大跨度钢桁架屋盖计算机控制整体提升施工技术

陆 军，熊建强,石 韬,许文靖，郑建荣

(1.杭州恒力科技实业有限公司，浙江 杭州 310009；2.杭州高新技术产业开发总公司, 浙江 杭州 310053)

大跨度钢桁架屋盖计算机控制整体提升施工技术

陆 军1，熊建强2,石 韬2,许文靖2，郑建荣2

(1.杭州恒力科技实业有限公司，浙江 杭州 310009；2.杭州高新技术产业开发总公司, 浙江 杭州 310053)

主要介绍了杭州某大型地标性公建项目,其裙房3F商务会展区屋顶有一纵长50.4 m,横跨23.9 m的桁架式钢屋盖,由于地面外纵墙南侧18.6 m范围内有钢筋混凝土地下室,大型施工机械不能直接停靠吊装。经多种吊装方案分析比较,钢桁架结构最终选择“在三层楼地面散装与计算机控制整体提升相结合的施工方案”,从而优质、安全、高效地完成了裙房屋面钢结构吊装任务。该施工方案为今后类似工况条件下进行钢结构吊装提供了一个可借鉴的思路和方法。

钢桁架屋盖;整体同步提升;施工技术

1 工程概况

某工程位于杭州市萧山区钱江世纪城中央区,用地面积19 584 m2,总建筑面积146 701 m2,是由一幢A楼超高层(共38层,有直升机停机坪)和一幢B楼高层(共22层,为商业办公)及裙楼(3层局部4层)组成的建筑群体。该项目系集甲级写字楼、商务办公、酒店以及精品商业、餐饮、娱乐等为一体的城市核心地标性建筑。

B楼裙房南侧3F商务会展区屋面有一纵长50.4 m,横跨23.9 m的桁架式钢屋面,屋面覆0.5 m厚绿化种植土。钢屋面主要由7榀竖向平面桁架及平面外系杆、剪刀撑组成,主桁架上下弦及腹杆都由H型钢组成,其中上下弦截面为H500×500×25×40、直腹杆H200×200×16×16、斜腹杆H300×300×16×25；主桁架上下弦截面中心距2.15 m,桁架实际净长23.9 m,单榀桁架重为25.1 t,顶面标高19.4 m。见图1、图2。

图1 钢桁架平面布置图

图2 钢桁架立面图

2 多种吊装方案的分析比较

由于裙房地面外纵墙南侧18.6 m范围内有钢筋混凝土结构地下室,大型施工机械不能够直接靠近吊装施工。因此，采用多方案进行技术经济比较,见表1。

表1 多方案技术经济比较

经多种方案的分析比较,最终选择方案三,即：“高空散装与整体提升相结合的施工方案”。

3 实施吊装的重点和难点分析

采用“高空散装与整体提升相结合的施工方案”要解决以下五个难点：1)首先想到的是每榀桁架先“一分为三”——两端头各一段,中间一大段，但中间大段的重量仍然有21 t,LTM200型200 t汽车吊还是不能满足要求；2)桁架两端头提前吊装焊接固定后,该部分端头桁架又兼作提升平台的支撑底座,在桁架整体提升过程中的整体稳定性成为提升的重点和难点；3)在3层楼面散装,要解决桁架拼装的重量超过楼面的设计活荷载的问题；4)整体同步提升的相关成套施工技术；5)每榀桁架有6个接头(上弦杆2、下弦杆2、斜腹杆2),6榀桁架共有36个接头,提升设备要在19.4 m高空的工况条件下负重进行36个接头三维空间精准对接,难度可想而知,精准施工的要求特别高。

4 实施方案安装概述

前述每榀桁架如果“一分为三”,中间这一大段重量仍然有21 t,因此必须将中间大段桁架再次一分为三,分段后最重约6.5 t。然后将这三小段桁架从地面吊装到3层楼面散装,最后进行中间大段桁架的整体提升。

桁架拼装机械选择LTM200型200 t汽车吊和现场塔吊：200 t汽车吊站在距离①-轴外墙边约24 m的施工道路上,主要负责主桁架的拼装；塔吊主要负责现场主桁架间钢结构的吊装。

在楼面进行拼装时,由于桁架拼装的重量会超过3楼楼面的设计活荷载,我们首先想到的是如何将主桁架全部重量不经过楼板直接传递到跨中的2层混凝土柱上。因此,首先搭设拼装胎架,利用底部混凝土柱作为支撑点,设置拼装胎架立杆,离楼面100 mm设置水平连杆(图3),并在各竖向立杆之间设置剪刀撑,这样既能够保证胎架整体结构的稳定,又能够避免钢桁架拼装过程中因局部集中荷载过大对楼面结构造成破坏,当然在拼装区域混凝土楼面应做好适当的保护措施以防止楼面不必要的破坏。

图3 水平连杆

钢桁架提升采用大型液压提升设备进行整体同步提升,经设计分析计算,根据现场实际情况设置埋件及提升支架等辅助措施,以保证提升的顺利进行。

5 钢结构整体提升方案

5.1 提升工艺重点说明

本工程整体提升采用超大型液压同步提升施工技术,主要使用如下关键技术和设备：

1)超大型构件液压同步提升施工技术；

2)YS-SJ-75型液压提升器；

3)YS-PP-15型液压泵源系统；

4)YS-CS-01型计算机同步控制及传感检测系统。

5.2 提升桁架分段

钢桁架屋盖采用整体提升工艺吊装,因桁架支撑于两侧框架柱的牛腿上,故所有桁架两端要提前吊装到位,并与框架柱临时固定；中间分段在3层地面散件拼装,整体成型；分段接口处节间的部分斜腹杆影响主桁架的提升就位,根据提升安装所需尺寸预留分段,在上下弦杆对接完成之后安装。其分段图见图4。

图4 分段图

5.3 提升吊点布置

根据钢桁架屋盖结构布置及提升单元的划分,各提升单元提升吊点布置如下：1)D01～D04,D07～D10作为提升单元一,共设置8组吊点,每组吊点配置1台YS-SJ-75型液压提升器,共计8台,单台YS-SJ-75型液压提升器的额定提升能力75 t,其反力标准值在159～191 kN,钢绞线(φ17.80 mm)最小安全系数3.66>2.5(满足要求)；2)D05～D06,D11～D12作为提升单元二,共设置4组吊点,每组吊点配置1台YS-SJ-75型液压提升器,共计4台,单台YS-SJ-75型液压提升器的额定提升能力75 t,其反力标准值在168 kN,钢绞线(φ17.80 mm)最小安全系数4.18>2.5(满足要求)。

5.4 提升临时措施设置

液压同步提升需要设置：1)利用主楼结构和钢桁架的两端预装段设置提升平台,在提升平台上设置液压提升器,即上吊点；2)下吊点设置在待提升单元桁架的上弦,位置与上吊点对应,下吊点采用临时吊具与桁架上弦焊接连接。液压提升器通过提升专用钢绞线和底锚与钢结构整体提升单元上对应的下吊点相连接。临时措施材料材质均为Q345B。

5.4.1 布置提升平台

图5 提升平台图

提升平台计算： 根据钢屋盖提升吊点最大反力标准值,提升时考虑恒载系数1.35,动载系数1.05,提升器、临时吊具以及钢绞线等按照10 kN考虑。提升平台构件受力特点及验算要求见表2。

表2 提升平台构件受力特点及验算要求

5.4.2 上吊点水平构造措施

图6 上吊点水平构造措施图

5.4.3 预拼装段加固措施

5.4.4 提升下吊点设置

钢桁架在整体提升过程中主要承受自重产生的垂直荷载。本工程中根据提升上吊点的设置,下吊点设置在待提升的单元弦杆的上翼缘上,并且与上吊点在同一铅垂线,见图7。

图7 提升下吊点示意图

5.4.5 液压提升设备、导向架等安装

1)液压提升器的安装

液压提升器安装到位后,利用临时固定板固定,提升器及专用锚环固定板技术要求：①每台提升器安装4块固定板,使之能卡住提升器底座；②将固定板紧靠提升器底座,固定板与下部结构焊接,焊接时不得接触提升器底座,见图8。

图8 提升专用锚环固定图

2)导向架的制作及安装

在液压提升器提升或下降过程中,其顶部必须预留长出的钢绞线,如果预留的钢绞线过多,对于提升或下降过程中钢绞线的运行及液压提升器天锚、上锚的锁定及打开有较大影响。所以每台液压提升器必须事先配置好导向架,方便其顶部预留多余钢绞线的导出顺畅。多余的钢绞线可沿提升平台自由向后、向下疏导。导向架安装于液压提升器上方,导向架的导出方向以方便安装油管、传感器和不影响钢绞线自由下坠为原则。导向架横梁离天锚高约1.5～2 m,偏离液压提升器中心50～100 mm为宜。具体可在现场用角钢或脚手管架临时制作。尺寸详见图9。

图9 导向架尺寸要求图

3)专用底锚的安装

每一台液压提升器对应一套专用底锚结构。底锚结构安装在提升下吊点临时吊具的内部,要求每套底锚与其正上方的液压提升器和提升吊点结构开孔垂直对应、同心安装。

4)钢绞线的安装

本工程中,最大单根钢绞线长度约10 m,总用量为16根钢绞线。穿钢绞线采取由下至上穿法,即从液压提升器底部穿入至顶部穿出。应尽量使每束钢绞线底部持平,穿好的钢绞线上端通过夹头和锚片固定。待液压提升器钢绞线安装完毕后,再将钢绞线束的下端穿入正下方对应的下吊点底锚结构内,调整好后锁定。每台液压提升器顶部预留的钢绞线应沿导向架朝预定方向疏导。

本工程所有钢绞线均在地面进行安装,安装完成后连同液压提升器一起吊装到位。

5)对被提升结构的验算分析

本次工程钢结构采用液压提升,按提升的模拟施工工况进行结构抗力复核验算。本次计算包括被提升结构和提升支承系统的应力、变形等受力状况。本次提升的作用荷载即为结构自身的重量,由程序自行考虑。钢结构杆件应力验算时,考虑1.4的荷载分项系数。计算变形时,不考虑分项系数。复核结果是：提升时,结构的最大应力比为0.436,应力比均小于1,结构满足安全要求；结构的整体变形情况是结构跨中的最大竖向变形仅为3.9 mm,中间的无支撑跨度为23 900 mm,变形为跨度的1/6 462,小于规范规定的1/400的变形限值,满足规范的要求；各吊点受力状况见表3。

表3 各吊点受力状况

6 液压同步提升施工全过程

液压提升系统主要由液压提升器、液压泵源系统、计算机同步控制及传感检测系统组成。

6.1 计算机同步控制及传感检测系统

液压同步提升施工技术采用传感监测和计算机集中控制,通过数据反馈和控制指令传递,可全自动实现同步动作、负载均衡、姿态矫正、应力控制、操作闭锁、过程显示和故障报警等多种功能。

操作人员可在中央控制室通过液压同步计算机控制系统人机界面进行液压提升过程及相关数据的观察和控制指令的发布。

本工程中配置1套YS-CS-01型计算机同步控制及传感检测系统,其人机操作界面非常清晰。

6.2 施工前准备及检查工作

6.2.1 液压提升设备安装

1)液压提升器安装。

2)导向架制作及安装。

3)专用底锚的安装。

4)钢绞线的安装：最大单根钢绞线长度约10 m,总用量为16根钢绞线；YS-SJ-75型液压提升器满载标准配置5根钢绞线,额定提升能力为75 t；钢绞线作为柔性承重索具,采用高强度低松弛预应力钢绞线,抗拉强度为1 860 MPa,单根直径为17.80 mm,破断拉力不小于36 t。

5)液压管路的连接。

6)控制、动力线的连接。

6.2.2 设备的检查及调试

1)调试前的检查工作有:①提升临时措施结构状态检查，②设备电气、油管、节点的检查，③提升结构临时固定措施是否拆除，④将提升过程可能产生影响的障碍物清除;

2)系统调试;

3)分级加载试提升：开始试提升时,液压提升器伸缸压力逐渐上调,依次为所需压力的20%、40%,在一切都正常的情况下,可继续加载到60%、70%、80%、 90%、95%、100%。

6.3 正式提升

采用“吊点油压均衡,结构姿态调整,位移同步控制,分级卸载就位”的同步提升和卸载落位控制策略。

6.3.1 同步吊点设置

主控计算机根据各个传感器的位移检测信号及其差值,构成“传感器—计算机—泵源控制阀—提升器控制阀—液压提升器—钢结构单元”的闭环系统以控制整个提升过程的同步性。

6.3.2 提升分级加载

各吊点处的液压提升系统伸缸压力分级增加,依次为20%、40%、60%、70%、80%；在确认各部分无异常的情况下,可继续加载到90%、95%、100%,直至钢结构提升单元全部脱离拼装胎架。

6.3.3 结构离地检查

钢结构提升单元离开拼装胎架约150 mm后,液压提升系统设备锁定,空中停留12 h做全面检查(包括吊点结构、承重体系和提升设备等),并将检查结果以书面形式报告现场总指挥部。各项检查正常无误,再进行正式提升。见图10。

图10 整体提升现场

钢结构提升单元提升至距离设计标高约100 mm 后,暂停提升；各吊点微调使各弦杆精确提升到达设计位置；液压提升系统设备暂停工作,保持钢结构提升单元的空中姿态,后将杆件安装,使钢结构形成整体稳定受力体系。液压提升系统设备同步减压,至钢绞线完全松弛；拆除液压提升系统设备及相关临时措施,完成钢结构提升单元的整体提升安装。

Construction Technology of the Overall Ascension under Computer Controlled for the Steel Truss Roof with a Large Span

LUJun1,XIONGJianqiang2,SHITao2,XUWenjing2,ZHENGJianrong2

2016-12-28

陆 军(1968—)，男，浙江杭州人，工程师，从事计算机系统集成和控制技术。

TU756.4+3

B

1008-3707(2017)03-0035-06