某遗址永久性保护钢结构施工关键技术*

成张佳宁, 张 军

(1.同济大学土木工程学院,上海 200092; 2.南通大学交通与土木工程学院,江苏 南通 226019)

0 引言

遗址保护项目的新建与改建需特别注意对原有文物的保护,在施工过程中需避免各种不利因素对文物的扰动,如因振动过大造成文物本体的损坏。合理的结构设计与施工方法可有效将建筑施工对遗址的影响程度降到最低。李向阳等[1]结合某具体遗址保护工程,从基础施工阶段、结构施工阶段、本体保护施工技术3个方面对施工过程中遗址保护的关键施工技术进行总结。江枣等[2]针对某遗址公园展厅结构,分析了施工对遗址本体的影响,从设计角度出发总结关键技术要点。孙琪等[3]根据玉树灾后重建的总体规划和工程特点,对雨棚钢结构进行吊装方案设计,采用计算机模拟分析和系列技术保障措施,合理保障了雨棚钢结构安装满足设计要求。

本文针对某项目遗址现状,在原有基坑遗址基础上,综合考虑建筑形体、功能和施工等要素,遗址的保护钢结构采用拱+悬挑结构形式跨过遗址区域,以避免施工过程对现有遗址的干扰。针对钢结构安装施工,采用MIDAS Gen进行施工过程分析[4-5],并细化钢结构安装过程的保护处理措施[6],确保施工过程安全。

1 工程概况

柳孜运河桥梁遗址整体呈方形,平面尺寸约为39.1m×34.9m。遗址基坑底部绝对高程28.950m,四角绝对高程33.790～ 34.600m。遗址基坑内部主要包括边坡文化层、南北桥墩、石板路等遗存。同时遗址基坑西侧有1处宋代河道,上覆玻璃顶棚,如图1所示。

图1 遗址现状Fig. 1 Current status of the site

新建钢结构大棚采用钢框架结构(见图2),地上2层,无地下室。总建筑面积约5 575.20m2,建筑总高度为15.012m,±0.000标高为35.400m。

图2 钢结构三维效果Fig.2 Three dimensional effect of steel structures

遗址基坑上方为悬挑45m钢结构罩棚,原有遗址与新建钢结构相对位置关系如图3所示。整体结构落地构件为4根斜柱,全部荷载均通过4根斜柱传递给基础。其中,2根大截面斜柱组成主拱(1 600mm×900mm×60mm方钢,Q460B材质),另外2根小截面斜柱组成支撑拱(900mm×600mm×35mm方钢,Q355B材质)。主拱倒向悬挑侧后方,并与支撑拱形成完整的受力体系,如图4～6所示。

图3 原有遗址与新建钢结构相对位置关系Fig.3 Relative positional relationship between the original site and the newly constructed steel structure

图4 钢结构平面Fig.4 Plan of steel structures

图5 钢结构立面Fig.5 Elevation of steel structures

图6 钢结构轴测示意Fig.6 Axonometric schematic of steel structures

2 钢框架施工

2.1 施工方案

为防止施工过程对遗址产生破坏,考虑对现状遗址基坑进行整体覆盖保护。利用现有钢结构大棚,在施工过程中尽量保持现有结构,拆除部分有影响的结构。根据设计钢结构与现有结构相对位置关系,在施工地基承台及基础拉梁前,先拆除北侧部分现状大棚(见图7a),拆除至现状遗址基坑边缘。现状大棚北侧和钢结构存在冲突,且拆除的部分大棚位于遗址基坑外,拆除后现状大棚仍可起到防雨作用。同时,钢结构吊装过程中,南侧一跨大棚出挑1.4m,出挑部分和现状钢结构冲突,拆除后现状大棚仍可起到防雨作用(见图7b)。局部拆除后,钢结构吊装施工各阶段均采用散拼吊装,无需设置脚手架,施工过程不影响原有轻钢结构大棚。

图7 现状大棚拆除Fig.7 Demolition of current greenhouse

结构存在45m跨度超长悬挑,由于无法一次性吊装到位,施工阶段需在悬挑结构合适位置架设临时支撑,用于安装主体钢结构;另一方面由于悬挑结构跨越遗址基坑,出于文物保护的目的,遗址基坑范围内不允许直接架设临时支撑。因钢结构整体较复杂,且需要规避对原有遗址结构的干涉。

1)主斜柱采用地面拼装、旋转安装的施工方法。主斜柱根部约2m段预先安装,采用刚性柱脚连接。上方其他区域斜柱在倾斜至其端部距离地面约5m位置设置支撑胎架,并在此位置安装A字形斜柱,旋转段斜柱底经深化设计后采用竖转铰作为活动铰,满足斜柱在自重状态下的旋转。

2)拼装完成后,在后方位置设置牵拉锚点,斜柱端部设置张拉端,底部钢柱脚设置活动转角。利用前方 1 600t履带式起重机吊起A柱柱端顶点提起斜柱,通过底部活动铰进行旋转。为安全考虑,后方设置钢绞线进行张拉拉紧,斜柱旋转过程中由起重机与钢绞线共同受力,但计算时考虑较为不利状态,均按照满载单独进行选型计算。

3)主斜柱旋转至设计位置后,斜柱跨中位置设置支撑胎架临时固定,作业过程中,斜柱牵拉钢绞线绷紧且不拆除,仅作为防止斜柱倾倒的二次安全保障措施。进行其余2根支撑拱吊装施工,待斜柱形成稳定体系后,安装北侧拱框架及拉索,然后安装北侧2层楼面、屋面和其他次结构。

4)在主拉杆跨中设置支撑胎架,安装主拉杆。支撑胎架采用塔式起重机标准节进行安装,底部设置混凝土浅基础支撑胎架位于主拉杆1/3位置,并避开现有轻钢结构保护棚。

5)在南侧下挂桁架下方砌筑刚性地坪后,安装南侧下挂桁架。安装屋面桁架与吊挂拉索并于空中散拼安装南侧主屋面,然后对临时支撑胎架进行卸载拆除。

2.2 施工过程模拟分析

利用MIDAS Gen有限元分析软件,对各安装流程进行受力分析。有限元计算结果如图8,9所示。

图8 各施工过程组合变形(单位：mm)Fig.8 Combined deformation of each construction process(unit：mm)

图9 各施工过程组合应力(单位：MPa)Fig.9 Combined stress of each construction process(unit：MPa)

根据模拟内容,控制关键施工节点。在模拟分析中,各环节结构最大组合变形为270.82mm,在北侧拱框架及拉索安装过程中需设置临时支撑控制框架整体竖向变形;结构整体安装完成后,自身形成完整受力体系,当进行临时支撑胎架卸荷后,结构最大变形变化约为16mm,施工作业安全可控。施工作业过程中结构卸载前的最大组合应力为177.17MPa,卸载后局部杆件应力较集中,在施工作业过程中需重点对应力增幅较大杆件进行应力监控。

3 关键施工步骤控制

根据施工基本流程,主斜柱采用地面拼装、旋转安装的施工方法。在初始施工位置,斜柱在倾斜至其端部距离地面约5m位置设置支撑胎架,并在此位置安装A字形斜柱。于后方进行牵拉锚固,通过活动铰进行旋转。

模拟吊拉过程中钢丝绳受力(见图10),确定起重机及相关构配件选型。根据计算分析,吊拉钢丝绳最不利状态下受力约1 012kN。考虑吊臂长度及吊物质量,当工作半径为65m,起升高度为70m时,1 600t 履带式起重机起重臂长度约为100m,在(295+60)t配重状态下可吊装约280t重物,可满足钢柱吊装作业过程且具有一定安全系数。

图10 模拟吊拉过程中钢丝绳受力Fig.10 Simulation of the force on steel wire rope during lifting process

待主斜柱旋转至设计位置后,模拟在此过程中主斜柱仅通过钢绞线收紧时的受力状态,确定钢绞线受力最不利状态,如图11所示。

图11 模拟斜柱转体过程中钢绞线受力Fig.11 Simulation of the force on steel strands during the rotation of inclined columns

卸载悬挑部位临时支撑胎架,要求支撑装置与主体结构脱开,但仍保留在原有位置,作为后续安装过程中的防倒塌安全储备。拆除2根主拉杆跨中节点后,屋面荷载将转移到主拱及桁架支点位置,以上区域构件内力增大;屋面跨度变大,挠度增加;主拱及预应力拉梁内力增加。拆除两侧桁架支点后,悬挑屋面仅剩端部桁架支点。拆除端部桁架支点后,悬挑屋面荷载全部由悬挑桁架及拉杆/拉索承担。由于杠杆作用,支撑拱柱脚由受压变为受拉状态。临时支撑卸载作业需平稳、对称进行,进行精准控制。

4 结语

针对柳孜运河桥梁遗址拱+悬挑形式钢结构大棚,进行施工过程分析及施工作业工况的分阶段模拟,并得到以下结论。

1)基于现场施工条件,结合钢结构自身特性,确定各环节下施工过程,通过三维模拟对安装过程进行了过程化分析,有效指导施工,确保施工作业安全。

2)利用MIDAS Gen软件对各主要施工过程进行仿真分析,确定各施工作业过程中较为不利位置,确保各阶段结构安全及稳定性。

3)通过过程分析确定施工中的设备与材料选型,确保施工安全,提高施工作业效率。