逐跨提升連接再整體提升大跨度管桁架施工技術(shù)研究

劉瑞琪 胡永利 秦曉鵬 閔凡文 胡蓮生

目前，高強(qiáng)度、輕質(zhì)鋼結(jié)構(gòu)在大跨度屋面系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用，使運動場館、劇場、車站等大型公共建筑朝著大跨度建筑的方向發(fā)展。傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)安裝手法為拼接和焊接相結(jié)合，優(yōu)點是工藝簡單、易操作，容易在體量較小的結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)。但是該工藝應(yīng)用于大跨度結(jié)構(gòu)體系時存在一些弊端。由于高空散拼法屬于高空作業(yè)且工序多，無法保證結(jié)構(gòu)整體的安裝質(zhì)量，會導(dǎo)致成本增加、工期延長，無形中增加了安全隱患[1]。另外，傳統(tǒng)的高空散拼工藝需要利用場地周轉(zhuǎn)材料、安置機(jī)械等，因此不適用于場地狹小的項目。逐跨連接再整體提升的施工工藝，運用大跨度屋面桁架的整體提升施工技術(shù)，有效解決了大型屋頂鋼結(jié)構(gòu)施工中的質(zhì)量、安全和進(jìn)度問題，而且對場地空間的影響較少，具有優(yōu)秀的應(yīng)用前景和推廣價值[2]。

新建濟(jì)南至萊蕪高速鐵路項目站房工程雪野站，站房形式為線側(cè)下式中型站房，總建筑面積9988.22 m2。屋蓋采用空間管桁架+單榀桁架構(gòu)成的組合結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)跨度48.5 m，懸挑距離為9.5 m，縱向長度為174.6 m，結(jié)構(gòu)頂標(biāo)高為27.491 m，屬于超限大跨鋼結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工都需要進(jìn)行專門的研究和論證。對于施工過程中比較關(guān)鍵的問題，如工程安裝方法、安裝順序、卸載方案等，要進(jìn)行重點分析，給出量化指標(biāo)，保證工程安裝的經(jīng)濟(jì)性和安全性。

1 逐跨提升連接再整體提升大跨度管桁架施工技術(shù)

1.1 鋼屋蓋結(jié)構(gòu)體系

鋼屋蓋外形呈3 個倒“V”形，主桁架通過抗震球形支座與混凝土柱頂連接。鋼結(jié)構(gòu)主要由主桁架、次桁架、鋼系桿、水平支撐、馬道、預(yù)埋件、抗震球形支座和屋面檁條系統(tǒng)8 部分組成。主桁架為倒三角桁架，中軸對稱，桿件均采用圓鋼管，節(jié)點為相貫節(jié)點[3]。次桁架有三角次桁架和單片次桁架兩種類型，桿件均采用圓鋼管，節(jié)點為相貫節(jié)點。

1.2 技術(shù)方案

1.2.1 方案選擇

施工現(xiàn)場北側(cè)為已經(jīng)施工完畢的濟(jì)萊高鐵既有橋，南側(cè)為正在施工的與站房混凝土結(jié)構(gòu)相連的框架結(jié)構(gòu)，西側(cè)為景觀湖，東側(cè)為臨時道路。經(jīng)過查勘和初步對比分析，采用提升或頂升的施工方案。如果采用頂升，經(jīng)原設(shè)計單位對支撐點下部的梁板混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行核算，發(fā)現(xiàn)不能滿足受力要求。同時，結(jié)合該鋼屋面的造型和南北兩側(cè)的混凝土柱，經(jīng)核算將混凝土柱作為整體提升的受力點能夠滿足荷載要求。通過綜合對比分析，確定采用將屋面鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件用塔吊吊裝至候車大廳，先按設(shè)計造型拼裝支架，然后逐跨提升至設(shè)計位置，連接后再整體提升的施工方案[4]。

1.2.2 工藝原理

空間管桁架屋蓋整體提升施工工法充分利用既有混凝土結(jié)構(gòu)柱，在柱頂設(shè)置頂部提升架，實現(xiàn)了管桁架地面拼裝和原位吊裝，無須額外搭設(shè)格構(gòu)柱。鋼筋混凝土支撐柱澆筑時，先把提升架預(yù)埋件和支座預(yù)埋件安裝在鋼筋混凝土支撐柱的骨架上，再下設(shè)錨固鋼筋，增加預(yù)埋件與混凝土柱的連接強(qiáng)度。提升架預(yù)埋件與支座預(yù)埋件錯位布置，管桁架提升至設(shè)計位置后可直接固定在支座上[5]。施工前，應(yīng)提前設(shè)計好提升架的形式和尺寸，綜合分析確定提升吊點的布設(shè)位置。根據(jù)設(shè)計方案，制作上錨點工裝、下錨點工裝和拼裝胎架。

1.2.3 施工工藝流程

施工工藝流程如下：安裝預(yù)埋件以及支座―提升體系設(shè)計與布置―桁架樓面原位拼裝―整體提升設(shè)備調(diào)試―試提升―正式提升―提升合龍―提升卸載―拆除提升工裝以及設(shè)備。

正式提升的具體步驟如下：第1次提升，6 軸、7 軸主桁架及相應(yīng)的次桁架提升至與5 軸、8 軸主桁架對應(yīng)的造型位置；第2 次提升，5 ～8 軸主桁架及相應(yīng)的次桁架提升至與4 軸、9軸主桁架對應(yīng)的造型位置；第3 次提升，4 ～9 軸主桁架及相應(yīng)的次桁架整體提升至設(shè)計位置，與兩側(cè)的屋面鋼結(jié)構(gòu)合龍。

1.2.4 操作要點

施工的操作要點如下：

1）安裝柱頂預(yù)埋件和支座。在澆筑鋼筋混凝土支撐柱時，先把支座預(yù)埋件放在鋼筋混凝土支撐柱的骨架上，再進(jìn)行澆筑。每個柱頂需要設(shè)置4 個提升上錨點埋件。

2）提升體系的設(shè)計與布置。根據(jù)提升區(qū)鋼屋蓋和混凝土結(jié)構(gòu)的特點，綜合分析確定提升吊點的布設(shè)位置。本工程在主桁架下弦桿的端部共計布置12 個提升點。

首先，上錨點工裝設(shè)計。每個提升點設(shè)置1 套提升上錨點工裝，每套提升上錨點工裝均由2 根立柱、2 根懸挑鋼梁、1 根聯(lián)系鋼梁、1 根提升鋼梁、2 根斜撐和2 根拉桿組成，如圖1所示。提升鋼梁頂部放置1 臺100 t 或40 t 的提升油缸。

圖1 提升上錨點工裝設(shè)計圖（來源：網(wǎng)絡(luò)）

其次，下錨點工裝設(shè)計。提升下錨點工裝采用鋼板組拼而成，如圖2所示。提升下錨點工裝分為2 種類型，包括8 個100 t 提升油缸對應(yīng)的下錨點和4 個40 t 提升油缸對應(yīng)的下錨點。下錨點工裝安裝在下弦桿端部，采用焊接連接。

圖2 提升下錨點工裝設(shè)計圖（來源：網(wǎng)絡(luò)）

最后，拼裝胎架設(shè)計。根據(jù)構(gòu)件體型特征設(shè)置不同的拼裝胎架，采用L50×5 的角鋼固定立柱。將組裝好的胎架安置在桁架的組裝平臺上，鋼桁架的主要鋼管在設(shè)計位置處要設(shè)置突出牛腿，確保其上面的平面標(biāo)高與縱向桁架下面的設(shè)計標(biāo)高相符，便于定位焊接。由于桁架高度較高，在胎架兩側(cè)設(shè)置活動操作架用于組裝操作。胎架的組裝由測量人員定位，對每個支點進(jìn)行水平測量。

3）提升設(shè)備安裝。要點如下：第1，安裝上錨點和下錨點工裝。在桁架下弦端部安裝下錨點，根據(jù)下錨點的坐標(biāo)進(jìn)行上錨點的安裝，必須確保上、下錨點在同一鉛垂線上，水平偏差不應(yīng)大于提升高度的1/1000，且不應(yīng)大于50 mm，本工程水平偏差的限值為12 mm。第2，切割鋼絞線。鋼絞線采用高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，根據(jù)設(shè)計長度切割鋼絞線。第3，鋼絞線與千斤頂連接。鋼絞線采用地面平穿法與千斤頂相連。第4，安裝提升油缸。仔細(xì)檢查帶有鋼絞線的提升油缸，根據(jù)油缸的布置，按照規(guī)定吊裝到位。在設(shè)置提升油缸和下錨點時，要精準(zhǔn)定位，要求提升油缸安裝位置和下錨點投影的誤差不超過10 mm。隨著提升構(gòu)件不斷上升，鋼絞線會不斷伸出提升油缸。第5，安裝地錨。安裝地錨前，認(rèn)真檢查鋼絞線與油缸的位置關(guān)系，嚴(yán)格控制地錨方向與油缸方向保持一致。地錨安裝完成后，要進(jìn)行鋼絞線預(yù)緊工作。第6，安裝液壓系統(tǒng)。根據(jù)布置，在提升平臺上安裝液壓泵站，連接液壓油管，檢查液壓油，并且準(zhǔn)備備用油。第7，安裝計算機(jī)控制系統(tǒng)。計算機(jī)控制系統(tǒng)采用控制器局域網(wǎng)總線技術(shù)（Controller Area Net-work BUS，CAN-BUS）開發(fā)的現(xiàn)場實時網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。安裝錨具傳感器、提升千斤頂行程傳感器、油壓傳感器和長行程傳感器，注意鋼絲繩保護(hù)，連接通信電纜和控制電纜。

4）提升系統(tǒng)調(diào)試。按照提升油缸的調(diào)試、液壓泵站的調(diào)試以及計算機(jī)控制系統(tǒng)的調(diào)試3 個步驟進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試工作。

5）試提升。為了檢驗被提升桁架及提升支承結(jié)構(gòu)的安全性和計算機(jī)控制液壓系統(tǒng)的可靠性，每次提升前均要進(jìn)行試提升。

首先，試提升。提升載荷的加載過程依照20%、40%、60%、70%、80%、90%、95%和100%的負(fù)荷比例進(jìn)行分級加載。在加載過程中，需要觀察被提升的桁架和提升支撐構(gòu)造，只有在沒有異常情況的前提下才能繼續(xù)加載[6]。

其次，空中懸停。桁架從胎架脫離后，應(yīng)在離開胎架最低點100 mm 處暫停提升。在暫停期間，需定時安排人員檢查和測試提升支持結(jié)構(gòu)和被提升的桁架，確認(rèn)符合標(biāo)準(zhǔn)后才可以繼續(xù)提升。檢測內(nèi)容包括：提升點位移、結(jié)構(gòu)形變、上錨點設(shè)備位移、塔架基礎(chǔ)下沉以及現(xiàn)場風(fēng)速等。在試提升階段，需要監(jiān)測各點的位置、載荷等參數(shù)，并觀察系統(tǒng)的同步控制情況，為后續(xù)的決策提供科學(xué)依據(jù)。

6）正式提升。經(jīng)過試提升和觀察確認(rèn)無誤后，就可以開始正式的提升操作。提升過程中，需要記錄各個點的壓力和高度。在提升階段，不能拆卸或改變提升支撐結(jié)構(gòu)，采用測量設(shè)備監(jiān)測被提升桁架的高度和高差，根據(jù)計算結(jié)果設(shè)定進(jìn)行控制。如果提升點的負(fù)荷或高差出現(xiàn)偏差，應(yīng)該立即調(diào)整或暫停提升，解決問題后才能恢復(fù)提升。在被提升桁架到達(dá)設(shè)計高度后，進(jìn)行平面位置的核對和校正。將負(fù)載全部轉(zhuǎn)換到下錨，提升油缸進(jìn)入安全行程。

7）提升合龍。為了確保桁架提升就位后順利對接，需要根據(jù)測量結(jié)果單點調(diào)整桁架的提升點，以此來調(diào)節(jié)施工偏差，保證鋼屋蓋的整體尺寸，確保施工質(zhì)量[7]。合龍前必須對已安裝完成的結(jié)構(gòu)進(jìn)行全方位的焊接質(zhì)量檢查，防止出現(xiàn)漏焊和焊縫質(zhì)量不過關(guān)的情況。為了確保合龍口的間隙符合要求，盡量減少合龍時的焊接量和焊接應(yīng)力，可以選用氣保焊和手工電弧焊相結(jié)合的焊接方法[8]。

8）提升卸載。本項目提升卸載遵循“同步分級、均衡緩慢”原則，利用提升油缸，采用同步逐級減輕負(fù)荷的方法，對整個提升區(qū)進(jìn)行卸載[9]。利用提升油缸進(jìn)行卸載，實際上是液壓提升設(shè)備釋放油壓、提升器鋼絞線卸載的過程。卸載時，每次卸載量設(shè)定為5 mm 或10 mm，并按照5 mm、10 mm、20 mm、30 mm 的卸載量分級卸載。當(dāng)每級總量超過10 mm 時，按照10 mm 進(jìn)行分步。每級卸載的時間間隔不應(yīng)少于2 h，每步卸載的時間間隔為10 min。

9）提升工裝和設(shè)備拆除。當(dāng)桁架被提升到適當(dāng)位置，構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)并固定下來時，待相關(guān)檢測和提升卸載完成后，才能進(jìn)行整體提升設(shè)備和工裝的拆卸工作[10-12]。

2 效益分析

2.1 工期對比分析

逐跨拼裝工藝提升了拼裝和焊接效率，能夠有效利用場地空間，從而減少交叉施工，和傳統(tǒng)的高空散拼施工方式相比節(jié)約工期約50 d[13-15]。

2.2 成本對比分析

相比傳統(tǒng)高空散拼工藝，逐跨提升連接再整體提升大跨度管桁架施工工藝減少了大型機(jī)械的臺班數(shù)量，縮短了工期，從而大大減少了人材機(jī)的投入，成本核算如下：

1）增加的材料費用。上錨點工裝費用8 萬元，下錨點工裝費用2 萬元，提升油缸費用15 萬元，智能控制系統(tǒng)費用15 萬元。

2）人工費。施工速度快，減少了人工機(jī)械成本，節(jié)約工期近50 d，每日人工費為3 萬元，共計節(jié)省人工費約150 萬元。

3）機(jī)械費。節(jié)省起重機(jī)械和高空焊接費300 萬元。

4）其他費。節(jié)省電費25 萬元。

綜合以上成本，共計創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益約435 萬元。

3 結(jié)語

逐跨提升連接再整體提升大跨度管桁架施工工藝，利用已有混凝土柱原位提升管桁架屋蓋，關(guān)鍵在于提升裝置的設(shè)計、分段區(qū)域的劃分和提升油泵的選擇。

同步控制是整體提升施工技術(shù)的重難點，因此計算機(jī)控制系統(tǒng)的調(diào)試和提升系統(tǒng)的妥善安裝，對鋼結(jié)構(gòu)順利提升至關(guān)重要。計算機(jī)控制系統(tǒng)采用CAN-BUS 總線技術(shù)開發(fā)的現(xiàn)場實時網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，對提升過程進(jìn)行全程控制。

同時，提升時應(yīng)配備經(jīng)驗豐富的技術(shù)人員全程控制，并加強(qiáng)過程中的安全檢查。通過數(shù)值模擬比較和優(yōu)化卸載方案，結(jié)合施工場地的實際條件和結(jié)構(gòu)特點，確定卸載方案，以“同步分級、均衡緩慢”為原則，采用同步逐級減荷的方法，利用其提升油缸對整個提升區(qū)進(jìn)行卸載，方能保證結(jié)構(gòu)由支承體系順利轉(zhuǎn)變?yōu)樽猿辛w系。