大噸位大跨度懸挑鋼結構整體提升施工技術

陜西建工機械施工集團有限公司 西安 710043

1 工程概況

東航西安維修基地新機庫建成后成為空客系列在西北地區功能最完善的大修中心。其建筑面積約13 000 m2，機庫大廳平面呈長方形，長度為155 m，寬度為85 m，其屋蓋由大廳部分的鋼網架和大門鋼桁架組成，形成三面支承、門架側一面敞開的鋼結構組合體系（圖1）。該結構最大的特點是大門桁架部分形成大噸位大跨度的空間懸挑結構，施工采用液壓控制同步提升的方案。

圖1 機庫鋼結構俯瞰

2 結構概況

機庫大廳采用3 層正交斜放焊接球網架，網格尺寸6 m×6 m，矢高為3 m+3 m，網架結構質量為1 380 t，網架在東、南、西三面共由28 個設置在鋼筋混凝土排架柱上的固定球鉸鋼支座支承。北面敞開設機庫大門，大門桁架采用焊接箱型梁及焊接H型鋼組成，外桁架HJ-1呈懸挑狀，水平懸挑5 m，質量580 t，內桁架HJ-2兩端通過萬向球鉸支座支承，桁架下弦標高22 m，高度為14 m，高度上相對網架上弦平面垂直懸挑7 m（圖2）。桁架部分總質量約1 180 t，跨度155 m。鋼結構材質均為Q345B。

圖2 結構橫斷面

3 施工難點[1-3]

（a）大門桁架懸挑結構呈現大噸位及大跨度的特點，這種結構設計上在國內尚屬少見，該結構也堪稱“西北第一跨”，對設計施工、組織管理等方面綜合技術的應用提出了較高要求。

（b）整體屋蓋鋼結構由鋼網架和鋼桁架組成，網架和桁架的結構覆蓋面積比為16∶1，但質量比為1.17∶1，整體重心顯著偏向懸挑端。

（c）根據整體有限元模型計算結果，桁架的單個吊點提升反力達到8 805 kN，2 個桁架吊點總的反力達到了整個提升重量的1/2以上。

（d）桁架相對網架上弦平面垂直懸挑7 m，在提升過程中對整體穩定性有一定影響，需要分析提升不同工況下連接桿件的應力變化情況，保證結構安全。

4 總體方案

（a）共設16 個結構提升點，每個提升點在柱頂設置格構式提升架，安裝液壓提升器（圖3），將大門鋼桁架和網架在投影位置地面拼裝成型，用液壓提升器將鋼屋蓋整體提升到安裝位置，再補空安裝周邊支座和桿件，最后結構成型并整體卸載。

圖3 提升吊點布置

（b）根據結構的實際提升方案，建立整體有限元模型，采用MIDAS/GEN 8.0進行空間分析和計算，根據各提升點的反力值進行提升架設計、提升器配置及加固設計。

（c）桁架的提升點設在桁架HJ-2兩側共2 個，上吊點用集群液壓提升器提供該點8 805 kN的提升力，下錨點設在桁架下弦的鋼托梁底部。

（d）網架部分共設置14 個提升點，上吊點提升油缸設置在排架柱頂的提升架上，提供最大827 kN的提升力，下吊點利用增加的臨時桿件和節點，在高空補空桿件安裝以后將其拆除。

5 配套設計及技術措施[4-8]

5.1 桁架提升體系

（a）由于桁架的單個吊點提升反力達到8 805 kN，為了解決大噸位級提升力的需要，桁架吊點設計采用4 個3 500 kN液壓提升器共同作用，經過2 個并列的格構柱型式提升架使支承柱受載。通過鋼絞線連接上、下吊點，提升器的提升力通過上吊點—鋼絞線—錨具—支承結構—桁架（網架）的途徑傳遞，實現結構的整體提升。同時設置后側預拉力錨點，預拉力點采用2 臺2 000 kN提升器，提升過程中與主吊點按比例同步加載，預拉力均預緊到1 500 kN。

（b）桁架支承柱柱頂標高為+21.08 m，在土建施工的同時安裝提升架預埋件，實現提升體系與土建混凝土柱之間承載力的有效傳遞。

（c）桁架提升架主體結構由箱型梁和箱型立柱組成，側面為π字形，高度5 m（圖5）。構造設計既要考慮承載力要求，也要考慮桿件空間位置的要求，即不能出現提升架與補空構件干涉的情況。經計算，得出施加預拉力對提升架結構受力有明顯效果。

（d）桁架下吊點處將HJ-2端部斷開，提升受力點設在下弦，形成型鋼扁擔梁形式，并增加加固桿件對下弦補強加固。

（e）桁架提升架預拉力由設在桁架混凝土柱承臺內的地錨提供，地錨承載力由預埋側板與混凝土之間的摩擦力和粘結力、下部橫向錨板的錨固力及橫銷的錨固力3 部分組成。

該方案的提升預拉力設置有效解決了提升重量平衡力的問題，根本性地改善了混凝土柱的偏心受力狀況。

5.2 網架提升體系

（a）網架提升架采用三角形格構柱，3 個立柱呈品字形布置，前1 根立柱軸心受壓，后2 個受拉，高度為2.5 m。其優點在于保證提升架受拉側強度的同時提高了穩定性，也便于提升到位后周邊網架桿件的高空補空。

（b）下吊點按柱軸線與網架吊點的位置關系設置，吊點相對網架下弦下移500 mm，使5 根輔助桿件同時受力。

5.3 排架柱受力校核

（a）提升時，網架排架混凝土柱處于偏心受力狀態，需要對柱的強度及穩定性進行校核驗算，保證排架柱體系安全。

（b）混凝土柱的驗算內容有：柱體受壓強度驗算、柱頂預埋件的驗算、柱頂局部受壓承載力驗算。桁架、網架的提升點混凝土柱按最不利的工況取荷載值，計算結果均應在允許范圍內。

（c）在正式提升前，將排架柱之間的連系桿件和柱間支撐都安裝完成，使排架柱形成整體受力體系，以提高提升受力體系的安全度和可靠度。

5.4 提升狀態模擬分析

結構提升過程中，16 個提升點之間所有可能的最大位移差的組合很多。從這些組合中針對桁架結構處于大噸位水平和垂直懸挑的結構特點，選擇較為不利的16 種工況對結構變形和應力進行分析，對于應力比大于0.9的桿件進行截面替換，對于網架與桁架交界處的連接桿件重點對待。

5.5 同步度控制

工程實施采用了先進的流量分配控制系統，即計算機控制系統構成“傳感器—計算機—泵源比例閥—液壓提升器—提升架結構”的閉環系統，提升過程由傳感器實時采集位移檢測信號、計算機計算其差值、系統自動均衡液壓流量，從而控制整個提升過程的同步性。

6 提升過程

6.1 結構預提升

（a）液壓油缸按20%、40%、60%、80%、100%的比例分級加載，直到使結構整體離地，提升高度約300 mm時，懸停≥8 h。

（b）檢測提升點的位置和標高，與初始標高的理論值進行比較并調整，確定同步提升的標高初始值。

（c）用經緯儀在側面觀測地面上主桁架和上部桁架之間的對接口位置情況，如有偏差要調整吊點預處理，確保一次性提升到位對接成功。

6.2 同步提升

（a）整個屋蓋大廳鋼結構質量2 560 t，提升系統對每個提升吊點的液壓提升器施以均恒的油壓，吊點以恒定的載荷力將結構向上提升，保持初始狀態直至提升到預定高度。

（b）采取位移同步控制措施，通過位移傳感器實時向系統控制中心傳遞提升位移的數據信息，數據處理一旦發現超差則自動進行調整，對桁架懸挑端重點監測同步度、垂直度及撓度變化值，使提升過程各吊點之間標高不同步偏差控制在15 mm以內。

（c）整體提升的速度取決于液壓泵站的流量、錨具切換和其他輔助工作所占用的時間。經實際測算，提升速度約200～250 mm/min，在液壓油缸往復運動的過程中，啟動和制動時各點的載荷會增加2%，在計算中考慮了1.1的動載系數，啟動和制動加速度為0.2 m/s2，加速度極小，保證了整體懸挑結構的同步平穩提升。

6.3 高空補空安裝

結構整體提升至設計位置后，各吊點微調使桁架和網架精確提升到達設計位置，然后補充安裝周邊桿件，完成后，網架及桁架整體卸載落位于球鉸支座上，最后拆除提升系統設備和提升支架， 完成整個提升施工的過程。

7 結語

該工程順利完成大噸位大跨度鋼結構整體同步提升，對比桁架提升架體系計算值與實測值：懸挑結構提升的技術指標在可控范圍內。施工安裝完成后鋼網架、鋼桁架縱橫向長度偏差、支座中心偏移、撓度值等指標均符合設計要求。施工方案在技術先進、質量保證、縮短工期、經濟性合理之間取得了最佳結合，為同類型工程積累了施工技術方面的經驗。