大型屋盖桁架整体提升施工技术

宋作良

（中铁建设集团有限公司基础设施事业部，北京 100040）

0 引言

随着我国高铁事业的蓬勃发展，由于桁架结构外形丰富、结构轻巧、制作安装方便、经济性好，大跨度钢桁架结构逐渐成为大型公用建筑的主要受力结构和新型屋面系统的主体结构，并在工程建设中得到广泛应用［1］。京哈高铁北京朝阳站的钢结构屋盖桁架具有典型的古典京城宫殿建筑形式，采用组合式桁架结构体系，并且沿中轴线对称分布，中间高耸两边上翘，东西两侧屋盖组合桁架上部为一平面，组合桁架内部包含纵横向单片鱼腹式管桁架，两边为变截面焊接箱形钢梁，其屋脊标高45.1 m、屋盖檐口标高36.6 m，并且横向跨度达180 m、纵向跨度达270 m。施工要求实现钢结构屋盖桁架的整体提升，因此，在数字模拟分析的基础上，制定了屋盖桁架整体提升实施方案，解决了大跨度、大面积空间桁架钢结构的安装难度大、施工进度慢的问题。既保证了大跨度桁架的安装精度，又节约了大量的人力及设备投入，取得降本增效的效果［2］。

1 数值模拟分析

钢结构体系随着工程进度而变化时，结构构件的内力会处于动态调整阶段，其最大变形和应力有可能发生在施工阶段，因此为了预测施工阶段的变形和应力的变化，进行施工阶段分析是十分必要的，采用有限元分析软件Midas Gen 对钢结构的施工全过程进行模拟分析［3］。

1.1 施工方案

钢结构施工根据结构特点、土建施工顺序，将钢桁架屋盖施工进行分区（见图1），按照一区、二区、三区、四区4个阶段的顺序施工。屋盖桁架采用原位高空吊装的方法，不仅桁架吊装难度大，现场无法满足施工条件，而且施工进度缓慢、高空的防护难度大。因此除三区因夹层较多，采取先土建夹层施工，后钢结构滑移施工，一、二、四区采用分步整体提升的方法，结合多种施工方案的分析和研究，最终确定将屋脊处桁架单独进行地面拼装，然后先提升至屋盖桁架整体地面拼装的设计标高与两侧的桁架相连，再进行整体提升到位的施工方法［4-5］。

图1 钢桁架屋盖施工分区

1.2 楼板承载力及裂缝验算

屋面桁架小拼单元最大质量为10 t，通过汽车吊起重参数对比选择，选用50 t汽车吊完全能满足现场桁架的吊装需求。由于汽车吊要行驶在9.8 m 高架层楼板上，因此需进行楼板承载力及裂缝验算。50 t汽车吊的车身质量为42 t，高架层梁板混凝土等级为C40、板厚为150 mm、配筋为双层双向φ12@150 的HRB400 钢筋。利用Midas Gen 软件针对9.8 m楼板计算，50 t汽车吊行驶时，在基本组合下，楼板的最大弯矩为每延米28.1 kN·m（见图2）；在标准组合下，楼板的最大弯矩为每延米20.5 kN·m（见图3）。通过计算结果可知，50 t汽车吊在高架层板上行驶时，楼板抗弯强度和裂缝等指标满足规范及设计要求，不需要进行加固。50 t汽车吊可以在楼板行驶，起吊时汽车吊通过支腿支座支设在混凝土梁上，实现桁架单元的吊装，这样可以加快施工进度。

图2 基本组合下楼板的最大弯矩

1.3 桁架施工变形验算

桁架杆件按照结构图进行整体建模，提升支架与桁架之间采用拉索模拟钢绞线连接，用温度调整拉索长度。提升计算中，同步提升与不同步提升影响杆件应力比均控制在0.85 以下，对同一提升点进行位移和反力不同步影响计算，考虑提升过程中风荷载等水平荷载，保证每个提升支架能够承受的水平力相当于其提升力5%［6］。根据屋盖桁架的分布形式，北京朝阳站利用原有支撑结构与提升架格构柱相结合作为屋盖桁架的提升点，并且保证布设的提升点满足桁架变形和应力在相关规范可控范围内。

工程利用既有工程圆管柱和42 个格构式提升架作为提升点，其中提升点最大反力为1 360 kN，桁架最大变形为77 mm（见图4），提升支架最大变形为26 mm（见图5），桁架杆件的最大应力比为0.669，提升支架最大应力比为0.67，综上所述，该工况下桁架和提升架的结构强度和刚度均满足要求［7］。

2 屋盖桁架整体提升实施

图4 桁架变形图

屋盖桁架采用分步进行提升，中央屋脊桁架吊装前用工字钢拼装胎架以支撑中央屋脊桁架，按照施工设计轴线位置布置胎架，在安装施工过程中通过经纬仪、全站仪控制桁架的安装精度和施工安全。中央屋脊桁架焊接完成后，通过液压油缸提升技术直接提升至整体地面拼装时的标高，与两侧桁架相连接后屋盖桁架整体提升至设计标高［8］。

2.1 胎架放线及制作安装

在9.8 m 高架层板，根据施工设计深化图纸将所需的轴线进行测量放线，先将主要的数字轴和字母轴的位置确定，且每个轴线的交叉点做出红点标记，再根据轴线将每个胎架的位置进行测量放线，放线工作完成后需进行现场拼装质量检验，确保轴线和胎架的位置准确无误。

总拼胎架由地梁、立管、模板、角钢等拼装焊接而成（见图6），胎架均采用16#工字钢，立管之间用L75×5角钢做斜撑加固，作为操作平台的角钢跨度不得大于3 m，大于3 m 则需立管加密，操作平台上铺钢跳板，地梁的规格为HN400×200×8×13工字钢，按照图纸设计尺寸进行拼装焊接而成。

2.2 桁架拼装及吊装

图6 桁架吊装的总拼胎架示意图

屋盖桁架根据现场实际情况，采用桁架分段拼装的施工方法（见图7）。首先，将每个单元的桁架按照轴线主桁架方向进行分割处理，在地面进行拼装，然后吊装至胎架预设的位置，其中在地面进行分段拼装需要先进行平台划线（在空地上根据桁架尺寸将其管件的中心线标记出来）；然后，在线位布置完成后按照中心线位置搭设拼装的胎架，桁架的弦杆放置在胎架上进行定位、腹杆定位拼装；最后桁架整体检测验收，验收合格后进行焊接、探伤，合格以后可以进行吊装。

图7 桁架分段拼装

屋脊桁架分段拼装完成后进行总拼吊装。桁架单片按照图纸A-A、B-B、C-C 等位置分别采用50 t 汽车吊进行吊装（见图8）。桁架单片吊装完成后，将中间连接的腹杆按顺序进行吊装、焊接。桁架的焊缝焊接完成后，需进行超声波探伤检测，检测合格后进行提升。

图8 桁架单片吊装

2.3 桁架提升设备选取及安装

工程采用的计算机控制液压同步提升系统由钢绞线及提升油缸集群（承重部件）、液压泵站（驱动部件）、传感检测及计算机控制（控制部件）和远程监视系统等部分组成。工程钢绞线采用高强度低松弛预应力钢绞线，公称直径为15.5 mm，抗拉强度为1 860 MPa，破断拉力为260.7 kN，伸长率在1%时的最小载荷221.5 kN，每米质量为1.1 kg。工程选用100 t 和200 t 规格的提升架及TX-80-P 型液压泵站，每6 个相邻提升点配置1台液压泵站。

提升架吊装前预先将转换梁根据图纸设计安装焊接在预埋件上，提升架组装完成后用25 t汽车吊分次进行吊装拼接至设计标高，然后安装转换钢平台、提升梁、液压提升器，并进行焊接固定。在桁架吊装前将提升系统的转换梁、提升架进行吊装，以方便在桁架吊装时某些箱梁穿过提升架，这样可以避免桁架完成后影响提升架的吊装（见图9）。

2.4 桁架整体提升

桁架提升前的检查包括提升设备检查（提升油缸、液压泵站、计算机控制系统检查）、提升支撑结构检查。按照计算好的每个提升点的受力，分别将对应的油缸及钢绞线安装到位，下部的提升节点焊接必须探伤检测合格，支撑油缸的提升架必须经过监理、总包、分包单位的联合检查，确保支撑没有问题。

图9 桁架提升系统安装

提升系统调试包括液压泵站调试、提升油缸调试、计算机控制系统调试，任何情况下，油缸锚具必须在紧锚状态，提升过程中下锚松动作永远不给，只有在需要下放时才打开下锚。在正式提升之前，进行试提升前的准备与检查、试提升加载，按比例进行20%、40%、60%、70%、80%、90%、95%、100%分级加载直至结构全部离地高度约30 cm，空中停滞一定时间（至少1 d），结构确认无误后方可进行正式提升。

屋盖桁架通过对整体提升过程各种工况分析，对结构变形、应力状态进行分析，通过加设临时支撑、临时改变永久结构受力体系保证提升过程中稳定性和安全，通过调节系统压力和流量控制起动加速度和制动加速度保证液压提升稳定性，并且液压提升器自身独有的机械和液压自锁装置，可以保证屋盖桁架单元的稳定提升。桁架提升工艺流程见图10，桁架整体提升施工见图11。

图10 桁架提升工艺流程

图11 桁架整体提升侧视图

3 实施方案技术优势

（1）通过Midas Gen 软件对钢结构施工区域的楼板进行模拟分析计算，确保在承载力满足要求、楼板混凝土不开裂的条件下使用起吊设备，既保证了楼板结构安全，又满足了钢结构的吊装施工，加快了施工进度。

（2）通过Midas Gen 软件模拟分析提升过程中桁架及提升架变形、刚度及强度满足要求，保证了提升过程中桁架及提升架的安全性。

（3）通过局部地面拼装与分步整体提升工艺的相结合，最终完成桁架整体提升，解决了大跨度空间桁架在不同标高下的支撑问题，简化地面拼装工序，降低施工成本，提高施工工效。

（4）提升支架和提升梁、下吊具和提升用临时措施可反复利用，加之液压同步提升动荷载极小的优点，使得临时设施用量降至最小，有利于施工成本控制。

4 结束语

京哈高铁北京朝阳站站房工程大型屋盖桁架整体提升技术方案，提升点布置合理，方案安全经济，有效解决了大跨度、大面积空间桁架钢结构的安装难度大、施工进度慢的问题，既缩短了工期，又节省了施工成本，同时又保证了工程质量，可为同类施工提供参考。