三峽升船機頂部機房鋼屋架設計與施工

孫昌忠

（中國葛洲壩集團股份有限公司三峽分公司，湖北宜昌 443002）

1 前言

三峽升船機頂部機房位于船廂室兩側塔柱結構的頂端，左、右兩側對稱布置。單側升船機頂部機房外輪廓長為119m，寬為20m，兩側機房之間凈距為17.8m。樓面高程為196.00m，吊車梁梁頂高程為208.60m，屋頂女兒墻頂高程為218.85m。屋架采用相貫面鋼管桁架結構形式，屋面板采用鋼板與聚氨酯面板組合的形式。中控室屋面采用網架結構，屋面板采用鍍鋁鋅夾芯鋼板加鋁鎂錳直立鎖邊板鋪設。

因升船機現場施工設備單一、拼裝布置場地狹小，施工條件受限，鋼屋架安裝難度大，設計過程中需充分考慮上述難點，不斷優化升船機頂部機房鋼屋架的設計，為鋼屋架的順利安裝創造條件。同時，還需要對鋼屋架的施工方案進行深入的研究，確保制定的施工方案能滿足三峽升船機頂部機房鋼屋架的安裝要求。

2 鋼屋架的設計及施工特點

1）鋼屋架僅依靠現場唯一的建塔作為起吊設備，起吊質量和起吊幅度均受限制，屋架每一構件的設計需充分考慮以上因素，同時還需保證屋架結構整體性。

2）本工程采用吊裝的方式，分兩種情況進行吊裝，一種是整榀桁架吊裝，另一種是分段吊裝。施工過程中，荷載效應分布與整體結構相比有了很大的不同，確保結構在施工階段及正常使用階段的安全性，是需重點研究解決的問題。

3）鋼屋架安裝施工屬于高空作業，并且具有作業面多、安裝技術難度高、施工安全風險大等特點。

4）鋼屋架安裝完成后才可拆除船廂室建塔設備。受建塔基礎布置影響，部分升船機平衡重掛裝需在建塔拆除后進行施工。屋架安裝施工工期占升船機工程直線工期，因此需對網架的快速安裝技術進行研究。

3 鋼屋架設計方案研究

3.1 機房頂部鋼桁架

屋架結構形式為空間桁架體系，沿縱向每個柱位布置一榀鋼桁架，同時沿縱向布置H形鋼梁，H形鋼梁與鋼桁架采用螺栓連接，并將6mm樓承板與H形鋼圍焊。空間鋼桁架截面為倒三角形鋼桁架，桁架高度為1.6～1.7m，寬度為1.0m，由下弦桿、上弦桿及腹桿組成，桿件均采用鋼管制作。鋼屋架支撐在框架上柱頂部，支座均采用鉸接形式。屋面板采用鋼板與聚氨酯面板組合的形式。屋架結構平面布置如圖1所示。

圖1 屋架結構布置圖（單位：mm，數字和字母序號表示相應軸）Fig.1 Layoutof roof structure（unit：mm）

3.2 中控室網架

中控室屋面采用網架結構，屋面頂部高程為202.32m，4個角部各懸挑1個小三角塊。網架采用螺栓球節點正放四角錐的結構體系，為下弦層提供多點支承，網架覆蓋面積為201m2。屋面板采用100mm厚鍍鋁鋅夾芯鋼板與鋁鎂錳直立鎖邊板制作。中控室網架結構平面布置如圖2所示。

圖2 網架結構平面布置圖（單位：mm，數字和字母序號表示相應軸）Fig.2 The layoutof the spatialgrid structure（unit：mm）

網架結構所用桿件規格主要有?60×3.5、?75.5×3.75、?88.5×4.0、?114×4.0、?140×4.0、?159×6.06等。螺 栓 球 規 格 為 BS100、BS120、BS150、BS200、BS250等。

3.3 鋼桁架設計分析

3.3.1 設計參數

根據現場布置的塔吊起重性能，本工程采用兩種吊裝情形，一種是整榀桁架吊裝，另外一種是分段吊裝。結合工程結構特點采用了獨立計算模型。

設計荷載包括結構自重、附加恒荷載、活載、風荷載、雪載、溫度作用、地震等，但在施工過程中，風載、雪載及溫度地震作用影響較小，故不予考慮，但是考慮到吊裝過程中的動力作用，結構自重乘以1.2的動力系數。

3.3.2 計算結果

整體吊裝結果如圖3、圖4所示。計算結果為整體吊裝最大位移為0.8 mm。吊裝應力最大為8.7 N/mm2。

圖3 整體吊裝位移（最大0.8mm）Fig.3 Integral lifting disp lacement（m aximum 0.8mm）

圖4 整體吊裝應力（最大8.7N/mm2）Fig.4 Integralhoisting stress（maximum 8.7N/mm2）

分段吊裝結果如圖5～圖8所示。計算結果表明整個施工過程中桿件最大應力為8.7N/mm2，最大位移為19.2mm，均滿足施工階段結構安全的要求。

圖5 吊裝段1位移（最大19.2mm）Fig.5 Section 1 lifting disp lacement（maximum 19.2mm）

圖6 吊裝段1應力（最大2.8N/mm2）Fig.6 Section 1 stress（maximum 2.8N/mm2）

圖7 吊裝段2位移（最大1.3mm）Fig.7 Section 2 lifting disp lacement（maximum 1.3mm）

圖8 吊裝段2應力（最大3.4N/mm2）Fig.8 Section 2 stress（maximum 3.4N/mm2）

4 鋼屋架施工方案研究

4.1 施工程序

1）升船機頂部機房鋼結構安裝施工總體流程如圖9所示。

圖9 升船機頂部機房鋼結構安裝施工總體流程Fig.9 Installation of the overallprocessof ship lift steel structureat the top of the room

2）中控室屋面網架結構安裝施工總體流程如圖10所示。

圖10 中控室屋面網架結構安裝施工總體流程Fig.10 Installation of theoverallprocessof the roof space truss structure central control room

3）安裝方向。升船機頂部機房鋼結構先安裝5軸到13軸，然后安裝1軸到4軸。升船機頂部機房鋼結構安裝方向如圖11所示。中控室屋面網架由G軸到E軸方向進行安裝。中控室屋面網架安裝方向如圖12所示。

圖11 升船機頂部機房鋼結構安裝方向Fig.11 Ship lift steelstructure installation direction at the top of the room

圖12 中控室屋面網架安裝方向Fig.12 The roof rack installation direction of the central control room

4.2 施工設備

本工程現場布置了6臺起重式塔吊，其中在航槽右側布置兩臺C7030型固定式塔機，在航槽左側布置兩臺K40/26型固定式塔機，在上閘首航槽兩側高程185.00m處布置兩臺F0/23B型行走式塔機。拼裝場地及現場塔吊布置如圖13所示，現場吊裝機械性能參數如表1所示。

圖13 拼裝場地及現場塔吊的布置圖Fig.13 Assembly area and site layoutof tower crane

現場布置的1#、2#、3#、4#塔機吊鉤鉤下高度分別為227.70m、234.20m、228.20m、233.70m，滿足機房鋼桁架吊裝時最低鉤下高度為226.85m的要求。升船機頂部機房鋼桁架吊裝時吊鉤高度示意如圖14所示。

表1 現場吊裝機械性能參數表Table 1 Site hoistingm achinery performance param eters

圖14 升船機頂部機房鋼桁架吊裝時吊鉤高度示意圖Fig.14 Ship liftat the top of the room when the steel truss hoisting hook heightmap

4.3 安裝方案研究

4.3.1 鋼桁架分段

1）升船機頂部機房鋼桁架共有28榀，鋼桁架截面形式為倒三角形鋼桁架，長度為18.4m，高度為1.6～1.7 m，寬度為1.0 m。ZHJ1質量約為9.8 t，ZHJ2、ZHJ2a 質量約為9.6 t。

2）根據塔吊的起重性能，航槽左側的1、2、3、8、13軸和右側2、3、8、9、13軸的鋼桁架ZHJ1（共10榀）分兩段進行加工、安裝，即在工廠內分兩段拼裝完成，然后運到現場采用分段吊裝就位、高空對接的方法進行安裝，其余鋼桁架則在工廠內整榀拼裝完成，再運至現場整榀一次吊裝完成。

3）鋼桁架分段平面布置如圖15所示。

圖15 鋼桁架分段平面布置圖Fig.15 Layoutof steel truss segment

4.3.2 格構支撐架的設置

鋼桁架分段安裝時，采用格構支撐架進行臨時支撐，格構支撐架布置如圖16所示。臨時支撐架采用增加纜風繩、設地錨、增加連墻件等可靠的穩定性措施確保其牢固。格構支撐架待兩榀鋼桁架之間的H形鋼梁安裝兩三根后再進行拆除。

圖16 格構支撐架布置示意圖（單位：mm，數字和字母序號表示相應軸）Fig.16 Layout diagram of lattice brace（nuit：mm）

4.3.3 鋼桁架吊裝方法

1）吊裝前準備工作。a.布置現場臨時支撐架，并將纜風繩拉設到位。b.將爬梯、生命線和吊籠等安裝輔助設施同步制作完成。c.調試吊裝塔吊使其滿足吊裝要求。

2）升船機頂部機房鋼桁架共28榀，航槽左側的1、2、3、8、13軸和右側2、3、8、9、13軸的鋼桁架（共10榀）分兩段進行吊裝就位、高空對接安裝，其余鋼桁架則整榀一次吊裝完成。具體吊裝方法及施工要點為：a.每榀（每段）鋼桁架上弦處設4個吊點。b.在每榀（每段）鋼桁架吊裝前鋪設好安全行走通道，以便后續的H形鋼梁及屋面安裝。通道采用?48鋼管及木跳板鋪設，鋼管、木跳板必須與桁架上弦桿用鐵絲綁扎牢固并確保安全。c.為保證鋼桁架騰空后基本處于水平狀態，在鋼桁架兩端用麻繩綁好（為了避免吊起的桁架自由擺動），以此牽制溜繩的調整方向。待構件被吊起0.50m高度時，停止上升后，對吊裝的設備、鋼桁架構件的吊裝狀態等各環節再進行一次檢查，保證安全后方可進行提升。d.構件到達安裝位置上空時，緩慢地下降構件，調整桁架、就位，經測量滿足設計及規范要求后，進行焊接固定。e.第一吊裝就位后，將桁架的支座與埋件的焊接完成2/3以及纜風繩拉好后，將吊鉤松懈。f.將第2段桁架與第1段鋼桁架進行高空對接，主要操作方法為：1）在桁架對接區域設置施工吊籃，便于空中對接作業；2）在上弦桿、下弦桿上設置臨時連接耳板，桁架吊位就位后用連接板先進行固定，然后進行焊接；3）將鋼桁架的兩根上弦桿、一根下弦桿焊接完畢并且第2段的支座與埋件焊接完成2/3時，將吊鉤松卸；4）在臨時支撐架的頂部設置機械千斤頂，用于調節桁架標高。g.在兩榀鋼桁架之間聯系的H形鋼梁安裝好后再拆除纜風繩，以確保結構穩定和安全。h.H形鋼梁和油漆涂裝緊跟著鋼桁架安裝。H形鋼梁均采用塔吊進行吊裝就位。鋼桁架整榀吊裝、吊索三維示意圖如圖17所示，鋼桁架分段吊裝、吊索三維示意圖如圖18所示，鋼桁架分段吊裝示意圖如圖19所示。

圖17 鋼桁架整榀吊裝、吊索三維示意圖Fig.17 Three-dim ensionaldiagram of thewhole cross steel trusshoisting and sling

圖18 鋼桁架分段吊裝、吊索三維示意圖Fig.18 Three-dimensionaldiagram of steel trusssegm ent hoisting and sling

圖19 鋼桁架分段吊裝示意圖（單位：mm，數字和字母序號表示相應軸）Fig.19 Schematic diagram of subsection hoisting steel truss（unit：mm）

4.3.4 中控室屋面網架安裝

1）操作排架搭設。通過在中控室混凝土樓層板上搭設滿堂操作架進行中控室屋面網架的安裝。操作排架搭設示意圖如圖20所示。

圖20 操作架操作平臺搭設示意圖（單位：m）Fig.20 Schematic diagram of erection of frame and operation p latform（unit：m）

排架均采用?48×3.5鋼管搭設。立桿縱向間距為1.5m，橫向間距為1.5m。水平桿步距為1.7m，在水平桿頂層鋪設作業層。頂層構造：頂層為網架結構作業層，頂層水平桿間距不超過400mm，水平桿上方滿鋪安全平網，安全平網上方滿鋪竹片腳手板。操作排架外圍均設置高度不低于1.2m的欄桿，欄桿上橫桿不少于兩道并且滿掛安全網，同時，還設置了高度為200mm的擋腳板。

2）網架安裝。網架安裝的主要流程和方法為：a.采用塔吊將網架材料吊至操作平臺，并將材料及時分散，不得集中堆料。b.根據定位軸線由人工將支座布置在柱頂上，然后再一次用儀器測定支座位置，準確后對支座用螺栓進行臨時定位固定。c.網架從低端開始安裝，先安裝支座，然后安裝下弦一榀網格，然后依次安裝腹桿和上弦桿，邊安裝邊測量定位，中間有桿件放入困難時，采用千斤頂微頂網架下弦球調節后再將桿件放入。安裝時墊實下弦球，確保下弦節點不發生位移，同時邊安裝邊用全站儀對各控制節點進行測量定位。d.在整個網架安裝過程中，控制軸線的準確、高強螺栓的擰緊程度、撓度及幾何尺寸，并隨時檢查桿件的編號、損傷、幾何尺寸、螺栓擰緊、撓度等。e.待網架安裝后檢驗合格，再進行油漆涂裝。

典型螺栓球節點端部處理示意圖如圖21所示。

4.3.5 屋面板安裝

1）頂部機房屋面板安裝。頂部機房屋面板鋪設順序：6mm厚鋼板（角鋼L50×6.0）→彩鋼板檁條（Z50×50×50×2.5）→100mm厚離心玻璃纖維棉（無紡布）→0.5mm厚HV-900鍍鋅穿孔彩鋼板。

為保證安裝進度及安全，利用左、右檢修橋機下掛0.5mm厚HV-900鍍鋅穿孔彩鋼板和保濕棉進行安裝施工，在橋機上搭設操作平臺，操作平臺與橋機進行拉結牢固。在操作平臺上安裝底板，每裝好一區塊后橋機向前滑移一次。

圖21 典型螺栓球節點端部處理示意圖Fig.21 Schematic diagram of typical bolt ball end processing

2）中控室屋面板安裝。中控室屋面板鋪設順序：檁條（120×16×5）→聚氨脂腹合板→輕鋼主檁條（100×50×3.0）→輕鋼次檁條（C80×40×15×2.5）→鋁鎂錳直立鎖邊板。

5 結語

三峽升船機頂部機房是升船機工程主體結構的重要組成部分，也是升船機塔柱結構尾工施工項目之一。機房鋼屋架的安裝完成，標志著升船機主體結構完成封頂，從而全面轉入設備安裝階段。通過詳細模擬了現場實際并結合三峽升船機頂部機房鋼屋架設計、安裝要求所提出的的鋼屋架結構設計與施工方案，解決了三峽升船機頂部機房鋼屋架施工過程中設備單一、拼裝布置場地狹小、施工條件受限、鋼屋架安裝難度大等難題，為后續升船機設備運行提供重要保障。該結構設計與施工方案可為類似工程的鋼屋架設計與施工提供有益的參考價值。