPa＜270MPa，處于設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，最大撓度可能出現(xiàn)在多層桁架跨中位置，故在每段多層桁架的下弦桿設(shè)置位移觀測點(diǎn)，采用全站儀監(jiān)測變形，鋼桁架卸載前后模擬與實(shí)際變形分析如圖7所示，卸載點(diǎn)為站房屋蓋桁架分段位置，卸載后豎向變形最大為30mm。

圖7 變形分析

結(jié)果表明，卸載前后桁架下?lián)夏M值與實(shí)測數(shù)值基本吻合，如表1 所示，實(shí)測數(shù)值29mm 略小于模擬最大值30mm。

表1 實(shí)測變形數(shù)據(jù)

10 安裝注意事項(xiàng)

地面拼裝胎架設(shè)置完成，開始進(jìn)行拼裝前，對胎架的總長度、寬度、高度等進(jìn)行全面全方位的測量校正。然后對桿件擱置位置建立控制網(wǎng)絡(luò)，對各點(diǎn)的空間位置進(jìn)行測量放線，設(shè)置好桿件放置的限位塊。為防止剛性平臺沉降引起胎架變形，桁架胎架旁應(yīng)建立胎架沉降觀察點(diǎn)。在施工過程中結(jié)構(gòu)重量全部荷載于基礎(chǔ)型鋼上時(shí)觀察標(biāo)高有無變化，如有變化應(yīng)及時(shí)調(diào)整，待沉降穩(wěn)定后方可進(jìn)行焊接。

臨時(shí)支撐的安裝精度直接關(guān)系到其上安裝構(gòu)件的定位精度，因此臨時(shí)支撐的安裝精度非常關(guān)鍵。根據(jù)規(guī)范要求，當(dāng)胎架高度≤5m 時(shí)為±5mm；當(dāng)胎架高度5～10m 時(shí)，為±10mm，當(dāng)胎架高超過10m 時(shí)，則為胎架高度的1/1000，但不得大于20mm。

11 結(jié)論

大跨度多層跌級鋼桁架屋蓋采用“仿真模擬預(yù)拼裝、裝配式格構(gòu)柱臨時(shí)支撐、地面分段拼裝、原位對稱分段吊裝”的方法順利安裝就位，不僅提高了安裝效率，保證了安裝精度，實(shí)現(xiàn)了大跨度空間多層跌級連續(xù)桁架屋蓋的高精度安裝合攏，為類似公共建筑的大跨度鋼桁架屋蓋安裝工程積累了經(jīng)驗(yàn)。