大跨度复杂空间钢结构拼装与整体滑移施工技术

张 利

中铁北京工程局集团有限公司机场工程分公司 北京 100073

1 工程概况

背景工程造型独特，钢结构平面为一矩形（图1），南北向长度为206 m，东西向长度为178 m，总建筑面积为32 238.5 m2。钢结构总质量约为3 500 t，主要材质为Q345C，钢管采用相贯节点连接，其中最小管径80 mm，最大管径700 mm，多达36种规格。钢结构屋盖节点主要采用圆钢管相贯节点，多管相交复杂节点采用铸钢和焊接球节点，包括A、B、C、D、L1、L2、L3、L4、L5、L6共10个部分。主体由4个24～36 m高度不等的大三角锥形相切后相连而成的锥体组成，4个大锥体由4榀空间主桁架组成，主桁架之间设置屋面次桁架，形成空间桁架体系，主体周边由比较低缓的5个三角锥形（最高7 m）围绕，其下方设置大型主展厅。

图1 钢结构平面示意

2 施工难点与方案选择

采用信息化施工，对空间钢结构桁架拼装和整体滑移全过程进行仿真模拟，确定相关工艺参数；对施工关键环节进行应力、变形、滑移同步监测，保证施工安全和质量。钢结构由9个锥体桁架组成，采用“分区、分块安装、逐步形成稳定单元”的安装方法进行拼装，一次滑移就位。对复杂锥体尖角节点采用球节点、铸钢件来替代多杆件相交点，利用“管桁架相贯口定位方法”的专利技术，保证空间复杂节点的精确定位。钢结构整体滑移时，在工程外采用混凝土条形基础，工程内采用贝雷架、钢管斜撑组成的栈桥系统，解决了相邻不同形式轨道基础的刚度差问题，保证了不同形式轨道间的平稳过渡。钢结构拼装和土建施工平行作业，避免了施工交叉，缩短了施工工期，节省了临时支撑的搭拆工作量及周转材料，减少了大型吊装设备的投入，降低了施工难度，提高了施工效率[1]。

3 施工工艺要点

3.1 施工准备

1）对屋盖钢结构施工全过程进行计算机仿真分析，确定最不利点的应力、变形、各支点反力等施工参数，确定本工程不同步性不大于50 mm，施工中按不大于30 mm进行控制。各阶段模拟分析如图2～图4所示。

图2 拼装阶段变形仿真模拟示意

图3 滑移阶段变形仿真模拟示意

图4 支座安装与卸载仿真模拟示意

2）建立空间测控网，将建筑物的纵横轴线和钢柱、钢梁的径向轴线与建筑矩形控制网轴线的交点，用内分法在控制网轴线上标出各杆件轴线尺寸，进行图上作业，计算各杆件、节点的空间坐标，并画出拼装位置图。

3）进场材料经检验合格后，方可使用，全站仪、经纬仪、水准仪等测量仪器经检定合格后，方可使用。

4）拼装场地应平整、坚实，宜采用混凝土硬化场地。

3.2 钢结构预埋件施工

工程外浇筑混凝土条形基础时，预埋滑移轨道连接件；混凝土底板施工时，在对应贝雷架栈桥系统短柱下预埋钢板埋件；地下结构剪力墙和楼板位置，增设牛腿钢筋和预埋加强H型钢梁，上铺轨道。

3.3 滑移轨道施工

1）布置6条滑移轨道，其中两侧的1、4号轨道为单轨，中间的2、3号轨道为双轨。轨道标高与钢结构桁架支座设计标高设置在同一高度。滑移轨道布置如图5所示。

图5 滑移轨道平面示意

2）工程外滑移轨道采用混凝土条形基础，待基础混凝土达到设计强度后，安装轨道。

3）工程内滑移轨道贝雷架栈桥系统施工工艺：底板预埋件施工→型钢短柱安装→H型钢横梁安装→贝雷架安装→轨道梁及轨道铺设→两侧斜撑安装。短柱与底板及横梁间采用焊接连接，轨道与轨道梁间采用固定卡板连接。

4）滑移轨道基础和钢轨安装应牢固，施工完成后，用“贝雷架静载试验反力架装置”对贝雷架栈桥轨道系统进行加载试验，实测变形量，保证轨道的变形满足要求。

3.4 固定、滑移支撑架搭设

钢结构拼装时设置固定支撑架和滑移支撑架，滑移时拆除固定支撑架，支撑架均采用钢管、型钢焊接。

1）固定支撑架为格构式塔架结构，采用预埋螺栓与混凝土基础连接或与混凝土上的预埋钢板焊接。其上部采用钢管临时焊接在屋盖钢结构桁架的节点上，固定支撑架底部设置卸载节点，其构造如图6所示。

图6 固定支撑架卸载节点示意

2）滑移支撑架为空间桁架式结构，下部通过滑靴支撑在滑移轨道上，上部与屋盖钢结构桁架节点焊接（图7）。

图7 滑移支撑架

3）在滑移支撑架底部安装滑靴装置，滑靴纵向用钢楔锁定，横向用滑靴限位装置锁定，保证钢结构拼装时的稳定。滑靴构造如图8所示。

图8 混凝土基础上滑靴构造示意

3.5 分块单元拼装

3.5.1 桁架小拼

在工程外混凝土地面上搭设拼装平台，将杆件拼成片状单元。采用自创的“管桁架相贯口定位方法”，通过计算机模拟确定角度，制作模具，利用实体模具及量角仪器进行放样，确定相贯口方向及角度，进行杆件固定、安装，确保相贯口精度。

3.5.2 桁架大拼

采用“圆钢管桁架安装临时固定装置”对小拼单元桁架进行组对临时固定，测量合格后焊接固定。

拼装时，复杂的桁架杆件相交节点可采用铸钢节点、球节点，通过计算机三维模型确定安装角度，现场采用全站仪对相贯口进行精确定位，保证节点安装精度。

3.6 整体钢结构拼装

按屋盖钢结构桁架造型、跨度划分整体拼装区块，每个锥体为一个区块。整个屋盖钢结构桁架由屋盖的一端向另一端逐个区块依次安装。每个区块主桁架由两端向中间进行拼装，次桁架随着主桁架依次进行嵌补，以减少安装累积误差和合拢时的安装误差。每吊装一个大拼单元，将其焊接在支撑架上，如图9、图10所示。

图9 桁架大拼单元吊装

图10 分区块桁架拼装

根据设计给出的屋盖钢结构桁架起拱高度和模拟计算分析得出的下挠值，采用反变形法，对临时支撑预起拱，使卸载后的屋盖结构标高符合设计要求。

现场拼装采用手工电弧焊、CO2气体保护焊对杆件进行焊接。相贯口采用多层多道对称焊接，注意避免焊接变形及焊接应力。相贯口组对时，应在相贯口处支管与主管间预留出2～3 mm间隙，以提高焊接质量。构件焊接结束后，焊缝应全部进行探伤检验。

3.7 拼装完成后卸载

整体拼装完成后，拆除固定支撑架，将荷载转移到滑移支撑架上。按施工图划分的构造单元分区依次进行卸载，先进行竖向卸载，再进行水平卸载。卸载过程中，通过安装的应变仪及棱镜监测卸载过程的应力应变，保证卸载过程结构安全。

1）竖向卸载是对非轨道处固定支撑架进行“同步等比例”卸载，其工艺为：千斤顶顶紧固定支撑架下部钢梁→切除钢柱→垫钢板→升高千斤顶→抽掉钢板→千斤顶缩缸。循环往复，直到卸载完毕，拆除固定支撑架。

2）水平卸载是释放结构自重和竖向位移作用下滑移支撑架滑靴与轨道间的水平力，以减小滑移阶段轨道上的水平荷载，采用“同步等距”的方法，其工艺为：千斤顶顶紧滑移支撑架底部→拆除临时车挡和锁定装置→释放千斤顶→安装滑移车挡等装置→分级卸载，直至卸载完毕。滑靴底部与轨道接触面处涂抹润滑油，为滑移做好准备，如图11所示。卸载过程中如发现应力、变形超过警戒值，应停止卸载，采取相应措施后方可继续卸载。

图11 拼装完成后水平卸载示意

3.8 顶推系统安装

将每条轨道上的滑靴用拉杆连接，拉杆采用160 mm×100 mm×16 mm双角钢，或在滑移支撑架和屋盖钢结构桁架之间设置斜撑，保证结构稳定。

根据屋盖钢结构桁架质量及滑移支撑架底部反力，在轨道上安装液压爬行顶推器。每条轨道上可根据顶推力大小选择一个或多个顶推器，所有爬行顶推器均由集中液压油泵供给动力，并由计算机控制中心控制。液压爬行顶推器平面布置如图12所示。

图12 液压爬行顶推器平面布置示意

3.9 试滑移

试滑移前，应对轨道及其支撑系统、滑移支撑架及其与屋盖钢结构桁架连接进行检查，各项检测设备正常工作后开始试滑移，试滑移距离为3 m。爬行顶推器每行程300 mm，检查各轨道是否同步，合格后再进行下一行程滑移。试滑移阶段完成后进行全面检查，确认滑移安全。

3.10 整体滑移

在滑移轨道上每3 m划出标记，作为一个滑移步序，滑移时采用尺量的方法记录每个行程的距离，检查滑移的同步性；计算机控制中心通过传感器反馈每条轨道上的距离信号，进一步控制滑移的同步性。相同轨道的同步偏差不大于10 mm，不同轨道的同步偏差不大于15 mm。滑移过程中，应随时观测滑移轨道、液压爬行顶推器、液压泵源系统、计算机控制系统、传感检测系统的工作状态。如发现滑移同步偏差不满足要求，应对单台顶推器进行点动微调。每次正式滑移前，应先点动试滑，待所有顶推器同步工作后再进行正式滑移，利用行程及位移传感器监测系统和计算机控制系统，通过数据反馈和控制指令传递，实现全自动同步动作。通过相同的泵源和对液压油压力、流量控制，使每条轨道所分配的液压油量相等，实现顶推器同步。滑移接近设计位置时，点动缓慢滑移到位。

3.11 支座安装

1）非轨道处支座安装。分区调整非轨道处原结构支座至其设计状态，安装该处支座。根据屋盖钢结构桁架布置及其刚度特征，依次分区进行支座安装，采用千斤顶对非轨道处结构支座位置进行同步回顶，至其设计标高后，安装该处支座。

2）轨道处支座安装。屋盖钢结构桁架滑移至设计位置后，用千斤顶将钢柱顶紧，将滑移轨道上的力转移至千斤顶上，拆除滑靴、滑移轨道及其轨道支撑架结构系统，切除多余钢管，补长支座管钢并安装钢支座，移出千斤顶，安装钢支座。永久支座安装完毕后，拆除剩余的滑移轨道及其轨道支撑架。

3.12 监控量测

3.12.1 应力监测

通过仿真模拟分析计算，确定钢结构整体拼装、卸载、滑移、支座安装过程中应力及变形值较大的杆件，并在这些杆件上安装应力传感器，通过数据采集仪及计算机观测杆件应力及变形值，若超预警值，立即停止施工。

3.12.2 滑移同步监测

1）通过爬行顶推器位移传感器将每个行程的数据传递至计算机控制中心，进行计算机监测控制。

2）通过桁架上安装的棱镜，在滑移方向的前后方各布置1台全站仪，监测各条滑移轨道间的位移同步情况，并根据同步监测结果对各条轨道爬行顶推器进行调整，使各条轨道上屋盖钢结构滑移的同步性满足滑移方案的要求。

3）每天滑移时，爬行顶推器首次行程结束后，通过尺量对比各条轨道上屋盖结构滑移前进值，保证滑移同步。

4 质量控制

1）钢结构桁架拼装质量控制。屋盖钢结构桁架拼装允许偏差应符合方案要求；对施工的特殊过程、关键工序进行检查，合格后方可进行下道工序施工；对已组装好的构件用钢材测厚仪进行10%随机抽查；现场焊接实行质量终身制，每个焊口标记焊工姓名，发现质量问题由责任人进行返修，直至检查合格；手工电弧焊作业环境风速不得超过8 m/s；CO2气体保护焊作业环境风速不得超过2 m/s。

2）滑移过程质量控制。控制爬行顶推器行程，保持每次滑移行程为300 mm，整体滑移速度控制在8 m/h。屋盖钢结构每滑移3 m即对不同轨道的滑移量值进行测量，若不同步值超过15 mm、小于30 mm时，通过点动滑移对单轨道进行位移调整，保证滑移的同步性。若不同步值超过30 mm，停止滑移。

3）支座安装过程中，采用应变仪对桁架结构支座内力进行监测，并与原结构设计状态支座反力进行比较，若超出计算值应立即处理，保证结构安全。

5 结语

整体拼装滑移与传统高空散装法施工相比，节省临时支撑材料约500 t，成本200万元；将切割机运至场区附近的加工厂加工管材，减少运输成本72万元；减少了大型机械设备的投入，节约机械租赁费60万元；在冬季施工之前，完成了钢结构的拼装、滑移任务，工期提前6个月，节约成本250万元。共计节约成本582万元，成本降低约16%，取得了良好的经济效益。采用工程外拼装整体滑移的施工方法，减少构件吊装次数，支撑架用钢量较传统方法减少约30%。由于大型机械的投入减少，从而减少了施工中的污染，实现了建筑施工节能减排、降噪的目标。