预应力倒三角管桁架钢屋盖滑移施工技术*

张志平,汪 杰,王宜彬,崔瑞国,许本盈,贾红学

(中国建筑第八工程局有限公司,上海 200122)

1 工程概况

1.1 项目概况

广交会展馆四期展馆扩建工程是纳入商务部和广东省合作框架协议的重点工程,位于广州市海珠区琶洲,总占地面积23万m2,建筑面积约56万m2,主要包含东、西2个地块。其中,西地块建筑面积46万m2,包括展厅、会议中心、登录厅、地下室及其他附属设施。结构形式为钢筋混凝土框架结构+大跨度钢结构屋盖,项目整体效果如图1所示。西地块计划于2022年10月15日完成工程实体建设并移交,于2022年秋季交会正式投入使用,绝对工期仅为644d,工期紧张。

图1 广交会展馆四期展馆扩建工程项目效果Fig.1 Effect of the Canton Fair Exhibition Hall phase IV exhibition hall expansion project

1.2 展厅屋盖钢结构概况

展厅区域平面上分为B,C,D,E 4个展厅,各展厅间设置独立的屋盖钢结构。每个屋盖平面尺寸约为128.3m(长)×92.1m(或93m)(宽),下方设置标高15.900m混凝土楼板。屋盖采用带预应力的倒三角形立体管桁架体系,基本参数为：主桁架最大跨度119.5m;桁架高度3～7.4m;每榀桁架间隔15m;桁架两端与混凝土柱一侧采用固定铰支座,另一侧采用单向滑动铰支座(沿跨度方向);管桁架上、下弦杆规格为φ700×30;管桁架下弦杆内设4束钢绞线对称布置,共68根(边跨屋面悬挑较大的1榀桁架内共84根);单根钢绞线规格为1×19W-15.2-1860-YB/T081-2013,预张力5 050kN (边跨屋面悬挑较大的1榀桁架内钢绞线预张力6 525kN); 斜腹杆采用高强钢拉杆单向布置;单个展厅用钢量 3 375t; 展厅屋盖总用钢量13 500t。展厅屋盖及单个展厅屋盖分别如图2,3所示。

图2 展厅屋盖Fig.2 Roof of the exhibition hall

图3 单个展厅屋盖Fig.3 Roof of a single exhibition hall

1.3 展厅屋盖钢结构施工重难点分析

1)展厅屋盖钢结构安装总量为13 500t,体量大,施工周期仅为4个月,时间紧、任务重。

2)展厅屋盖钢结构施工期间,其下部2层主体混凝土结构尚未完工,如何实现钢结构和其他专业快速插入是难点。

3)展厅屋盖钢结构涉及大跨度桁架、预应力钢绞线穿束、张拉及钢拉杆施工,构件规格和数量多。

4)钢结构施工高峰期,展厅屋盖、卡车通道、珠江散步道及卡车坡道钢结构同时进行施工,现场构件堆放体量大、种类多,对构件堆场及作业场地需求大。

2 展厅屋盖钢结构施工方案确定

1)方案1：散件发运、地面拼装、高空吊装 展厅屋盖钢结构待每个展厅2层混凝土楼板施工完成后搭设临时回顶支撑,构件发运至现场后在混凝土楼板上进行桁架拼装,然后进行大型机械分段整体吊装,完成屋盖钢结构施工。

2)方案2：散件发运、地面拼装、整体提升 展厅屋盖钢结构待每个展厅首层混凝土楼板施工完成后,发运至现场的构件在首层楼板上进行桁架原位拼装,采用提升工艺完成屋盖桁架整体安装工作。

3)方案3：散件发运、高空固定胎架拼装、分段滑移 展厅屋盖钢结构待每个展厅首层混凝土楼板施工完成后,在首层楼板上搭设高空拼装平台,在平台上进行滑移单元(3榀桁架为1个滑移单元)拼装,采用分段滑移施工工艺完成屋盖桁架整体安装工作。

4)方案4：散件发运、高空原位提升、分段滑移 展厅屋盖钢结构待每个展厅首层混凝土楼板施工完成后,在首层楼板上进行桁架原位拼装,滑移单元(3榀桁架为1个滑移单元)在地面拼装完成后原位提升至指定标高,然后采用分段滑移施工工艺完成屋盖桁架整体安装工作。

方案优缺点对比如表1所示。

表1 方案优缺点对比Table 1 Comparison of advantages and disadvantages of the plans

综合对比,展厅屋盖大跨度桁架采用散件发运、高空固定胎架拼装、分段滑移方案可减少对施工场地的需求,工期用时短、专业交叉少,同时可保证各专业同时施工,降本增效。

3 方案实施

3.1 整体思路

鉴于工期紧张,展厅120m跨倒三角预应力钢屋盖与其下部2层主体混凝土结构同步施工,创新提出超长大跨度钢桁架分段等节奏滑移施工技术,即钢屋盖滑移安装+展馆两侧附属混凝土结构先行施工,展厅屋盖钢结构提前插入安装,各专业平面、立面穿插施工,实现全专业快速穿插。

钢屋盖施工方面,研发了基于装配式、自稳定高空平台的大跨度钢桁架拼装技术,实现超长大跨度重型钢桁架分单元快速拼装;针对主体结构作为滑移支撑体系两侧异标高的特点,设计双向滑移轨道,并研制滚针式滑靴及动力系统,确保滑移安全稳定;应用倒三角预应力钢绞线快速穿束和张拉技术,解决了超长预应力筋穿束张拉与高空滑移技术难题。钢桁架分段等节奏滑移如图4所示。

图4 钢桁架分段等节奏滑移Fig.4 Segmented equal-rhythm sliding of steel trusses

钢屋盖整体施工流程：施工模拟→高空拼装平台搭设→滑移轨道连通及安装→钢桁架拼装→滑靴及动力系统安装→可拆卸式支撑及护栏安装→等节奏滑移→卸载就位→健康监测及检查→完成滑移。

3.2 高空平台施工工艺

研发装配式可周转格构柱群支撑体系,采用12排(东西向)×6列(南北向)布置方式,安装72根格构柱用于高空平台搭设,每根格构柱下方设置转换梁,将荷载传递至混凝土结构,确保高空平台安全。调节立柱位置设置200型贝雷架南北贯通,贝雷架上方铺设H200×100×8×12型钢作为平台钢梁,再铺设花纹钢板形成平台。格构柱顶设置圆管支撑,作为拼装桁架的胎架。高空拼装平台如图5所示。

图5 高空拼装平台三维模型Fig.5 3D model of high-altitude assembly platform

3.3 钢桁架分单元分段快速拼装技术

钢桁架采取高空分单元拼装,以3榀桁架为1个单元,每个单元分段安装。在装配式高空拼装平台上安装可转动式快速脱胎管桁架临时支撑体系,整体平稳、传力可靠,如图6所示。

图6 可转动式快速脱胎管桁架临时支撑体系Fig.6 Rotary quick-release bed-jig tube truss temporary support system

将预应力倒三角钢桁架分为8～10段,如图7所示,利用塔式起重机与汽车式起重机配合,按照先拼装下弦杆再拼装上弦杆的顺序,在高空拼装平台上利用可转动式快速脱胎管桁架临时支撑体系进行拼装。钢桁架拼装完成后,胎架即可转动放倒,实现钢桁架快速脱胎。

图7 钢桁架分段Fig.7 Segment of steel truss

3.4 预应力钢绞线施工工艺

3.5 超长大跨度钢桁架滑移技术

3.5.1钢结构滑移单元分区

每个展厅6榀桁架,每3榀桁架作为1个滑移单元,将展厅屋盖划分为8个滑移单元,每个滑移单元重1 560t,滑移单元分区如图8所示。

图8 滑移单元分区Fig.8 Partition of slip unit

3.5.2钢结构滑移施工工艺

1)滑移轨道布置

钢桁架南北两侧混凝土结构作为滑移支撑结构,因其设计标高不同,造成钢桁架两侧不等高。为保证超长大跨度重型钢桁架滑移安全平稳,每组设置为双滑移轨道。同时由于相邻展厅结构梁间不连续,特在此处增设临时钢轨道梁,确保滑移过程中传力均匀。滑移轨道如图9所示,展厅钢滑移轨道梁如图10所示。

图9 滑移轨道铺设示意Fig.9 Laying of sliding track

图10 展厅间增设钢轨道梁Fig.10 Steel sliding track beams added between exhibition halls

双轨中心距400mm,2组轨道中心间距约120m,采用800mm×200mm×20mm钢板和816锚筋间隔800mm预埋(见图11),与混凝土轨道梁连接,预埋板与QU100轨道采用卡板焊接连接。滑移轨道测量以轨道梁(混凝土梁)最高点进行找平。

图11 轨道预埋件示意Fig.11 Track embedded parts

2)滑移动力系统安装

滑移动力系统由滑靴与液压顶推装置组成,如图12所示。滑靴为滚针式滑靴,如图13所示,是滑移轨道与桁架的连接构件,滑靴顶面与桁架通过支撑焊接,底面滚针直接与钢轨顶面接触。

图12 滑移动力系统Fig.12 The sliding power system

图13 滚针式滑靴示意Fig.13 The roller slippers

液压顶推装置为组合式结构,作为滑移驱动设备,一端以楔形夹块与滑移轨道连接,另一端以铰接点形式与滑靴连接,中间利用液压油缸驱动爬行。当油缸伸出时,夹块工作(夹紧),自动锁紧滑移轨道;油缸缩回时,夹块不工作(松开),与油缸同方向移动,如图14所示。并根据钢结构整体滑移变形及应力数据实时调整滑移动力。每个滑移单元每组滑移轨道上布置3个滑移支点,顶推设备布置在滑移支点上,每个支撑点布置1个滑靴,共6个滑靴。

图14 滑靴顶推示意Fig.14 Pushing of the slippers

3)超长大跨度钢桁架等节奏流水分段滑移

展厅钢桁架等节奏滑移与其下部2层主体结构同步施工,相互穿插进行。按滑移顺序和方向,依次流水施工,优先施工滑移轨道区南、北两侧附属结构。当南、北滑移轨道区混凝土结构及轨道连接钢梁嵌补完成后,随即安装滑移轨道、滑靴及动力系统。此时根据桁架落位顺序,同步逆序穿插施工2层展厅水平梁板结构,实现钢屋盖滑移安装与混凝土结构同步等节奏流水施工,如图15所示。

图15 钢桁架等节奏流水施工顺序Fig.15 Construction sequence of steel truss equal-rhythm flow repetitive construction

列举4个等节奏流水施工过程不同工况(见图16)：①工况1 滑移单元1拼装完成,准备滑移,北侧滑移轨道区结构与2层展厅梁板结构同步施工;②工况2 滑移单元1滑移到位,拼装滑移单元2,北侧滑移轨道区结构与2层展厅梁板结构继续施工;③工况3 北侧滑移轨道区域结构施工完成,第1,2滑移单元临时落位,拼装滑移单元3,2层展厅梁板结构继续施工;④工况4 滑移单元1下方2层展厅梁板结构完成,滑移单元1卸载落位,其余部位梁板结构继续施工。

图16 等节奏流水施工工况Fig.16 Conditions of equal-rhythm flow repetitive construction

3.5.3钢桁架滑移智能施工监测

全过程模拟分析钢屋盖滑移施工,经过计算,确定钢桁架结构应力应变监测点最佳布设位置,配合合理的温度、应力及位移监测方法,构建大跨钢桁架施工监测模块。

大跨度钢桁架滑移是动态过程,滑移推力、环境荷载、轨道承载力、轨道平顺性等因素对桁架滑移准确就位均有影响。因此在滑移前,对滑移阶段结构关键构件应变、位移、构件变形及环境温度进行实时监测、分析与反馈。滑移施工过程中,通过实时在线监测桁架应力、位移、振动变化,避免滑移过程中结构应力集中、局部变形过大、脱轨、失稳及倾覆,保证滑移施工过程结构安全、稳定及滑移同步性。

滑移时对控制点进行位移监测,以防钢构件在安装或卸载过程中实际坐标与设计坐标出现较大偏差并对结构产生较大侧向力。通过对比监测值与初始值,得出结构在各卸载阶段位移变化,如图17所示。

图17 同步滑移位移监测数据Fig.17 Displacement monitoring data of synchronous sliding

3.6 钢桁架滑移后的变形监测与复核

滑移就位后,采用基于BIM的三维激光扫描技术,对大体积屋盖钢桁架杆件安装偏差进行扫描,利用点云模型与原图纸模型进行误差对比分析,通过模型对比快速生成偏差,实现复杂钢桁架快速复核。

4 结语

广交会展馆四期展馆扩建工程展厅区域120m跨预应力倒三角管桁架钢屋盖通过应用一系列施工技术,在工程体量大、结构复杂、周边和场内环境复杂、工期异常紧张的条件下,实现钢桁架屋盖快速安装,效益显著。

1)工期效益 高空固定胎架拼装+分段滑移施工方案相比常规地面拼装+高空吊装、地面拼装+整体提升施工方案减少了施工场地的需求,加快了施工效率,降低了对其他专业的影响,缩短工期119d,为后续机电安装,金属屋面及室内砌筑、装修等作业的提早插入创造条件,有效推动了广交会展馆四期项目整体履约工作。

2)社会效益 组织各类大型观摩16次,有效提高了项目整体知名度,广交会展馆四期展馆扩建工程将在原广交会展馆的基础上再次升级,新增的展馆会议中心和指挥中心功能将大大提升。建成后的广交会展馆总建筑面积达168万m2,成为全球最大的会展综合体,为更多国内外企业提供了走向世界的舞台,为推动形成以国内大循环为主体、国内国际双循环相互促进的新发展格局做出了更大贡献。