二次受力转换整体提升焊接球网架施工工法

2020-02-25高硕晁毅陈梁静

铁路技术创新 2020年6期

高硕，晁毅，陈梁静

（中铁建工集团有限公司华北分公司，北京 100170）

0 引言

随着空间网架结构施工技术越来越成熟，空间网架结构被广泛用作建筑屋盖，其中空间网架结构的安装是网架结构施工技术的关键一项。北京朝阳枢纽房建项目中国铁道科学研究院集团有限公司生产调度楼工程（简称调度楼工程）为中国国家铁路集团有限公司、中国铁路北京局集团有限公司、中铁建工集团有限公司重点工程，是世界高铁大会会议中心，工期要求紧张，其钢结构网架施工是工期控制关键节点，对施工工法安全性、可靠性提出较高要求。

调度楼工程钢结构屋盖网架为正方四角锥焊接球网架，结构水平投影长66.1 m，宽52.8 m，网架高度3 600～4 524 mm，总计质量约285 t，最高点结构标高37.7 m；屋面网架支座球中心标高36.8 m，屋盖距离楼面高度约16.0 m。因此，以该调度楼工程为研究对象，总结研究其空间网架结构施工技术，以期对相似工程提供参考借鉴。

1 工法特点和工艺原理

调度楼工程钢结构焊接球网架施工采用液压整体同步提升工艺，在提升过程中通过在混凝土支座位置设置二次受力转换机构实现提升就位后的支座转换。根据调度楼结构特点，钢结构网架为4层报告厅顶部楼盖，其四周将18.5 m高混凝土结构作为钢结构网架支座，只有在3层顶板混凝土施工完成后立即开始网架拼装作业，才能保证既定工期节点的实现。故调度楼工程在施工完成3层顶板第一流水段后便及时插入网架结构的楼面拼装工作，可实现后期混凝土结构施工与钢网架结构楼面拼装的同步进行，并利用混凝土结构作为钢网架的提升支座，通过在混凝土支座位置安装二次受力转换机构实现网架的提升和卸载，最终在既定工期完成主体结构封顶。

1.1 工法特点

该焊接球网架施工工法适用于中庭空间的钢网架楼盖吊装施工，与其他安装施工方法相比，具有以下优点：

（1）该工法可确保网架在结构面或地面位置拼装，网架拼装由高处作业变为地面作业，无需搭设大体积的满堂红脚手架平台，且网架拼装可与四周混凝土结构施工同时进行。提高安全系数，降低措施费用，保证焊接质量，节约人力，加快施工速度，能有效利用场地。

（2）网架整体拼装完成后，依据网架单元受力计算，选取部分支座位置焊接临时杆件及吊点，并在对应混凝土支座顶部设置二次受力转换机构，通过转换机构实现网架提升、静停、杆件嵌补、卸载及网架整体受力支座转换。通过工况计算，支座转换前、后均可使网架结构形成整体稳定受力体系。

（3）卸载完成后，拆除二次转换机构及临时提升杆件，将吊点处的后补杆件与支座球焊接，通过设计模型计算吊点位置支座所应承受的支座反力，使用液压千斤顶对支座球施加所需预顶力，调校支座位置受力情况，最终使整体网架的受力工况与设计完全一致。

1.2 工艺原理

球形焊接网架液压整体同步提升中的关键是吊点选取过程和二次转换机构设置，以及网架提升就位、卸载受力转换完成后个别支座的受力调校［1-2］。

网架上临时焊接的提升吊点与上方混凝土结构面上的提升支座选取均通过工况计算确定，非设计工况下个别杆件受力验算不通过，可对个别杆件进行替换增强，使网架在提升过程中及支座转换前后均保证网架结构为整体稳定受力体系。

在选取作为混凝土提升支座的位置安装二次转换机构，通过转换机构实现网架提升、静停、杆件嵌补、卸载及网架整体受力支座转换。

支座转换完成后，拆除临时提升杆件，嵌补剩余杆件环节，通过计算原设计工况下支座处受力，使用液压千斤顶回顶支座球，对支座球施加经设计复核的预顶力，再将支座板和成品支座顶面的间隙距离采用同厚度的钢板垫紧并进行焊接固定，使卸载后的网架受力工况与设计完全一致。

2 工艺流程及操作要点

2.1 工艺流程

第1 步：网架拼装在4 层混凝土楼面施工结束后开始，与4层竖向混凝土结构同时施工。

第2 步：网架在楼面拼装完成后进行相关质量检测、验收，四周竖向混凝土结构施工完成后加强养护，待混凝土结构强度达到设计强度100%。

第3 步：按照施工方案，在原设计东西两侧的18 个支座中，选取6 个作为提升吊点，并在北侧增设2个提升吊点，共计8个提升吊点。

第4 步：在选取的提升吊点柱顶安装8 个二次受力转换机构，并在网架对应位置安装临时杆件，与吊具连接形成8个吊点。

第5 步：待混凝土达到设计强度100%后进入预提升阶段，提升时先提升10 cm，检查设备运行数据及网架形态变化，确认无误后静停12 h。

第6步：静停12 h后，复查设备运行数据及网架形态变化，复查数据确认符合要求后，一次性提升至设计标高。

第7 步：钢网架提升完成后，先安装除8 个吊点以外的网架构件，并连接好未作为吊点的12个支座。

第8步：安装完毕并验收合格后对提升装置同步逐级卸载，卸载完成再拆除8个提升器及二次受力转换机构。

第9步：最后将吊点位置的结构杆件及支座安装就位，并对提升吊点位置的支座及支座球施加预顶力至设计值，支座底部转换板与主体埋板间的间隙插入同材质钢板进行焊接。

各流程所需材料设备见表1。

表1 各流程所需材料设备

2.2 操作要点

（1）网架吊点布置原则。①在网架设计支座位置选取适当数量作为网架吊点，选取的吊点在网架提升时作为整体网架的受力点，计算整体网架跨中最大挠度≤L/200（L为网架跨度），吊点作为支座时，计算全部杆件应力比≤1。如杆件应力比不符合要求，需进行杆件替换以满足应力比要求［3］。②吊点以外的网架支座在受力承托网架整体时，要求整体网架跨中最大挠度≤L/200（L为网架跨度），全部杆件应力比≤1，如不满足，需调整吊点选取数量，或通过少量杆件替换补强以满足要求。

（2）网架吊点的布置。根据屋盖网架结构特点与网架单元受力演算模拟分析，主要在网架两端设置提升吊点，总计设置8个吊点进行整体提升（见图1）。

图1 网架提升吊点布置

（3）提升工况下的施工模拟计算。网架提升采用通用有限元分析软件SAP2000V14.1及3D3S软件进行模拟计算，单个连廊提升共设置8个提升吊点。因提升工况与结构设计使用工况有所不同，需对结构进行提升工况分析，采用SAP2000和3D3S对结构进行模拟分析，按照压弯杆件进行设计，在吊点处进行竖向约束加水平向弹簧约束，弹簧刚度取0.000 1 kN/mm（可忽略不计），荷载为结构自重（考虑杆件和球总重2 850 kN，马道、支托及吊顶主龙骨250 kN），自重放大系数取1.1（主要用于考虑节点及加劲板自重），验算结构强度荷载组合采用1.4（安全系数）×1.2（考虑不同步）×（恒荷载）；验算变形采用1.0×（恒荷载）［4］。

采用SAP2000模拟网架整体提升工况，结构主要受力情况见图2。提升工况下，网架跨中最大下挠约40 mm（满足规范要求L/200=264 mm），吊点反力值最大约549 kN，68 根结构杆件应力比不符合要求，需要进行更换。通过更换68 根杆件，提升工况下，网架跨中最大下挠约39 mm（满足规范要求L/200=264 mm），吊点反力值最大约557 kN，杆件应力比在0.8 以下，满足提升要求，杆件更换后结构受力情况见图3；更换前杆件总荷载3 163 kN，更换后杆件总荷载3 180 kN，荷载增加17 kN。采用3D3S软件对提升工况下的焊接球构造及应力进行计算，结果表明原设计截面能满足提升工况下的受力［5］。

图2 结构主要受力情况

图3 杆件更换后结构受力情况

2.2.2 二次受力转换机构设置及提升装置选取

（1）二次受力转换机构设置。根据框架柱和网架的结构特点与网架单元受力演算模拟分析，设置8个转换机构，结构本身受力验算符合设计要求，满足现场提升条件，二次受力转换机构布置平面见图4，杆件参数见表2。

并发症情况：A组出现10例（33.33%）并发症，其中7例为切口愈合不良，2例为神经根损伤，1例为椎板关节突螺钉完全进入椎管致马尾神经损伤；B组出现2例（6.67%）并发症，其中1例为硬膜囊破裂，1例为椎弓根骨折；C组出现1例（3.33%）并发症，为硬膜囊破裂；D组出现3例（2.94%）并发症，1例为发生迟发性椎管内血肿，1例为迟发性切口感染，1例为终板损伤。置钉失败例数A组为6.66%，B组、C组均为3.33%，D组为0.98%。

（2）吊点临时杆件（见图5）与提升下吊具设置。调度楼工程使用2种下吊具，分别是60 t提升器（B轴、G轴、J轴）和200 t提升器（D轴）使用的下吊具。

2.2.3 网架提升

为确保结构单元及主楼结构提升过程的平稳、安全，根据钢结构特性，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。

表2 二次受力转换机构杆件参数

（1）姿态检测调整。用测量仪器检测各吊点的离地距离，计算出各吊点相对高差。通过液压提升系统设备调整各吊点高度，使结构达到水平姿态。

（2）整体同步提升。以调整后的各吊点高度为新的起始位置，复位位移传感器。在结构整体提升过程中，保持该姿态直至提升到设计标高附近。不同步的控制值控制在≤20 mm。在提升阶段同时在各吊点共计8个点位附近采用人工辅助检查，通过水平仪测量网架整体提升时，各吊点处不同步值是否在控制值之内，当超过不同步值，暂停向上提升，并对该处吊点进行检测并排除问题后方可继续提升。

（3）提升速度。整体提升施工过程中，影响构件提升速度的因素主要有液压油管的长度及泵站的配置数量，按照该方案的设备配置，整体提升速度约10 m/h。

图5 吊点临时杆件

（4）提升过程的微调。结构在提升及下降过程中，因为空中姿态调整和杆件对口等需要进行高度微调。在微调开始前，将计算机同步控制系统由自动模式切换成手动模式。根据需要，对整个液压提升系统中各个吊点的液压提升器进行同步微动（上升或下降），或对单台液压提升器进行微动调整。微动即点动调整精度可以达到毫米级，完全可以满足网架钢结构单元安装的精度需要。

（5）同步观测。钢绞线位置悬有钢尺，网架提升高度可通过钢尺刻度直接读出，当发现提升过程出现高度差异时，将立即进行统一调整。

2.2.4 杆件嵌补与网架支座转换

（1）杆件嵌补。网架提升就位后，将吊点以外的支座网架及连接构件全部安装就位。

（2）网架支座转换。采用SAP2000 模拟提升吊点以外的网架支座受力时网架的整体工况及网架整体在连接杆已安装就位情况下卸载8个临时提升吊点时的整体工况，结构主要受力情况见图6。

图6 卸载时结构主要受力情况

该工况下，网架跨中最大下挠约35.9 mm（满足规范要求L/200=264 mm），吊点反力值最大约420 kN，结构杆件应力比均≤1，满足要求。

网架结构提升至设计高度后在吊点外的其他支座处安装杆件及支座，杆件及支座安装就位后，通过吊点同步逐级卸载达成网架支座转换，通过工况计算，支座转换前后均可使网架结构形成整体稳定受力体系。

2.2.5 提升吊点拆除与吊点位置处预顶力施加

根据网架计算模型，原作为吊点的支座所应承受的支座反力见图7。拆除二次受力转换机构、临时吊点及临时杆件，嵌补吊点处的杆件，通过结构设计受力模型计算，将设计工况下支座处承受的支座反力作为向该支座处施加的预顶力，使用液压千斤顶回顶支座对支座球施加经设计复核的预顶力，再对支座预埋板和支座顶面的间隙距离采用相同厚度的钢板垫紧并进行焊接固定，使完成后的网架受力工况与设计一致。

图7 支座反力

3 质量控制

（1）网架轴线控制。为确保支座安装的准确性，网架整体吊装的轴线必须严格控制。①地面拼装网架时严格控制边支座的平面几何尺寸。考虑到网架拼装时，柱子施工已完成，因此应以柱子中心线作为网架拼装时边支座的中心线，以清除基础施工、放线、柱子安装与基础轴线的误差积累。②网架拼装完成后，实测网架边支座和与之对应的柱子中心线偏差值，绘制出网架拼装误差图。

将柱顶实际位置与网架拼装误差图进行对比分析，综合考虑误差大小和方向，找出网架实际应该安装的位置，画出网架安装迭合图。网架安装就位按迭合图上所注尺寸进行安装。

（2）提升过程中网架挠度控制。通过检查复测记录和试验报告对网架结构在自重及屋面工程完成后的挠度值进行对比。

4 安全和环保措施

4.1 安全措施

（1）提升前检查。在提升前，对提升装置进行如下检查：①检查提升装置是否符合设计要求，检查油管的规格型号是否符合要求；待网架提升起来后对提升点处的缆风绳进行紧固，检查垂直度及提升装置底座状况，保证提升装置质量。②检查网架临时提升吊点焊缝处是否完好，有无裂痕、锈蚀等，以保证施工时滑轮运转流畅［6-7］。③检查钢绞线材质、规格是否符合要求，长度是否满足施工要求，以及有无断裂点及腐蚀点。④检查绳卡、绳扣、缆风绳规格是否符合要求，是否有损坏，以保证施工安全性。⑤检查地锚是否埋设牢固，以及地锚与缆风绳的接头部位是否牢固。⑥对其他设备进行全面检查，保证每件施工设备的正常运转。

（2）提升中检查。在提升过程中，对下列情况进行监控：①临时吊点位置、形变、钢绞线垂直度、钢绞线连接是否稳固。②液压提升器的运转是否正常，运动轨迹是否存在障碍，如出现障碍应及时清理。③液压提升器上设置拉力计，随时监控提升进程中跑绳拉力的变化。④检查绳卡、绳扣是否卡紧、扣紧，安排专人巡视检查，坚决杜绝无关人员接触绳卡、绳扣。⑤钢绞线的受力状况。通过拉力计及观测固定在地锚一端绳夹的夹紧状况，确定钢绞线的受力状况。⑥观测地锚有无松动，安排人员24 h 监控。出现任何异常立即停止提升，各泵源控制阀自动关闭，提升器液压锁自动锁紧；立即分析问题原因，迅速解决问题。解决不了的问题要及时上报，待问题解决后方可继续施工。

4.2 环保措施

（1）施工用废机油及电焊产生的焊渣、废料应集中存放、回收、清运。

（2）施工现场应做到活完、料净、场地清。

（3）设备、材料放置安全合理，施工现场无违章作业。

5 效益分析

（1）该工法使用的物料属于周转性物料，液压提升器拆除后仍可重复使用，每次使用只需花费提升器组装和提升操作的人工费，成本低，且经济适用。按照传统搭设满堂红脚手架进行高空散拼的费用包括脚手架搭设人工费+脚手架材料租赁费，合计49.3+96.5=145.8 万元，调度楼工程采用整体提升工艺费用为44.3 万元，节约成本约101.5万元。

（2）该工法在网架拼装的同时可进行周围混凝土结构支座的施工及提升装置的安装，能有效提高工效，缩短工期。

（3）使用该工法施工时，网架只需在地面进行整体拼装，避免高空作业，可提高工效、缩短工期、保证质量，并有效降低施工安全风险。

（4）该工法所用机具属于工具化操作，简单易学，便于操作，稳定性好。