大跨度钢结构滑移施工中同步控制分析

周庆辉, 肖 龙, 付小敏, 王小瑞, 谢贻东

(1.北京建筑大学 机电与车辆工程学院 北京市建筑安全监测工程技术研究中心, 北京 100044；2.北京市机械施工有限公司， 北京 100045)

某大跨度钢结构施工，跨度达到了202.2 m，在国内也属于首例[ 1]. 由于钢结构跨度太大，结构体型非常重，整体滑移施工尤其困难. 目前我国针对钢结构滑移方面尚未制订统一的技术标准，许多工程依靠实际经验[2]，缺少理论分析和评价，因而科学性不足.

监控整个滑移过程中的关键构件的应力、滑移的同步性，是避免构件破坏乃至整体结构失稳的主要方法，一直成为有关学者和施工单位的重点研究课题[2-5]. 然而，由于施工现场环境复杂多样，每个工程均不相同；结构形状差别较大，尺寸各异；滑移的工艺方法也各有特点，现在还没有统一的监测方法，也没有一致的监测参数，从而给监测方案的制定带来了困难.

为了解决这个难题，就需要从理论分析出发，抽象滑移单元，建立数学分析模型，找出滑移施工中的共性问题. 本文针对该实际工程案例，对整体滑移进行了理论分析，建立了滑移单元偏移力学模型，分析了导致滑移单元不同步的主要参数，设计出了合理的累计滑移施工方案，保证了施工安全和施工质量.

1 工程概况

图1为某大跨度钢结构图，采用膜结构钢桁架，断面轴线尺寸202.2 m，长度286 m，上部桁架上弦管芯高度52 m，最大外延跨度可达208.6 m. 结构共有7榀主桁架. 钢结构每跨桁架支座支承在柱顶上，采用两端铰支的拱桁架，主桁架为倒梯形立体桁架，桁架宽度6 m. 为减小拱脚推力，在桁架下弦设置预应力钢索，钢索标高33 m. 整个钢结构屋盖的长度、宽度都非常大，由于现场场地条件限制，因此采用滑移施工方案.

2 滑移施工方案

按照桁架结构布置特点及滑移施工工艺的要求，桁架滑移施工拟采取“整体累计滑移”的施工工艺，即：第1跨与第2跨拼接好后整体向前滑移到指定位置，第3跨与第2跨拼装完成后，再将前三跨整体向前推，以此类推，到第7跨时整体滑移重量达到1 750 t.

利用“液压同步顶推滑移”系统将拼装完成的滑移区主、次桁架等结构拼装成整体并整体滑移到设计位置. 桁架结构滑移施工共设置2组通长滑移轨道，分别设置于结构的A轴和B轴线. 滑轨及顶推点布置如图2所示.

液压同步顶推滑移技术采用液压顶推器作为滑移驱动设备. 液压顶推器采用组合式设计，后部以顶紧装置与滑道连接，前部通过销轴及连接耳板与被推移结构连接，中间利用主液压缸产生驱动顶推力.

2.1 滑移施工中的关键问题

由于钢结构跨度大，结构体型重，滑移过程中，若牵引力不均匀或者滑移位置不同步，将会导致滑移单元偏扭；而且由于顶推位置处于主桁架的底部，其顶推力会造成主桁架上部节点的附加弯矩，不利于主桁架结构的稳定. 若滑移轨道不平，还会引起滑移单元在动荷载下的振动和杆件的附加内力.

为了确保滑移过程中主桁架的稳定性，有效地监测滑移状态，必须解决以下主要问题：

1)如何建立滑移单元偏移的简化模型，分析牵引力不平衡对同步问题的影响，从而合理控制牵引力.

2)由于主桁架为张弦拱形桁架，桁架不仅有竖向压力，而且存在向外的水平压力，如何确定拉索的预应力，减少水平压力？

3)应确定哪些监测参数才能保证在滑移施工中结构的稳定性及安全性？

2.2 滑移施工中导致不同步的影响因素

2.2.1 滑移单元偏移

对于各种类型的滑移结构现根据其对轨道是否产生水平侧推力来将其分为无平反力模型和有水平推力模型两类[3]. 本文属于后者，把滑移单元作为一个超级单元. 由于滑移单元在两侧轨道上滑行时，位移不同步导致滑移单元存在偏移，从而发生滑移单元整体偏转. 滑移单元发生极限偏移(即卡住时)的相互关系如图3所示. 假设a为滑移轨道与滑移导向轮之间的允许偏差距离,θ为结构极限倾角，即结构卡住时产生的偏侧角度.l为跨度，b为宽度.

则位移不同步值u：

u=lsinθ

根据图中的几何关系，可以得到：

结构偏移极限倾角θ与空间滑移结构几何参数l/b,a/b相关.

可以得到k,t与u之间的关系：

由于钢结构的跨度l值固定，跨度b随着施工过程不断增加，本案例中每跨宽度为35 m，为了保持结构偏移极限倾角基本一致，分别分析a为0.03 m，0.05 m和0.07 m时跨度b与不同步值u之间的关系图. 从图4中可以看出：随着跨数的增加，也就是b的值越来越大，则位移不同步值u将会减少，不易实现同步滑移. 因此应该加强滑移过程的同步性监测，尽量保证滑移过程中不同步值. 在文献[2]中建议不同步值不超过30 cm，并指出其他文献中强调的不同步位移差值不超过30 mm过于简单武断，不同步位移差限值的取值范围应考虑被滑移结构的跨度和结构本身的刚度，这与本文理论分析是一致的.

2.2.2 牵引力的影响

钢结构在正常滑移过程中，除了承受竖向方向的自重荷载、支座反力以外，还承受顶推器的牵引力F1，F2、滑靴与支座之间的摩擦力f以及不同步位移产生的内力等. 如果牵引力F1，F2不均匀，则会造成滑移时位移不同步产生的偏转，对钢结构产生附加力矩M. 如图5所示表示附加力矩简化分析的模型，R表示两侧导轨外产生的水平推力.

图5中虚线表示钢结构在正常无偏差滑移时所处的位置,实线表示钢结构发生了偏扭后的位置. 根据两牵引点不均匀力以及发生偏转后的位移不同步之间的关系推导结构附加力矩的计算公式[3]：

由于：

式中：μ1，μ2分别为左右两侧导轨上的滑动摩擦系数. 力矩的不平衡主要是来自于牵引力的不均匀和滑移中的位置变化，其力矩方程为：

代入可得：

附加力矩M不仅与牵引力的差值、滑动摩擦系数以及自身重量有关，还与钢结构的结构参数跨度和宽度有关. 牵引力差值产生的附加力矩M，将与水平推力R形成平衡力矩，即M=Rb，其与牵引力差值的关系如图6所示.

从图6中可以看出，随着牵引力的不均匀差值ΔF越来越大，水平推力R也越来越大，也就是增加了支座的压力，给同步滑移带来了困难. 另一方面，在滑移过程中需要对水平推力进行监控，水平推力可以反映出同步状态.

2.3 索预应力的确定

由于钢结构在滑移过程中工况复杂，如启动、制动、卡轨、振动等工况均会导致各点的应力不断变化，势必会影响到结构内部，造成杆件或部位受到附加力. 对于其中每榀主桁架，还承受副桁架、檩条、连系梁及支撑的作用，主桁架属于空间受力状态. 为了保证结构的稳定性，大跨度结构设计中的常采用张弦结构预应力钢结构体系，索预紧力可以改善上弦构件的受力性能，减小上弦构件在荷载态下的弯矩；还可以防止结构使用周期内，风载参与作用的工况下，拉索松弛而退出工作.

如图7所示，零状态下，给索施加预应力的水平分量为H1，结构将产生向上的挠度w(x)，梁截面的轴力水平分量为H2、剪力为V，弯矩方程为M(x)，竖向撑杆作用效果可视为分布力r(x)，结构自重可视为竖向均布荷载. 索的弹性模量为E1，梁的弹性模量为E2，惯性矩为I2.

对索施加预应力后，结构的几何形态应符合建筑外形的要求，假定索和梁的目标几何函数为抛物线方程，在图7所示坐标系下，张弦梁的支座边界条件可得[6]：

从公式可以看出，预应力态下，张弦梁的弯矩分布，主要与垂度f1,矢高f2、结构自重、预应力值有关. 根据工程需要，确定了弯矩和挠度，就可以得到索的预应力值.

3 监测方案设计要点

3.1 滑轨及支座结构的改进设计

减少摩擦系数，可以减少因牵引力不均匀带来的附加力矩. 因此滑轨结构设计中，将原滑动摩擦形式改进为滚动摩擦，用30号圆钢做成滚轴. 为了保证轨道接触面受力均匀，支座与导轨之间增加了箱梁结构. 水平导轨用焊接连接，焊缝打磨光滑平整，并涂抹黄油，以保证充分的润滑. 控制左右两边水平导轨的平行度. 在侧向滑轨方面，采用导向轮与侧向导轨接触方式，两个导向轮固定在专用支架上，均匀布置在支架两端，导向轮起到导向作用，支架用以抵抗水平推力，如图8(a)所示. 在支承轨道及其基础方面，铺设2条滑移支承轨道, 以保持滑移时结构顶部标高正确, 确保滑移结构安全. 为防止滑移中自重压偏箱梁，先浇筑60 cm厚的混凝土基础、再配以特制钢箱梁作为整个屋面的承载平台，同时每隔1.5 m左右就搭设一根圆形钢管构成斜支撑体系，确保轨道的直线度，如图8(b)所示.

3.2 主要监测参数的确定

根据理论分析，可以确定出主要监测参数.

3.2.1 顶推点位移同步监测

在整体滑移过程中，各顶推点位移同步是工程施工的控制重点. 若顶推点位移不同步，会造成滑移单元偏转，滑移单元在滑移中发生卡轨，停滞等现象，对系统造成冲击，引起振动变形. 而且现场突发状况，也可以通过滑移支座的位移量反映出来.

3.2.2 跨中挠度的监测

结构在滑移过程中，顶推力作用于纵向水平方向，若左右同步滑移，对跨中挠度影响不大. 由于桁架结构属于空间受力状态，滑移若不同步，在平面外会产生弯曲变形或扭转变形等. 而且滑移施工情况复杂，各种原因产生振动，会使得主桁架剪切变形或翘曲变形，对跨中挠度造成变化. 因此需要检测跨中挠度，以判断滑移中主桁架结构的受力状态. 监测结构单榀跨中下弦测点位置，根据在施工过程中高差变化，计算测点挠度的变化.

3.2.3 水平推力的监测

水平推力可以反映同步状态，如牵引力差值引起的不同步. 而且在实际施工中，根据大跨度空间结构的受力特性，竖向荷载作用下也将产生很大的水平推力，这将使支座下设置的导向轮与侧向导轨压紧，产生很大的摩擦阻力，给长距离的滑移带来困难. 为了实时监测水平推力，在导向轮支架上，贴上电阻应变片，增加一套应变测试系统.

3.2.4 索张拉力的监测

累积滑移施工中，各轴索之间相互作用，在不同施工阶段也相互影响，索张拉力难以控制. 适当增加索的张拉力，可以减少结构的水平推力，从而减弱结构对侧向导轨的压力，以减小摩擦力. 如果索张拉力达到一定值，可以使导向轮基本脱离侧向导轨. 同时索张拉力可以保证滑移阶段的结构稳定性. 各轴索的张拉原则是尽量减小支座的水平推力，最好控制在水平推力为零；各轴索按照滑移顺序逐根张拉，滑移到位之后，再将各轴索力分级调整到设计值.

5 结论

1)为保证滑移的同步性，各顶推点的同步滑移问题是工程施工的控制重点，顶推点的滑移同步性能，可以避免滑移单元的偏转状态，也可以反映整个结构在累积滑移施工中的整体变形，通过现场实时观测记录能够对施工进行控制，对于可能出现的突发状况也能通过顶推点的滑移量进行预知.

2)整体滑移中，监测水平推力同等重要. 在以往的工程实践中，更多的关注于内力杆件的应力变化，忽略了水平推力的变化. 水平推力可以反映同步状态.

3)改进机械结构设计，改善结构参数，可以提高同步控制性能. 如：改进支座的结构设计，提高滑轨滑靴的接触状态，严格控制滑轨的平面度和直线度等.