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            太原機場擴建航站樓網架施工技術

            1概述

            太原武宿機場作為北京2008年奧運會首都機場的備降機場,按照世界上最大的客機A-380飛機備降的需要進行改擴建,新建一座5萬平方米航站樓,改造現有航站樓,建設航站區配套設施等。跑道及滑行道長度都將由3200米延長至3600米。

            新擴建的航站樓、西指廊以及南北指廊屋面均為弧形曲面網架結構,共分為7個區,網架屋蓋投影面積約為32578㎡,總重約2000t。我公司承擔新航站樓和西指廊網架1~4區的施工,網架屋面水平投影面積為19166㎡,總重約1200t。網架桿件均為Q345B無縫鋼管,主體結構為螺栓球節點網架,周邊收邊桁架為管桁架,局部支撐點為焊接球網架。網架一區與網架四區的部分鋼管砼柱通過樹狀支撐與屋面進行連接,其余的鋼管砼柱直接與屋面連接。每個區網架均為三角形,其中網架一區三角形頂角處標高為34.693m,兩個底角標高為20.047m,高差為14.646m,如圖1所示。

            網架一區面積約為10000㎡,重約600t,參與提升工作的結構重約450t。航站樓下部結構為二層框架混凝土結構,二層樓面標高為7.300m,為了盡量減輕二層樓面的負擔,減少網架拼裝腳手架的搭設,網架采取“趴下”的姿態在二層平臺上拼裝。拼裝完成后再對“趴下”的網架進行整體“翻身”動作(液壓非同步翻轉提升),當調整到設計姿態后再進行整體同步液壓提升到位。翻轉提升過程的控制是本工程的重點和難點,稍有疏忽將會引起網架的變形、整體彎折等危險。

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            技術難點、重點

            通過本工程的施工,從深化/優化設計、現場拼裝、現場焊接到整體提升等各施工階段的技術難點重點如下:

            2.1 深化/優化設計

            本工程的深化/優化設計重點主要有:焊接球規格的統一設計,焊接球直徑變小處桿件重疊相碰的處理方法;撐桿頂端焊接球節點形式的調整設計;通過支座加勁板調整每個柱頂標高誤差、設計變更高差的方法;上弦焊接球節點處檁托板的設計處理;桿件代換后必須進行的網架整體分析驗算。

            2.2 網架拼裝

            網架整體拼裝的難點是累積誤差的消除以及下弦球節點的空間定位;

            2.3 液壓提升

            網架提升前的技術準備工作有:網架提升吊點的選擇,提升支架、下吊點的設計,網架整體提升驗算,超應力桿件的加固等,每一個環節都技術要求都很高;網架整體翻轉提升過程控制則是本工程技術難度最大的工作,各吊點提升比例不精確、提升速度位移控制不當就會引起網架桿件變形、網架整體彎折的嚴重后果。

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            施工技術

            3.1 深化/優化設計

            本工程招標設計圖中的網架結構與下部鋼管混凝土柱的連接基本上都是只是示意,均沒有詳細的節點圖,網架支撐形式沒有具體確定,因為下部支撐結構是先于網架結構設計的,也就是說網架結構的設計與下部鋼管柱的設計基本上是完全脫離的兩部分。因此我們和設計院經過一系列的推敲、反復探討歷時三、四個月才最終把支座形式確定下來。

            我們采用上海交通大學結構工程研究所研制開發的設計軟件《管結構計算機輔助設計系統STCAD 2.0》對整個網架進行深化設計、管桁架節點設計及焊縫驗算,深化設計過程中約到了諸多問題,可以總結為一下幾點:

            3.1.1 焊接球規格統一、桿件相碰處理

            原設計中焊接球種類較多、規格偏大(最大為Φ800x30),我們為了最大限度的統一球徑,消除因焊接球過大而突出屋面板或吊頂板,本工程中所有的焊接球直徑統一調整為Φ500、Φ600,這樣個別內力較大的桿件因為球徑變小在焊接球面上相交時發生重疊(也就是鋼管之間相碰),如果按《鋼結構連接節點設計手冊》第二版的處理方法是采用增設支托板連接處理(如圖2)。這樣處理顯然非常麻煩,受力情況也比較復雜,因此我們參考相貫線原理,考慮管管直接相貫處理,以直徑較大的鋼管先與焊接球相貫焊接,然后較小直徑鋼管用相貫線切割機割出相貫口與直徑較大的鋼管以及焊接球焊接,這樣一方面保證小直徑的鋼管軸心通過焊接球球心,另一方面焊縫經軟件驗算也滿足了受力要求。

            3.1.2 撐桿頂端節點改為焊接球節點

            原設計撐桿頂端是與邊桁架下弦桿相貫焊接(圖3),這樣邊桁架下弦桿相貫處必須加強處理,在鋼管外部增加套管、內部增設加勁板,這樣給加工制作帶來了很大困難。另外由于部分撐桿端部變徑管比邊桁架下弦桿直徑還要大,無法相貫,設計又不同意讓邊桁架下弦貫于撐桿變徑管上,因此我們考慮此處全部采用焊接球節點處理,這樣既實現了相貫連接,通過軟件驗算也滿足了受力要求。

            3.1.3 上弦焊接球檁條托板設計

            原設計中因為網架上弦焊接球直徑過大無法安裝屋面檁條而采取了如圖4所示措施進行削球處理。

            這種處理方法的缺陷是一方面加工起來非常麻煩,另一方面由于焊接球的整體性破壞將對受力產生不利影響。我們最終采取了調整網架檁條托板連接形式來避免破壞主受力構件,如圖5:

            3.1.4 桿件代換后網架整體分析驗算

            由于部分規格鋼管需臨時調撥代用才能滿足生產需要,由于實際使用部分桿件規格與原設計存在差異,因此有必要對桿件代用后的結構進行補充驗算。驗算的其它計算條件包括但不限于計算三維模型、荷載、邊界條件、節點等均取自原設計模型。由于網架桿件壁厚均小幅增加,網架用鋼量最大增幅僅3.9%,對結構剛度的影響較小,在原設計條件下,除網架一有6根D60x4的桿件超出設計應力調整為D76x4外,其它部分網架桿件均滿足設計要求。由此可以得出如下結論:在屋面網架結構中是不能隨意進行桿件代換的, “以大帶小”的代換會引起剛度的變化,從而影響到桿件的受力,因此也要經過嚴格的分析驗算。

            3.2 網架拼裝

            3.2.1 拼裝累積誤差的消除:

            我們在網架拼裝前已經考慮到累積誤差的存在,因此網架均是從中間向四周發散拼裝,并且整個拼裝過程中一直用全站儀對各控制節點進行跟蹤監測,可是在網架拼裝完成后整個網架尺寸還是加長了,網架邊長越長誤差就越大,而網架構配件的尺寸均在誤差允許范圍內,桿件也沒有安裝錯,螺栓也都緊固到位,究竟什么原因引起網架整體尺寸加大呢?我們最后分析得出的結論是:如果網架桿件制作均是正公差(考慮+1mm),再加上桿件、套筒、螺栓球之間的微小間隙以及加工誤差(考慮+0.5mm),以網架一為例,B7軸底邊長180m,共43根桿件,44個螺栓球,累積誤差=43*1+44*0.5*2=87mm,由此可見累積起來的誤差是非常大的。所以網架桿件在制作時長度盡可能是負公差,螺栓球銑面切削量也盡可能是正公差,這樣就能徹底消除螺栓球網架拼裝過程中的累積間隙、長度誤差了。見圖6

            3.2.2 網架拼下弦球裝節點定位

            本工程網架拼裝時的狀態是以B4軸為中心旋轉后“趴下”的狀態,而不是設計狀態,因此網架在樓面上的拼裝定位控制點就不能依據施工圖中的坐標了,而必須在電腦里制作網架空間模型,模擬網架旋轉后“趴下”時的狀態,并記錄每個下弦支撐點的坐標以及標高,然后用全站儀在樓面上準確定位網架各下弦點的位置并注明高度,在定位控制點搭設可調節標高拼裝胎架。

            3.3 網架整體液壓提升技術

            本工程采用了“網架‘趴下’整體拼裝、液壓非同步翻轉提升、液壓整體同步提升”的施工方案。以面積最大的網架一為例如圖8所示網架提升過程:

            3.3.1 網架提升驗算

            3.3.1.1 網架提升吊點的選擇

            提升吊點的選擇原則是盡量使各吊點受力均衡,結構穩定。盡量選擇下弦節點為主吊點,另外選擇主吊點附近的上弦球為輔助吊點。

            3.3.1.2 網架整體提升驗算

            采用上海交大《管結構計算機輔助設計系統STCAD 2.0》軟件進行提升驗算。

            驗算模型,以網架一為例(圖8),網架最高點的大三角和兩個底邊的邊桁架均采用吊機吊裝:

            由于采用的是原位置提升方法,網架遇柱處的節點、桿件均需斷開,這樣就破壞了網架結構的整體性,因而導致模擬提升驗算過程中出現了50多根超應力桿件。經設計院同意后,把原設計桿件截面規格鎖定,只加大超應力桿件的截面,最后按設計狀態的荷載進行復核驗算,驗算結果沒有問題才能確定最終的施工圖。

            3.3.1.3 超應力桿件處理

            由于網架現場實際吊裝模型和預先的提升驗算模型有出入,主要是網架B1軸頂端增加了兩排網架、桁架構件,以及B7軸底邊兩角把所有螺栓球網架結構全部加入提升模型范圍,如圖9所示。重新對提升模型進行分析驗算,結果又出現了一部分超應力桿件(均為受壓超應力),可是網架已經根據最初的提升驗算模型開始加工制作了,已經無法改變網架截面尺寸了,只有現場采取措施進行加固,由于都是受壓桿件超應力,采用8#鐵絲把杉木棒或腳手架管捆綁于超應力桿件周圍的加固措施,杉木棒或腳手架管之間的間隙用木楔塞實,事實證明這種加固方法可行,見圖10。本工程也有部分桿件采用角鋼加固,理論上可行,可是網架提升后發現桿件仍然彎了,用角鋼加固方法不可取。

            在提升平臺上安裝液壓同步提升系統設備,安裝液壓提升專用鋼絞線,通過鋼絞線連接液壓提升器和提升下吊點結構(圖11),安裝專用地錨并預張緊鋼絞線。在節點球或者邊桁架上弦桿節點上設置下吊點,根據受力情況對設置吊點的節點球和桿件進行相應的加固,保證下吊點的穩定、牢固、可旋轉。使用液壓提升器配套專用提升吊具,吊具上端通過地錨將鋼鉸線緊固好,下端連接兩個卸扣(兩個卸扣可以保證吊點可任意轉動,減少水平彎矩),鋼絲繩與卸扣、吊點球纏繞形成環形,保證鋼絲繩受力均勻。下吊點的鋼絲繩長度、夾角需要控制,還要保證網架提升到位時鋼絞線至少有2m的自由長度。網架同一提升吊點設主吊點和輔助吊點,以便荷載廣泛區域傳遞。

            鋼絲繩末端夾接采用騎馬式繩夾,繩夾一順排列并旋緊,一般旋緊到鋼絲繩被壓扁1/3~1/4直徑時止,受力后再旋緊一次。網架一采用的各種規格鋼絲繩以及繩夾數量、間距見下表:

            鋼絲繩固定連接端裝置相應規格的套環,以保護鋼絲繩彎曲處呈一定的弧度,防止急劇彎曲扭折、折斷破裂。

            鋼絲繩受力前,在繩夾處涂紅油漆以便觀察繩夾滑移情況,當網架提升鋼絲繩受力后,繩夾的滑移總讓人感覺到不安全,因此重大結構吊裝時鋼絲繩還是采用編織法相對安全可靠。

            3.3.3 提升支架設計

            在鋼管砼立柱頂鋼管外側焊接鋼牛腿,在牛腿上安裝格構式臨時立柱(提升支架)。鋼牛腿及提升支架的設置均以不影響支座撐桿的安裝為原則,提升支架高度要保證網架提升到設計狀態時鋼絞線自由段長度為大于2m。提升支架采用型鋼格構式支架,設計成3m標準節以便能重復利用,支架頂部設置平臺小梁和提升梁,在提升大梁上搭設安全操作平臺,提升梁一端設置液壓提升設備,另一端設置配重平衡拉桿(雙拼角鋼),提升支架平面外設置穩定纜風,如圖。網架中心采用雙吊點提升平臺,部分鋼柱焊接牛腿單吊點提升平臺。提升支架及配重平衡拉桿根據吊點最大反力計算確定。

            3.3.4 提升系統配置

            液壓提升系統主要由液壓提升器、泵源系統、傳感檢測及計算機同步控制系統組成。

            TJJ-600型液壓提升器為穿芯式結構,中間分別可穿過7根鋼絞線,兩端有主動錨具,利用鍥形錨片的逆向運動自鎖性,卡緊鋼絞線向上提升。TJJ-600型液壓提升器額定設計提升重量64.4t。

            液壓同步提升承重系統主要由液壓提升器、提升地錨和專用 鋼絞線組成。

            本工程中,根據鋼網架模擬提升工況計算得出的提升反力數據,進行液壓提升系統設備的配置。

            在每個提升吊點處配置一臺TJJ-600型液壓提升器,共配置20臺(網架一);11臺(網架二~四)。

            每臺TJJ-600型液壓提升器配置7根鋼絞線,額定提升重量為64.4t。鋼絞線作為柔性承重索具,采用高強度低松弛預應力鋼絞線,抗拉強度為1860Mp,直徑為15.24毫米,破斷拉力為26.3t。

            鋼網架屋面單個提升吊點最大反力值為23.46噸(網架二,已考慮1.1的荷載分項系數),即TJJ-600型液壓提升器單臺最大承重23.46噸,荷載不均勻系數取1.2,則單根鋼絞線的平均工作荷載為:23.46×1.2/1/7=4.02噸。單根鋼絞線的荷載系數為:26.3/4.02=6.54。

            根據公司相關設計規范和以往工程經驗,液壓提升器工作中采用如上荷載系數是安全的。

            3.3.5 提升控制策略

            控制系統根據一定的控制策略和算法實現對鋼網架整體提升的姿態控制和荷載控制。在提升過程中,從保證結構吊裝安全角度來看,應保證各個吊點載荷控制;應保證提升結構的空中穩定,以便結構能正確就位,保證各個提升點保持一定程度的同步。

            網架翻轉提升設定每個行程100mm,網架整體同步提升每個行程為250mm。

            根據以上要求和工程特點,制定如下的控制策略(如圖12網架一區吊點、液壓提升系統設置示意圖):

            液壓泵站為TJD-30型變頻液壓泵源系統,泵站1控制4個提升吊點1、6、7、8;泵站2控制4個提升吊點2、3、4、5;泵站3控制6個提升吊點9、10、11、18、19、20;泵站4控制6個提升吊點12、13、14、15、16、17。

            在本工程中,提升速度約4~6米/小時。

            3.3.6 提升過程控制及監控措施

            3.3.6.1 為保證結構整體提升過程中穩定性,各液壓提升器的載荷受控,計算機通過控制,對提升過程進行調整控制;

            3.3.6.2 每個吊點處各設置一套位移同步傳感器。計算機控制系統根據這3套傳感器的位移檢測信號及其差值,構成“傳感器-計算機-泵源比例閥-液壓提升器-鋼網架結構”閉環系統,控制整個提升過程的行程同步性。

            3.3.6.3 對每個提升吊點的提升力進行壓力設定控制,使吊點以恒定的載荷力向上提升,從而避免超載而引起臨時構件和網架的破壞。

            3.3.6.4 用測量儀器測出各吊點的離地距離,計算出各吊點相對高差,并與理論值進行比較,通過控制提升設備調整各吊點高度使之接近理論值。

            3.3.6.5 網架結構在提升及下降過程中,因為空中姿態調整和支座就位等需要進行高度微調。在微調開始前,將計算機同步控制系統由自動模式切換成手動模式。根據需要,對整個鋼網架提升系統的11~20臺液壓提升器進行微動(上升或下降),或者對單臺液壓提升器進行微動調整。

            3.3.6.6 根據甲方提供的提升工況結構吊點允許承載力,在計算機同步控制系統中,對每臺液壓提升器的最大提升力進行設定。通過減壓閥控制,吊點力始終控制在允許范圍內,以防止出現提升點荷載分布嚴重不均,造成對結構件和提升設施的破壞

            3.3.6.7 通過液壓回路中設置的自鎖裝置以及機械自鎖系統,在提升器停止工作或遇到停電等情況時,提升器能夠長時間自動鎖緊鋼絞線,確保提升構件的安全。

            3.3.7 測量準備、提升位移監控表的編制

            3.3.7.1 吊點附近懸掛鋼卷尺(見圖13),吊點正下方的樓面上用角鋼制作標桿,準備監控網架提升行程;

            3.3.7.2 采用全站儀實測并紀錄每個吊點球(桿)頂部標高,并做好在提升過程中隨時監控提升支架垂直度的準備;

            3.3.7.3 紀錄標桿頂部標高、從網架吊點到標桿頂部的鋼卷尺讀數,并計算出吊點中心到鋼卷尺零刻度的長度(此長度為固定值)。

            3.3.7.4 吊點提升比例:是根據圖14中各吊點翻轉提升總距離的比值確定的,以B1軸提升5個100mm行程為基準,計算出B3、B5軸各吊點的比例,見表03:

            3.3.7.5 提升位移監控表:

            3.3.8 網架整體同步提升1m階段

            3.3.8.1 網架整體同步提升加載脫離拼裝胎架過程:

            (1)提升支架上穩定纜風繩初步預張緊,液壓同步提升系統設備調試、預加載;

            (2)首先鋼絞線預加載到各吊點受力的50%時停止加載,然后進行纜風加載,把纜風加載受力狀態80-85%時停止加載;(根據需要預張纜風的受力不同進行相應的纜風力的張拉,張拉過程用纜風測力計進行觀測)

            (3)再進行鋼網架提升加載,直至鋼網架提升離地,此過程中纜風不再進行加載;

            (4)利用液壓同步提升系統設備整體提升鋼網架結構,完全脫離拼裝胎架250mm(1個同步提升行程),全面觀測網架結構的變形以及重點部位受力情況;

            (5)觀測提升臨設結構系統及鋼管砼立柱的工作情況;

            (6)通過計算機監測各提升吊點的提升反力值分布,并與預先通過模擬計算得到的數值進行對比分析。

            (7)在確認整個提升工況絕對安全的前提下,網架再整體同步提升4個行程即750mm,也就是離開拼裝胎架1m(提升1m是為了保證網架在空中翻轉過程中B7軸最低點的旋轉空間)停止。

            3.3.8.2 網架整體脫離拼裝胎架時出現的問題:

            盡管液壓提升器同樣走完一個行程時,發現各吊點的提升位移并不一樣,我們仔細觀察了提升現場情況,并經過細致的分析,總結出以下幾個原因:

            (1)各下吊點鋼絲繩繩夾滑移量、鋼絲繩變形伸長量是不同的;

            (2)各下吊點預張緊程度也有差別;

            (3)通過網架設計模型得知各吊點處網架剛度大小又有所不同。

            綜合以上原因,我們得出這樣的結論,類似于網架這樣的結構提升剛脫離胎架時,是不能純粹通過液壓提升器的行程來判斷網架提升的位移,必須有輔助的位移檢測手段,懸掛鋼卷尺觀察網架位移或測量儀器直接觀測在此時顯得尤為重要:根據盤尺讀數或測量儀器觀測結果,對各吊點標高進行微調。

            3.3.9 提升翻轉過程控制(圖14)

            3.3.9.1 在網架提升脫離胎架1m后提升系統鎖定;

            3.3.9.2 提升系統從同步提升模式切換到翻轉非同步提升模式,翻轉提升每個行程100mm;

            3.3.9.3 B7軸6個提升吊點(15~20)不提升,對1~14號吊點進行提升控制,各吊點的提升行程按照一定的比例進行控制,直到達到預定的高度;

            3.3.9.4 網架翻轉、提升各吊點高度控制(圖15):

            以B1軸為基準, B1軸提升一個翻轉行程100mm,B3、B5軸各吊點根據表03中的提升比例進行同時非同步提升。如圖16所示

            3.3.9.5提升過程位移監控:

            由于100mm行程傳感器設備誤差有點大,部分誤差大于20mm,如果提升5個行程誤差就可能超過100mm了,因此現場提升位移監控幾乎全部依賴懸掛盤尺測量。

            當B1軸走完一個翻轉行程100mm時,現場提升監控人員向指揮控制中心報告B3、B5軸各吊點盤尺讀數,計算出各吊點位移,然后和按比例計算的位移相比較,如果發現某個吊點位移相差過大,立即鎖定其他各吊點的提升,對其進行點動微調;如果偏差小于10mm,可翻轉提升5個行程(500mm)再進行標高修正(否則提升速度會很慢),就這樣直至設計姿態標高。

            3.3.10 網架同步提升控制

            3.3.10.1 網架提升到設計姿態后各吊點鎖定。

            3.3.10.2 測量人員用測量儀器測量每個吊點的標高,和設計姿態的模型理論標高相比較,有偏差的吊點全部進行微調。

            3.3.10.3 提升系統從翻轉非同步提升模式切換到同步提升模式,同步提升每個行程250mm;

            3.3.10.4 B1、B3、B5、B7軸所有吊點整體同步提升,每提升4個行程(1m)后,現場提升監控人員向指揮控制中心報告各吊點盤尺讀數,如有偏差隨即進行調整,直至提升到位。

            3.3.11 網架卸載控制

            整體同步提升到設計標高(撐桿區域的吊點提升超出設計標高50mm左右以便于撐桿安裝),接著進行桿件補裝、支座焊接,最后進行分級卸載就位。

            網架卸載實際就是荷載轉移的過程,網架結構發生較大的內力重分布,在荷載轉移過程中,必須遵循“安全穩妥,均衡卸載,控制變形”的原則,否則有可能造成臨時支撐超載失穩,或者網架結構局部甚至整體受損。施工階段的受力狀態與結構最終受力狀態完全不一致,必須制定切實可行的技術措施,確保滿足多種工況要求。

            以卸載前的吊點載荷為基準,所有吊點同時下降卸載10%,等待10分鐘,以確保結構各桿件之間內力的調整與重分布。在此過程中可能會出現不正常的載荷轉移現象,即卸載速度較快的點將載荷轉移到卸載速度較慢的點上,以至個別點超載甚至可能會造成局部構件失穩。計算機控制系統監控并阻止上述情況的發生,調整各吊點卸載速度,使快的減慢,慢的加快,寧慢勿快。萬一某些吊點載荷超過卸載前載荷的+10%,則立即停止其它點卸載,而單獨卸載這些點。如此往復,直至鋼絞線徹底放松,鋼網架結構自重載荷完全轉移到鋼管砼立柱頂的支座上,并由支座傳遞到鋼管柱及基礎。

            3.3.12 液壓提升主要設備表

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            總結

            針對以上的技術要點,總結出以下幾點實施經驗:

            當節點比較復雜的情況下考慮采用焊接球節點處理,傳力明確、構造簡單;

            邊長較大的螺栓球網架拼裝完成后,長度均有可能超出規范要求,需要在網架加工制作階段控制構配件的尺寸;

            網架整體采取“趴下”姿態拼裝,好處是減少了腳手架的搭設工作量,也相對為其他專業的施工贏得了時間,同時節省了直運輸的費用,減輕了二層樓面的負擔,從安全角度考慮減少了大量的高空作業。對“趴下”姿態的網架進行非同步翻轉提升到設計姿態,此項技術的實現,開創了液壓提升技術的先河,對于類似工程的施工有很高的參考價值,是值得推廣應用的,當然了在行程傳感器的精度方面還需要進一步改進。


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