南京南站大跨度屋蓋網架高空滑移施工技術

郭玉坤

(上海鐵路局建設管理處,上海 200070)

南京南站是京滬高速鐵路五大客運樞紐站之一,站房采用“建橋合一”的設計理念,具有“綠色節能”、“零換乘”等特點。客站總建筑面積38.7萬m2,其中主站房建筑面積28.1萬m2。站房屋蓋結構為兩向正交正放網架結構,造型為周邊低中間高。網架南北向長度為456 m,東西向最大寬度為216 m,網架結構面積約9.4萬m2。屋蓋網架結構最低點高度為41.2 m,四周懸挑于柱外,最大懸挑距離達30 m,鋼構件總數量2.4萬件,總質量約0.8萬t。

1 方案比選

通過鋼網架各種施工方法的綜合對比分析(表1),在安裝體量巨大、工期要求緊張、交叉作業頻繁、施工場地受限較多的現場條件下,高空滑移法安裝方案最切合實際,成為本工程屋蓋網架安裝的選定方案。

2 安裝思路

按照盡量避免相互交叉作業、或交叉作業互相影響較小,減少網架結構二次作業的原則,確定網架安裝總體思路：確定屋蓋單元劃分→搭設兩端高空拼裝平臺和滑移軌道→吊運網架桿件材料→按單元拼裝網架→分單元滑移就位→兩端單元散裝。

兼顧結構受力合理、工作量均衡、便于組織拼裝和滑移等方面因素,屋蓋網架劃分為11個單元(圖1),中間9榀為滑移單元,南北兩端為拼裝平臺及高空滑移軌道支撐相結合的作業平臺(滑移階段作為高空拼裝焊接平臺,滑移結束后作為高空散裝平臺)。因網架單元跨度較大,經核算,在滑移區域設置4條高空滑移軌道,對應于1、3、6、8軸線位置,間距為42、72、42 m。

滑移安裝總體順序為：S1→S2(N1)→S3(N2)→S4(N3)→S5(N4)→S6(N5),為盡早提供下部空間施工工作面,經現場優化方案,滑移單元由一端向另一端漸次滑移安裝方法,順序為S5→S4→S3→S2→S1→N1→N2→N3→N4→N5,現場滑移施工見圖2。

表1 鋼網架施工方法綜合比較分析

圖1 滑移單元和散裝區域劃分

圖2 屋蓋網架滑移施工

滑移步驟如下：

第1步：在拼裝胎架上組裝第1個滑移單元,在每條軌道的網架支座處安裝液壓爬行機器人,調試正常后啟動泵源系統；

第2步：滑移單元滑移至設計位置,就位后進行支點轉換,準備卸載工作；

第3步：使用倒鏈分別將4條軌道上的爬行機器人牽引回退至網架拼接平臺；

第4步：使用相同的工序,完成其他滑移單元安裝,網架單元滑移見圖3；

第5步：滑移設施(軌道、爬行機器人等)拆除。

圖3 網架單元滑移

3 滑移設施

網架高空滑移設施安裝是滑移施工的前提條件,滑移設施主要包括支撐、鋼梁、軌道、滑靴、高空拼裝平臺。網架滑移施工中產生的荷載通過軌道傳遞至鋼梁、支撐,最后傳遞至位于支撐架下方的桁架層結構上,滑移設施連接布置如圖4所示。

圖4 滑移設施連接示意

支撐架布置在4條滑移軌道下方,間距約5 m,相鄰支撐架之間布置2層水平支撐以及聯系斜拉桿。支撐架與水平支撐、拉桿組成了一個穩定的結構,共同承擔網架滑移施工中產生的豎向荷載、沿軌道方向荷載及垂直軌道橫向荷載。滑移鋼梁鋪設于支撐架上,用于固定和支撐滑移軌道,并傳遞滑移應力至支撐結構。滑移軌道鋪設于滑移鋼梁上方,在整個水平滑移中起承重導向和徑向限制網架水平位移的作用,采用軌道壓板壓緊并焊接固定。軌道間隙采用焊接連接,焊縫打磨光滑。選用了分片滑靴板組合滑移方式,滑靴板組利用網架支座底板進行定位,安裝在軌道上進行滑移,在軌道兩側滑移底板上設置側向擋板,限制網架結構水平位移,擋板與軌道兩側留有一定的側向間隙,摩擦結合面設置低摩擦系數的高強度四氟乙烯滑片。

4 滑移設備

爬行機器人作為網架滑移單元的推進裝置,與傳統的卷揚機鋼絲繩牽引或千斤頂推進不同,數字液壓同步爬行機器人滑移過程中的推進力及推進速度完全可測和可控(位移精度0.01 mm,500 kN的出力時穩態誤差小于0.2%)。根據摩擦力及推進力計算結果,本工程選用的是新研制的CSCEC-1000型數字液壓同步爬行機器人(圖5),該爬行機器人體積小、自重輕、承載能力大,自動化程度高,操作方便靈活,安全可靠性好,就位準確性高,在狹小空間大體量構件的滑移安裝中具有突出的優勢。

圖5 數字液壓同步爬行機器人

爬行機器人一端為夾緊裝置,以楔形夾塊與滑移軌道連接,作為反力支撐點,另一端以鉸接形式與網架頂推球節點連接,中間利用液壓油缸的伸、縮缸來推進或牽引構件水平滑移,滑移過程如圖6所示：鎖緊器鎖緊→數字液壓缸推出→判斷是否達到給定位移,鎖緊器松開→數字液壓缸回縮,判定是否回縮至給定位移。滑移推進從形態上可分為4個步驟,形成一個完整的循環,如圖7所示。

圖6 滑移過程示意

圖7 爬行機器人推進步驟

5 技術特點

(1)采用了ANSYS和MIDAS GEN有限元計算分析軟件對網架滑移施工工況進行仿真對比分析。仿真分析是技術、安全、質量前饋控制的重要手段,是滑移施工的前提工作,為實際網架滑移施工提供了理論指導。主要包括：屋蓋網架滑移單元支座選擇分析、滑移啟動前最不利工況分析、屋蓋網架滑移施工支撐系統計算、候車層桁架在移動吊車荷載作用下的計算、高空拼裝平臺設計分析計算、屋蓋網架安裝及拆撐過程模擬、頂推點球節點承載力驗算、屋蓋網架分塊拼裝后脫架頂升計算和屋蓋網架脫架過程釋放滑移支座處側向力計算。

(2)采用了總線分布式控制技術。總線分布式控制技術的應用實現了現場各組爬行機器人系統的互聯互通和智能協調工作,為實現爬行機器人的同步推進提供了網絡技術保障。由于屋蓋網架結構尺寸很大,滑移軌道相距較遠,為避免爬行機器人在推拉過程中造成網架局部受力過于集中和過大變形,采用了總線分布式自動化控制技術。在4條滑移軌道上多點布設爬行機器人(圖8),各個數字液壓缸的控制系統放置在本地,稱為子控制器,通過網線將主控制器(控制計算機處)與各個點的子控制器串聯連接,命令信號通過網絡總線發送,同時將各個數字液壓缸的當前狀態實時反饋到控制計算機上。

圖8 爬行機器人布置

(3)采用了數字液壓缸力閉環和位移閉環雙重控制技術。爬行機器人數字液壓缸的控制模式可以是力閉環控制也可以是位移閉環控制,位移閉環控制可以確保液壓缸的同步性,在位移閉環控制下同時采用數字液壓缸的力傳感器進行監控,監測各個滑移位置的出力,設定相應的力保護限制,如果出現推力異常或超限則系統自動停機,計算機系統可以調整位移、力等參數,可以實現對每個數字液壓缸的單獨控制。力閉環和位移閉環雙重控制技術的使用,即保障了施工安全,又使各個滑移位置嚴格保持了同步。

(4)采用計算機系統自動報警技術。計算機系統中通過數據接口,可以接入屋蓋上安裝的各個傳感器信號,滑移過程中各監測點的位移、應力等參數可以在計算機上實時顯示,自動記錄并保存到文件中,當屋蓋結構的狀態出現危險狀況時,系統會自動報警并停止滑移工作。自動報警技術的使用,對保障施工安全起到了重要要用。

(5)采用了監控量測手段。屋蓋網架的滑移、拼接、支座就位等環節會發生網架桿件內力重分布,屋蓋網架及支撐體系過于復雜,有限元軟件模擬計算具有一定的簡化性,計算考慮的溫度同實際溫度之間也存在差異,這些差異會影響到網架各單元安裝精度,而且還直接影響到結構安全。因此,對整個施工過程中關鍵部位桿件應力和變形、屋蓋網架的實際溫度場、滑移瞬間的加速度、滑移軌道鋼梁的側向變形進行實時監測,以便及時發現問題并采取糾偏措施。測量工作主要包括：支撐系統測量控制、拼裝測量控制、滑移變形測量、就位與卸載測量控制、網架合龍測量控制、撓度變形測量與定期復測,網架滑移變形測量、合龍測量與撓度變形測量是本工程測量工作的重點。

網架測量的難點主要為：平面控制網與高程控制網設置在施工區域四周,土方開挖、地基沉降會使控制點產生位移,嚴重影響一級控制網精度；站房多專業交叉施工,測量精度要求各不相同,易在不同工種的交界面中積累誤差；網架安裝高度高、跨度大,測量精度控制難度較大。施工過程中,按照分級布網、逐級控制的原則,實行全過程跟蹤監測,使網架測量定位與變形監測取得了成功。以撓度測量為例,網架拼裝完成撓度設計值與實測值數據如表2所示，網架拼裝完成時撓度設計值范圍為2～80 mm,實測撓度值范圍為3～89 mm,所測量數據均沒有超過設計值的1.15倍,符合規范及設計要求。

6 注意事項

(1)注意做好滑移機器人調試和檢測工作。數字液壓滑移系統由多套傳感器、鎖緊器、控制器組成,數字液壓滑移系統加工完成后,需在車間模擬現場進行調試和檢測,檢測最大位移、最大力、控制軟件各項功能、控制精度、同步性等各項指標,達到設計要求后再運往施工現場進一步安裝調試。

(2)滑移施工前注意做好各項檢查工作。泵站與爬行機器人間油管連接、控制線及傳感器等的連接、泵站閥門和接頭、溢流閥的調壓彈簧、手動操作按鈕、液壓泵、爬行機器人油缸、夾緊裝置等工作是否正常；滑移梁與柱頭的焊接、滑移軌道和鋼梁之間是否墊實壓緊；軌道打磨、黃油涂抹是否到位,軌道旁障礙物是否清理完畢等是檢查工作的重點。

表2 網架拼裝完成撓度設計值與實測值數據 mm

(3)滑移啟動時,要先進行預加載,調節一定的壓力(2～3 MPa),使楔形夾塊處于基本相同的鎖緊狀態,開始推進屋蓋滑移,按照最初所需壓力的40%、60%、80%、100%分步加壓并檢查設備狀態。滑移單元產生位移后,暫停滑移,全面檢查爬行機器人夾緊裝置、滑移軌道及桁架受力變化情況,在一切正常的情況下方可繼續滑移。

(4)實施滑移時,要根據設計滑移荷載預先設定好泵源壓力值,由此控制爬行機器人最大輸出推力,保證整個滑移設施的安全。滑移過程中注意檢查軌道橫向擋塊,發生橫向水平力時應停止滑移,進行問題排查。

(5)滑移單元脫架宜采用頂升整體脫架方式,注意要在千斤頂上部設置移動底座,預留適當的移動間隙,釋放因自重下撓產生的水平推力。各滑移單元滑移到位后,同樣采用整體頂升工藝,將滑移單元脫離軌道,拆除柱頂軌道,安裝鉸支座,釋放千斤頂,將網架單元整體下放,保證結構整體高程一致。

(6)以往工程中滑移軌道故障較多,主要原因是軌道墊板間距過大,滑移鋼梁之間間隙太大,造成滑移過程中軌道斷裂,另外軌道鋪設直線度太差,會造成構件擋板與軌道嚴重摩擦,影響爬行機器人對軌道的夾緊,因此,軌道鋪設時要加以注意,嚴格把關。

7 結語

網架高空滑移法的實施解決了該工程施工場地受限問題,避免了使用大型吊機,避免了大量高空焊接作業,確保了焊接和拼接質量,確保了長大懸挑構件安裝安全,節約了施工工期。南京南站屋蓋網架滑移施工取得成功的關鍵是，預先對滑移工況進行仿真分析、合理劃分網架滑移單元、科學設置滑移軌道、選擇先進的液壓滑移設備、做好摩擦與加速度等試驗、采用先進的技術和信息手段,控制好滑移的同步性、網架撓度和拼接精度。滑移施工過程中,新型數字液壓同步爬行機器人推進裝置、多軌道激光無線同步測距系統以及高仿真結構性能計算、數控液壓同步控制技術、無線應力應變監測技術等高端先進技術的應用,為確保施工過程中各功能單元鋼構件的安全和施工質量提供了有力支撐和保證。

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