大跨度拱形钢管桁架屋盖滑移安装技术

2016-07-06宋秀英

企业技术开发·下旬刊 2016年6期

宋秀英

摘要：呼和浩特汽车客运东枢纽站综合站务楼屋盖采用大跨度拱形钢管桁架结构。由于拱形桁架跨度大、重心高、混凝土拱墩占据位置大、塔吊不宜布置等特点，通过对散拼分段吊装和整理滑移安装技术的研究分析，确定了采用“构建工厂加工制作、现场拼装滑移单元、整体顶进滑移安装”的施工技术。重点介绍了大跨度钢管拱滑移安装整体思路、分段拼装、滑移安装等施工工艺。

关键词：钢结构；拱形桁架；屋盖；滑移安装；施工技术

中图分类号：U446 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）18-0001-04

1 概述

大跨度钢管桁架结构广泛应用在各类大型车站、体育场馆、机场候机楼等重要公共设施，随着大跨度空间钢结构应用的蓬勃发展，其施工工艺和安装技术也在不断创新和提高，常规的桁架分段吊装技术在一些特殊工程或特殊施工环境下已无法满足施工需求。本文以呼和浩特汽车客运东枢纽站综合站务楼屋盖施工，介绍大跨度拱形钢管桁架滑移安装技术，为今后同类工程施工提供参考。

2 工程概况

呼和浩特汽车客运东枢纽站综合站务楼，建筑面积26 912 m2，建筑总高度22.55 m，地下一层，地上二层（局部设夹层），总长168 m，跨度108 m。屋盖为大跨度钢管拱结构（钢管拱为φ1200×20高结钢钢管，定位半径为93 m），共有18榀钢管桁架组成，每榀钢管桁架之间采用变截面H型钢梁连接，每2榀连成一个拼装单元，共形成9个拼装单元，如图1所示。

每个拼装单元之间采用折形变截面H型组合钢梁连接，折点相贯焊在圆钢管上，作为面外支撑体系，如图2所示。屋盖总用钢量为1 450 t。

屋盖主拱钢管桁架跨度为72.518 m，布置在7轴和14轴区域，钢管拱脚伸入拱形钢筋混凝土拱柱内，形成屋盖整体架构体系，如图3所示。

3 工程特点及难点

①加工精度控制难。由于本工程主拱用材料为Q345C材质的高建钢，管径达1 200 mm，并且需弯弧加工，因此加工难度极大。

②安装技术难度大。在钢结构安装施工中，土建单位的主体施工仍未完成，同时伴有装修的交叉施工，为此钢结构安装施工时必须保证不对其他施工造成较大的干扰，屋盖钢管拱分段吊装施工技术无法满足现场需要，最终选择的滑移安装施工是本工程的控制难点和重点。

③焊接量大且要求。本工程屋盖钢结构多数为钢接节点，且由于构建体量大，必须在现场进行拼装，焊缝质量要求标准高，焊接施工是本工程的重点之一。

④支撑系统的设置及使用要求高。本工程钢结构安装需要设置支撑系统，由于结构重量极重，同时安装高度较高，支撑系统的设置和使用要求非常高。

⑤施工安全控制难度大。本工程有大量的高空现场焊接，现场焊接的火花控制很重要；同时由于本工程最大高度46m，高空作业是本工程安全控制的重点之一。

4 总体思路

4.1 整体设想

每榀钢管桁架之间采用变截面H型钢梁连接，每2榀连成一个拼装单元，18榀钢管桁架共组成9个拼装单元。现场施工以2个拼装单元为一个滑移组，共组成4个滑移组，分四次滑移到位（共完成16榀钢管桁架滑移），最后一个拼装单元（2榀钢管桁架）在拼装胎架上拼装、卸载和安装，完成屋盖钢管拱桁架安装。

4.2 施工区域划分

根据工程特点，将本工程钢结构划分为两个施工区域，第一个区域为拼装区域；第二个区域为滑移安装区域。分区布置图，如图4所示。

4.3 滑移方案要点

①根据结构体系的布置特点，拟采用纵向A-d轴线155.9 m范围内钢拱结构进行液压同步累积2个拼装单元组成1个滑移组进行滑移施工，A轴以东和d轴以西悬挑部位屋盖钢结构采用高空原位拼装。

②在南侧C和A轴线钢结构屋盖下设置临时支撑架，如图5所示，采用履带吊高空原位散件，拼装成一个标准拼装单元，如图6所示，完成后在钢管拱下之间设置钢绞线。在7轴和14轴设置滑移轨道，轨道采用钢柱支撑，钢柱采用侧向刚性拉杆保持侧向稳定性，钢管拱滑移单元经焊接探伤合格后进行卸载，然后作为第一个拼装单元向前滑出。

③第一个拼装单元滑移到位后暂停滑移（滑移18.0 m，相邻两单元间距），按照第一个单元拼装方法，开始拼装第二单元钢拱结构，拼装完成后卸载，再安装第一和第二单元之间的折形变截面H型钢组合梁，如图7所示，焊接完成后继续推动第一单元向前滑移，此时将带动第二单元向前滑出。将2个拼装单元滑移到设计指定位置。分别滑移四次，最后一个拼装单元不用滑移直接卸载安装就位，完成钢结构屋盖安装。

④钢管拱结构拼装单元组滑移到设计位置（钢拱管柱脚连同滑移组一起）后，交与土建捆扎钢筋、支模、浇筑混凝土，待柱脚混凝土强度达到100%后。（同时土建需对4根预应力张拉索的其中2根进行张拉。）对钢拱管进行混凝土浇筑，混凝土钢拱管的混凝土强度达到100%后，进行钢绞线、滑移、临时措施的拆除，同时安装东西方向两侧悬挑钢构件。

5 施工工艺

5.1 施工准备

5.1.1 测量放线

根据该工程的几何形状，建立测量控制网，每个控制网的基准点距离30～50 m，以确保测量精度及分区吊装的要求。

基准网的边长精度及平面封闭角精度必须满足边长精度1/15 000，封闭角精度应满足±10 "。

结合平面特点，建立竖向高程基准点，组成闭合水准网。

5.1.2 吊机准备

依据结构特点和吊机起重性能，钢管拱分6段进行吊装，分段位置设置临时支撑架，采用120 t履带吊将分段钢管吊装至高空进行拼装。履带吊站位在A轴南侧。

吊重分析。由钢管拱分段可知，最大分段重量为7.1吨，选择吊装最不利构件进行分析，履带吊站位在距离C轴线20 m处，吊装时取吊装半径为20 m，采用1台120 t带副臂履带吊进行吊装满足吊装要求。

5.1.3 钢管拱分段

根据深化设计及吊机起重性能，将72 m钢管（截面φ1 200×20 mm）拱分成6段，采用履带吊车吊装至高空组拼，分段位置及各分段重量，如图8所示。

5.2 拼装胎架安装

5.2.1 拼装胎架设计要求

①拼装胎架设置应避开主拱节点位置，满足焊工的施焊空间。为了便于结构的滑移，胎架的位置须避免与结构滑移时碰撞，选定在二层最东边一跨做为拼装胎架位置。

②拼装胎架必须保证有足够的刚度和稳定性，拼装中每一个拼装段必须形成稳定体系结构，两端应设置人字撑地杆进行加固。

③在组装平台上划出钢管端面定位线、中心线及分段长度位置线，作为结构拼装验收的依据。

④临边四周间隔3 m设置φ48 mm高度1.5 m钢管立柱，立柱顶部固定生命线。在东南侧设置爬梯一副。

5.2.2 拼装胎架受力计算（采用midas8.0计算软件）

其一，荷载情况。

①恒荷载：自重（D）—由程序自动计算，考虑1.05倍自重系数；

②活荷载：结构传给支撑架荷载（L）按midas计算最大反力考虑，如图9所示，考虑200 mm的偏心。

荷载组合：COMB—1.2D+1.4 L（承载能力极限状态）。

其二，变形情况。如图10所示。

其三，应力情况。如图11所示。

根据计算结果可知，支撑架构件最大应力比为0.27，发生在支撑柱上，受力满足规范要求。

5.3 主拱管拼装

5.3.1 拼装流程

弹线→胎架搭设→找平校正→构件清理→杆件拼装→焊前预热→杆件焊接→焊后处理→无损探伤→尺寸检查

5.3.2 拼装方法

第一步：在地面平台上，划出拱架管中心线及轮廓线的投影线。拱的长度方向，按每个节点预放2 mm的焊接收缩余量放线，宽度方向不放收缩余量。

根据放线尺寸，按主桁架每个节点间设两个支撑架的原则，设立弧形胎架及模板，胎架高度应便于全位置焊接，胎架距节点中心约800 mm，以不影响腹杆的装焊。

现场拼装过程中，先定出端部一个节点位置的空间三维坐标，定其为原点O（0，0，0），然后测出另一个端部节点的三维坐标，据此，结合图纸尺寸和定位，定出其余节点相对坐标。

第二步：依次安装两段平行的一号主拱。

第三步：将拱管间的H型钢连系梁安装就位。

按照此方法将其后的剩余拱管及联系钢梁安装完成。

5.4 钢管拱加载预应力

为保证钢拱就位前保持设计状态，拼装过程中须设置张拉索，张拉步骤简述：

①钢拱在支撑架上安装完成后，将张拉设备安装到位；

使用5 MP压力（约6 t力）将张拉索收紧；

②将1、1a处支撑架拆除；

③拆除后钢拱会向两侧略微下挠，测量钢拱下挠值，并操作张拉设备将钢拱张拉至卸载前状态（参考压力20 t）；

④张拉完成后继续拆除2、2a处支撑架，测量钢拱下挠值，并操作张拉设备将钢拱张拉至卸载前状态（参考压力35 t）；

⑤继续张拉，使张拉力达到60 t，张拉过程中注意观察拱脚，以拱脚微微向内收缩为宜。（3、3 a拆除时钢拱变形较大，需提前张拉）；

⑥拆除3、3a支撑架；

⑦测量拱脚位置位移，调整张拉设备使钢拱处于设计状态（参考压力70 t）；

⑧钢拱滑移到位后，待两侧混凝土墩强度达到要求后再拆除张拉索。

5.5 钢管拱滑移施工

本工程中采用液压同步顶推滑移的施工工艺。选用步进式液压顶推器，是一种通过后部顶紧，主液压缸产生顶推反力，从而实现与之连接的被推移结构向前平移的专用设备。此设备的反力结构利用滑道设置，省去了反力点的加固问题。

液压顶推器与被推移结构通过销轴连接，传力途径非常直接，启动过程中无延时，动作精确度好。由于其反力点为步进顶紧式接触，不会在滑移过程中产生相对滑动，所以同步控制效果更好。步进式的工作过程，使得同步误差在每个行程完成后自然消除，无累积误差，同步精度很高。

5.5.1 滑移轨道布置

滑移轨道结构在结构滑移过程中，起到承重、导向和横向限制支座水平位移的作用。屋面滑移施工共设置2条通长滑道，分别设置于7轴和14轴，单条滑道长度约为160 m。轨道梁选用焊接H型钢，材质Q345B，截面规格为：H700×300×14×24 mm。滑移轨道选用16 a热轧槽钢，材质为Q235B，利用滑移轨道的侧挡板与轨道梁固定。轨道的侧挡板采用规格为-20×40× 150 mm的钢板，在滑移轨道两侧对称设置，间距为450 mm，起到对槽钢翼缘加固、以及抵抗滑移支座处可能侧向推力的作用。

第1、2个拼装单元为第一滑移组，第3、4拼装单元为第二滑移组，第5、6拼装单元为第三滑移组，第7、8拼装单元为第四滑移组，第9拼装单元不需要滑移。每个滑移组整体滑移时，在每条滑道设置1组顶推点，顶推点分别设置在第1、3、5、7拼装单元桁架支撑柱柱脚处，每个顶推点设置1台YS-PJ-50型液压顶推器，单个滑移组共计配置2台液压顶推器。滑道及顶推点布置，如图12和图13所示。

侧挡板与槽钢轨道及预埋件连接采用焊接连接，单块侧挡板所承受的顶推反力为500÷4=125 kN。焊缝设计高度hf= 10 mm时，焊缝设计强度：

N=？滓×0.7hf×lw=160×0.7×10×（150-2×10）=150 kN

满足设计要求。

5.5.2 动力设备验算

摩擦力F=滑靴在结构自重作用下竖向反力×1.05×1.2×0.15（滑靴与滑轨之间的摩擦系数为0.13～0.15，偏安全考虑取摩擦系数为0.15，1.2为摩擦力的不均匀系数，1.05为动荷载系数）。本工程中滑移最大重量约为260 t（每两个拼装单元为一个滑移组），则滑移所需的最大顶推力为：

F=260×1.05×1.2×0.15=50 t

根据以上计算，并依据滑移经验，本工程中每个滑移组设置2台YS-PJ-50型液压顶推器，每条轨道上布置一台。单台YS-PJ-50型液压顶推器的额定顶推驱动力为50 t，则总顶推力为100 t>50 t，能够满足滑移施工的要求。

5.5.3 滑移施工方法

其一，施工流程，如图14所示。

其二，滑移过程控制要点：

①在一切准备工作做完之后，且经过系统的、全面的检查无误后，现场滑移作业总指挥检查并发令后，才能进行正式进行滑移作业。

②在液压滑移过程中，注意观测设备系统的压力、荷载变化情况等，并认真做好记录工作。