异型复杂钢屋盖整体提升空中平移安装技术

常付杰

(中铁建设集团有限公司 北京 100040)

1 前言

随着科学技术的进步，基础设施建设飞速发展，传统的建筑形式、建造技术难以满足人们对于大跨度、大空间、建筑美学等方面的需求，为此大跨度的公共建筑中异形复杂钢屋盖越来越多[1]，以此来满足大跨度公共建筑本身对结构造型的需求。异形钢屋盖大多采取网格结构，造型复杂、异形构件制作难度大、安装时空中定位难度大、焊接量大、工期长、施工成本难以控制[2-9]，为高效解决这些难题，在每个异形复杂钢屋盖施工中，施工单位都采取各种措施加快进度、降低成本，本文介绍一种简单、高效、低成本、保质量的施工方法与大家共同探讨。

2 工程概况

贵州铜仁凤凰机场改扩建新航站楼平面投影尺寸为158 m×50 m，结构顶标高为18.6 m，主要网格形式采用正放四角锥异形网架结构体系，网架结构高度1.4 m，最大跨度38 m[10]。 航站楼屋盖设带状采光顶和悬挑透光雨棚，于采光顶及悬挑雨棚处设置两向斜交斜放网架，雨棚结构最大悬挑12 m，悬挑根部结构高度1.4 m，边缘结构高度0.7 m。 航站楼南侧带有局部夹层，夹层采用组合楼板，下部设钢柱支撑。 钢结构网架部分支承在夹层柱顶，部分直接落地。 网壳杆件均为圆管，夹层构件采用焊接箱型和H 型钢截面。 用于钢结构各部分的节点有焊接球、相贯节点、销轴节点、夹层钢结构梁柱节点和梁梁节点、埋入式刚接柱脚节点等。 支座节点根据受力情况，采用固定铰支座、滑动铰支座。 贵州铜仁凤凰机场是铜仁市重点工程，航站区改扩建完成后，旅客吞吐能力将提升到每年100 万人次、货邮吞吐能力将提升到每年2 500 t、飞机起降能力将提升到每年12 158 架次，很大程度上加快了铜仁凤凰机场由支线机场向区域性国际机场转变的步伐。

3 钢屋盖制作及提升

总体施工思路：为了减少高空作业量，目前成熟的做法是将钢屋盖在其投影下方的楼面或地面分块拼装，然后整体提升到设计标高，最后进行高空合拢的施工方法。 但是本工程钢网架是下弦支撑，钢柱多，如果采取这种施工方法，地面拼装时网架支座附近的杆件都要抽空，提升到位后高空塞杆量太大，不利于保证工期和质量。 经过多次分析研究确定钢屋盖在地面或楼面上错开钢柱拼装，这样支座球和杆件都可以在地面拼装，提升到设计高度后再平移到柱顶位置。

3.1 拼装阶段

3.1.1 拼装位置

(1)确定提升支架、网架、轴线对应关系。

(2)网架地面拼装胎具。

①拼装场地要求：由于拼装胎架坐落在级配回填土上，故应保证回填质量，且雨季应保证排水通畅；②拼装平台材料：砌块、钢管102 ×6 mm，钢管规格可根据现场材料进行调整。 拼装现场见图1。

图1 屋盖地面拼装

3.1.2 拼装顺序

考虑到地面标高不同，为方便拼装施工，因此由中间14 轴为界限向两侧进行拼装，网架划分为2 个单元块，分块进行拼装。

网架拼装方法：第1 步，首先在地面平台上摆放1 ～14 轴下弦球、下弦杆。 第2 步，拼装成正锥形，第3 步，安装上弦杆。 第4 步，向四周扩展；同理，其余部位均可重复以上操作过程。

3.1.3 拼装机械

汽车吊(主要用于上料等垂直运输)。

3.2 提升阶段

提升范围：网架屋盖。 提升重量：约530 t。 支承结构：12 ＋15 根支承柱(4 肢格构柱)，共计27 个提升点；第一次提升区域1 ～14 轴，重量约215 t，钢件数量6 953 件。 第二次提升区域14 ～27 轴，重量约312 t，钢件数量10 172 件。 提升高度约11 m。

3.3 提升支架布置

对焊接好的网架进行验收并合格后，通过已确定位置来布置相应数量的格构式井字架提升支架。每组提升支架上设置提升电动葫芦4 只，每只葫芦的起重能力为10 t。 葫芦和网架之间采用钢丝绳进行连接，其中一端的钢丝绳需与网架的下弦球节点进行连接，且需用卡环进行锁紧，同时另一端则要与葫芦的吊钩上进行固定。 为保证吊装的准确性，吊装前均需在每个网架提升架的位置悬挂卷尺，同时需检查每一点提升的速度，以此保证网架整体提升的一致性。 为保证提升支架承重后的稳定性，在网架的四角八字形设置手动葫芦，手动葫芦一端固定于钢柱底部，一端固定于网架下弦，以此来控制在提升过程中，网架因轻微摆动而产生的误差。

3.3.1 试提升

首先将所有倒链绷紧。 通过调整吊点确保每一根钢丝绳作用上的点在球节点上，且保持不滑动。 通过统一指挥，开始进行提升操作，同时开始每个提升点倒链的拉动，使得网架缓慢脱离地面，在离开地面100 mm 后，停止提升。

在提升过程中时刻需关注支架的地面沉降量，当沉降量过大时，须及时暂停网架的提升，通过进行支架的基础处理，或者可以通过加大支架底部的钢板面积来进行处理。 同时需静置2 h 后，通过二次检查，如果仍未出现异常现象则可继续进行提升。

3.3.2 正式提升

通过统一指挥下达指令进行网架的提升，同时开始倒链的拉动工作，从而让网架缓缓提升(见图2)。

图2 屋盖提升

为了避免提升高度出现偏差，通过在支架设置等高线进行精度的保证，等高线每隔500 mm 设一道，同时保证每个点的高度不得超过100 mm，在等高线标识的位置进行找平。 找平时由每个支架的组长负责向总指挥报告找平情况。

提升过程中，检查人员要随时观察支架的根部有无翘起的情况，一旦出现需及时报送责任人并进行整改。 网架提升过程中，应配合调整四周锚固揽风绳的长度。 提升范围：网架屋盖、采光顶、雨棚等。 提升重量：约530 t。 支承结构：二区重量约215 t 设12 个提升支架；一区重量约312 t 设15 个提升支架。

3.4 提升支架形式

提升支架和横梁：此项目中拔杆使用φ159 ×6圆管及∠50 ×5 角钢搭设而成，拔杆顶部标高20 m，平面尺寸为1.8 m×1.8 m。 拔杆顶部使用φ180 ×10 圆管制作十字横梁，端点悬挂手拉葫芦。 顶部支撑悬挑出支架500 mm，距端点200 mm 处为葫芦挂点。

提升架的架设与网壳拼装穿插同步进行，提升前完成提升系统的安装、调试和验收等工作，提升架的设置位置应避开杆件位置，同时应尽量落在梁上，减少对结构的加固工作量。 提升架底部自由坐落于地基上。

在滑移前检查是否所有支点都超过了格构柱顶。 增加锚固点在柱顶的水平倒链。

3.4.1 滑移就位

主提升倒链的拉紧操作和松动操作同时进行，使得网架慢慢移动。 第一阶段放松近绳倒链，两侧倒链随着网架的运动进行调整，使得网架将初始偏移变为0，然后继续放松原近绳倒链直到其失效，使得网架继续运动，当倒链1 失效时，网架由3个倒链形成平衡状态，这时的偏移距离已经很接近于就位位置。 第二阶段施加额外的水平力将网架拽到位。

水平倒链起到辅助作用，不得生拉硬拽。 网架周边的辅助拖拉绳，会随这网架的移动而进行适当的调整，以此避免整个系统在提升过程中失稳。 同时网架在滑移过程中，须时刻观察支架根部有无翘起的情况，一旦发现须立即整改。

网架滑移就位后，及时降落到柱顶，并采用水平倒链对支座在柱顶的位置进行调整，以确保支座的位移符合规范设计要求。

同时当支座调整好后，便调松动相关倒链，使得网架的承重在柱顶，此时需使倒链保持绷紧状态。

3.4.2 网架与原有结构连接

网架就位后开始安装在地面抽空的杆件。 螺栓球杆件的安装应注意杆件是否拧紧，不得有假连接现象。 焊接球杆件的安装应适当增加杆件的缝隙，但不得随意切割杆件。

3.4.3 卸载及提升支架的拆除

当所有杆件补充完毕后，按照一定顺序逐点松动倒链，使得倒链处于非工作状态。 卸载应按照由两边向中间的顺序进行；分阶段逐步卸荷并对网架进行挠度观测。 拆除设备和支架，在支架的拆除过程中，不得使用网架杆件作为吊点。

网架整体到位后，首先安装网架后补杆件，焊接完成后，提升系统卸载，拆除加固杆件、提升设备、平台等。 网架最终就位位置为下弦杆件(支座)，坐落于柱顶。

(1)提升原理简介(见图3)

图3 提升原理

提升过程：在上升过程中F1 和F2 在变大，F1a的垂直分力是在变大，F2a 的垂直分力在减小；可以通过调节两侧受力的大小，维持网架的平衡和产生一定方向的位移；每个支架4 个倒链能够提供最大提升力20 t，实际使用控制在15 t。

(2)滑移过程(见图4)

图4 网架滑移示意

减小F1，网架向F1 方向位移，F4 增大；当F1 ＝0时，F4 ＜10 t。

在施加水平力F0 后F1 和F2、F3 增加，F4 减小，网架就位。

(3)提升系统的稳定

无额外水平力时，支架稳定，当有额外水平力时应控制其大小不超过1 t。 支架的4 个支点的反力出现1 个以上拉力时，支架倾覆。

网架滑移就位时，支架的稳定性处于最不利状态，而网架已经处于格构柱顶部，已经处于安全状态。

3.5 屋盖高空平移

当提升至距离柱顶约10 mm 时暂停，观测支座对柱中心线偏移，对存在的偏差进行调整，调整以后缓慢提升，到达柱顶标高以后用人工和葫芦进行水平移动。

4 施工过程模拟验算

4.1 分析目的

由于屋盖提升施工过程复杂，施工过程的安全性及结构自身的安全性至关重要[11-12]，故对屋盖提升施工过程进行计算机仿真分析。 非线性施工过程模拟采用大型通用有限元软件MIDAS GEN 8.2.1。 计算钢屋盖在整体提升过程中杆件强度、刚度、整体稳定是否满足相应的规范要求。

4.2 模型设置

分析模型：钢屋盖整体模型。

边界约束：提升点处设置竖向约束。

4.3 提升过程静力分析

静止状态下，支点之间为四跨连续简支梁，受力比较均匀，利用midas civil 进行结构有限元分析，杆件(单元)按照空间无侧移框架进行分析，此时单元应力最大应力123 MPa ＜310 MPa，受力满足要求。

4.4 提升过程动态及变形分析

提升时由于提升设备提升力一致，中间一排支架边界约束放开，改用61 kN(各提升点受力均匀取其平均值)的拉力替代拉索对提升过程进行动态模拟，同样采用无侧移空间结构计算模型。 网架变形均小于设计允许变形值。

5 结束语

总之，通过地面错位拼装，提升到设计标高以后平移到柱顶的施工方法，和常用的投影下方拼装再整体提升到设计标高的施工方法相比，大大减少了高空塞杆的数量，提高了功效、保证了安装精度、降低了成本，具有显著的经济效益，值得在今后类似工程中推广。