大跨度复杂钢结构屋盖整体滑移安装技术

张 强

上海市机械施工集团有限公司 上海 200072

随着城市建设的日益发展，大跨度钢结构越来越广泛地应用于各类大型场馆建筑中[1-4]。由于受力特性及艺术造型的需要，设计师往往将钢结构设计成为复杂的异形结构。此类结构若采用常规的施工方法势必会遇到施工受力状态多变、安装设备难以选择、施工周期难以控制等一系列的问题。因此在广州国际会展中心的大跨度复杂钢结构屋盖的安装中，采用了计算机同步控制整体滑移技术，有效地解决了各种施工难题，并为后期钢结构整体滑移技术的发展奠定了基础。

1 结构概况

广州国际会展中心展览大厅屋盖钢结构（图1）是由30榀张弦桁架、若干竖桁架及檩条等组成的大跨度结构，每榀桁架间距为15 m，跨距126.6 m，单品质量约150 t。

由于该屋盖钢结构固定于混凝土结构之上，若采用散件原位拼装的方法进行安装，需要搭设大量的承重支承结构，同时还要考虑混凝土结构的承载能力，薄弱的部位要进行局部加固，增加了施工措施，延长了施工周期。若采用整榀桁架吊装，则需要选择起重能力较大的设备，同时要对大型设备的停机位置进行加固处理，大大提高了施工成本。

通过研究对比，确定采用桁架地面单榀组装，高空节间拼装（由2榀桁架组成1个节间），5个节间拼成1个单元（有6榀桁架），然后将单元整体牵引到位的安装方法。整个屋面桁架由5个单元组成。虽然在拼装单元时就进行牵引移位，但最大的牵引体为1个单元。1个单元的跨度为126 m，长度为90 m，牵引的计算质量为1 575 t（包括施工荷载100 t），单元牵引的最大距离为200 m。

图1 屋盖钢结构示意

2 计算机同步控制整体滑移系统的确定

计算机同步控制整体滑移系统采用液压设备进行牵引的方式，可以分为滑移系统、牵引系统及计算机同步控制系统。

2.1 滑移系统

滑移系统由轨道及滑靴组成。滑靴与钢结构连接，牵引过程中，在轨道内滑行。轨道采用槽钢结构，既可以作为滑移的导向，也可以确保滑移过程中整体结构的轴向偏差在可控范围内。轨道固定在预埋于混凝土结构的埋件上，并利用型钢（比如槽钢）进行侧向定位。轨道的两端为主结构设计要求的固定支座安装位置，因此支座处专门设计一段可拆除轨道，保证整体结构滑移到位后，卸载转换到固定支座上（图2）。

图2 轨道结构

滑靴采用承载能力为30 t的滚轮小车。在以前同类施工过程中，我们大多采用带有减摩材料的滑块作为滑移设备，这样虽然构造简单，一定程度上减小了摩擦力，但由于是滑动摩擦，摩擦力远大于滚动摩擦，所需的牵引力增大，增加了牵引设备的投入。并且由于滑块在滑移过程中损耗极大且为一次使用设备，无法重复使用，造成施工成本的增加，此次我们使用了可载重的滚轮小车作为滑移设备，它结构简单，使用方便，并且是滚动摩擦，摩擦力大大减小，使得牵引设备的质量可以大大降低。滚轮小车作为设备可反复投入使用，这样节省了设备投入，降低了施工成本。此次我们根据工程具体工况选用了承载力为30 t的滚轮小车，但根据产品规格还有承载力为80 t甚至更高承载力的定型产品可供选择，因此在以后的同类工程施工中，我们还可以根据不同的施工工况选用其他的定型载重滚轮小车（图3）。

图3 滚轮小车构造

根据单元的组成，将牵引滑移的支承点设在每榀桁架的两端，每个支承点设2组承重车组。假设单元荷载均布，则整个屋盖单元由24个车组承重，每个车组承受1 575/24=65.625 t荷载。采用ER-30型滚柱载重小车（额定荷载30 t），在槽钢中行走，则用3台滚轮小车就可以了（3台小车的额定荷载为90 t，90/65.625=1.37，此时要求3台小车受力均匀，即要求滚道平整）。根据试验情况，滚轮小车的摩擦因数为1.5%左右，如果摩擦因数计为2%应该是较为保险的。

实际施工过程中，桁架一端的每组承重车组采用了单排3台滚轮小车；桁架另一端的每组承重车组采用了双排4台滚轮小车。

无论是三小车还是四小车组成的车组均要求小车架的上平面与车架框下平面接触均匀。各小车的滚轮应在同一平面，相互之间的高差不大于0.2 mm。车组上铰座顶面离滑槽面的高度可以利用调整螺栓来调整定位。

牵引车组按照要求组装后，在装入滑道之前，将小车浸入润滑油（机油）中进行润滑，以免加快滚轮的磨损。牵引车组放入滑道时应对中，车组应与滑道平行不得歪斜。

2.2 牵引系统

牵引系统由液压泵站、穿心式液压千斤顶、钢绞线、固定反力架等组成。

屋盖单元计算质量为1 575 t，牵引力为315 kN，屋盖单元两端的固定支反力如果相等，则两端的牵引力各为157.5 kN。我们采用LSD-40型穿心式提升千斤顶（额定提升能力400 kN），牵引索采用单根φ15.24 mm的高强度低松弛钢绞线（破断拉力260 kN），用2根索牵引屋盖单元的一侧（总破断拉力520 kN，520/157.5=3.3）。后期牵引时出于安全考虑，一侧采用了3根索。

2.3 同步控制系统

同步控制的实现，是以一个千斤顶作为基准，另一个跟随。当跟随千斤顶伸出长度少于基准千斤顶达到一定数值后，基准千斤顶停止伸缸，跟随千斤顶伸缸；同理当跟随千斤顶伸出长度大于基准千斤顶达到一定数值后，跟随千斤顶停止伸缸，基准千斤顶继续伸缸。数值参数可任意设置，以满足不同工况要求，将两端牵引偏差控制在设计允许的范围内。

控制系统由1个总控箱和2个分控箱组成。每个分控箱控制1台液压泵站。各分控箱与总控箱通过通信线连接，总控箱对各分控箱采集信号并发出控制指令。总控箱可以自动控制2个或多个牵引点同步牵引滑移，当总控箱解除联锁，每个分控箱可以单独控制某个牵引点的滑移。在牵引过程中，每完成一个动作，就会触发相应的状态信号发送给计算机，计算机将此状态信号为条件做下一个相应动作。

3 大跨度复杂钢结构屋盖的施工过程

3.1 计算机同步控制整体滑移的实施

反力架安装到牵引点，与滑道埋件焊接，反力架后端用钢筋或槽钢与后面的滑道焊牢。牵引千斤顶安放到反力架上用螺栓固定。

连接设置好控制阀组、液压泵站、操作控制柜。

牵引系统、液压系统、计算机同步控制系统安装完毕后进行空载调试（牵引钢绞线不穿入千斤顶），空载调试完成后安装好牵引钢绞线。

牵引之前清理轨道，清理干净的滑槽内（两侧和底部）均匀地涂抹上润滑油，不涂抹润滑脂以免沾染杂物。

牵引时，在牵引千斤顶位置、液压泵站位置、位移测量位置、滚轮载重小车、滑道等部位派专人监护，随时注意千斤顶伸缩、上下锚具更替开闭、液压泵站运转、压力变化、桁架中心位移距离、滚轮载重小车运转、滑道清洁润滑等情况。

牵引时桁架南北两侧牵引点的前后差不得超过500 mm，当牵引点超差时应作调整。在牵引到达指定位置之前约200 mm处，停止整体牵引，由操作人员逐渐调整到位。在牵引到位位置应设置挡块，以免牵引过头。

3.2 大跨度复杂钢结构屋盖的整体落架

当6榀桁架组成的屋盖单元牵引到位后，控制牵引千斤顶使钢绞线松弛下来，拆除钢绞线固定锚。牵引过程中，钢结构屋盖的荷载通过滑靴作用到轨道上，因此滑移到位后，要将其安全转换到设计指定的固定支座上。为了保证安全落架，我们采用了液压自锁千斤顶集群工作的方式。

首先，利用24只液压自锁千斤顶将结构顶起，使钢结构的载荷转换到集群千斤顶上。集群千斤顶的布置既要保证结构局部承载力可行，又要避开固定支座空间位置。然后，将滑靴及可拆卸轨道拆除，安装固定支座。确保固定支座可靠安装后，集群千斤顶同步工作，下降整体钢结构，落架至支座上，进行固定，整体钢结构屋盖安装完成。

4 结语

广州国际会展中心钢屋盖滑移安装的成功实施，创新了大跨度复杂钢结构整体安装工艺，为后续许多工程的实施提供宝贵的技术支撑，也为钢结构施工技术的发展和高新技术在施工行业的推广应用作出了贡献。