鋼結構施工在A330寬體飛機天津總裝線工程中的應用

劉鳳成

摘 要：2016年，我公司承建了A330寬體飛機天津總裝線工程，對其大跨度鋼結構工業廠房的結構設計進行了較大創新，要求施工單位具有結構內力、變形分析的能力。傳統粗放型的見圖施工的方式已經在本工程中無法實行，我們通過科學嚴謹的計算分析，精確控制鋼結構施工每一步中的應力與變形，高質量完成了鋼結構工程的施工，滿足了設計方對于內力調整的施工要求。下面以A330工程中的100號完成中心為例進行說明。

關鍵詞：鋼結構施工；技術創新；寬體飛機；桁架組對

中圖分類號：F416.5 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.23.100

1 工程概況

完成中心位于A330廠區內，由客艙裝飾機庫、工作組機庫形成三連跨鋼排架結構，跨度222 m，進深84 m。

工作組機庫跨度78 m，客艙裝飾機庫1&2跨度均為72 m，結構最高處標高+28.000，屋架下弦標高+21.000 m。屋架下弦為直線，上弦為弧線形，下弦標高+21.000 m，上弦標高+23.000～+28.000 m，端部矢高2 m，跨中矢高7 m，與鋼柱連接為剛性連接。

2 大跨度屋架剛度較弱時的施工方案

本工程設計方通過優化及創新設計方案，結構的自重大大降低，例如72 m跨度的鋼屋架僅重約31 t，單榀屋架的剛度很弱。對于施工方來說，傳統的單榀吊裝將會遇到屋架是否會失穩的問題，這一問題必須通過嚴格的內力計算和吊點設計才能解決。

2.1 方案制訂流程

方案制訂流程為：①采用MIDAS/GEN分析軟件或其他結構分析軟件進行吊點設計。通過吊點的位置設計，使得屋架上弦受壓盡量較小（理想情況為原設計承載力的1/10），同時下弦兩端受壓，而中部大部分桿件受拉。②獲得鋼屋架吊裝內力軸力數值。③進行桁架上下弦桿的穩定計算。計算時，截面取最小截面，上弦計算考慮為多跨等長（本工程為三跨），采用實際最大長度為標準跨長度。④應力比的控制。我公司為0.6（考慮現場各種不利影響），當天氣很好時，可以采用0.8的作為控制值。⑤如果發現穩定問題，應考慮重新布置吊點調整結構內力，并重復步驟1～4.

2.2 屋架吊裝上下弦穩定分析

2.2.1 屋架上弦的吊裝穩定分析

完成中心72 m跨鋼屋架為雙機抬吊裝施工。鋼屋架的吊裝主要是面外穩定問題。

在鋼屋架吊裝中，由于沒有任何上下弦桿支撐的作用，所以上下弦桿、腹桿互相之間對側向抗彎剛度的影響比較弱，從安全考慮一般不計這種影響，僅作為安全儲備。

實際上，鋼屋架在吊裝過程中是存在一個確定的面外支撐作用的，這就是吊裝使用的鋼絲繩。當鋼絲繩橫向擺動離開原位置，與原位置距離為d時，必然產生一水平的恢復力F。

鋼絲繩對鋼屋架的面外支撐力與水平擺動距離d成正比，

可將這一作用考慮為剛度為k的彈簧， . 在得到剛度k后

可以根據所得內力及穩定原理進行吊裝時的穩定分析。內力采用MIDAS/GEN有限元結構分析軟件進行計算。

根據上述72 m跨鋼絲繩受力分析可知鋼絲繩內力約為100 kN，鋼絲繩繩長17 m，則當鋼絲繩面外橫向擺動時，k=5.9 kN/m。上弦桿取最小截面為H400×400×10×18，最大間距l=24 m，根據彈性穩定理論，當彈簧剛度足夠大時，桿件軸壓承載力為：

將相關數據帶入公式（1）中得 .

實際彈簧剛度為 .

N為實際最大承載力。

根據上文內力分析可知，上弦最大壓力為53 kN，考慮彎矩等不利影響，乘以1.2的系數為64 kN，應力為0.46<0.6，滿足吊裝安全要求。

2.2.2 鋼屋架下弦桿吊裝穩定驗算

大跨度鋼屋架下弦桿由于不存在任何側向支撐，所以應在吊點設計時控制下弦桿內力盡量為拉桿。由于施工中很少將屋架端部設為吊點，所以在兩端會存在一定的壓力，這種兩端受壓中間受拉的屋架下弦桿件可以進行穩定分析。

同樣以A330工程72 m鋼屋架吊裝為例，受壓端長度為9 m，壓力取大值為19.9 kN，中間受拉長度48 m，拉力平均值為19.4 kN。

對下弦平面完全不設支撐的三段式（壓拉壓）軸心受力桿件的進行驗算：

將相關數據代入公式（2）中得 .

計算長度μl=38 m，按照鋼結構穩定理論可知，當下弦承受軸心壓力面外失穩時，最大受壓承載力為121 kN（根據《鋼結構設計規范》計算），下弦吊裝中最大壓力為19.9 kN，考慮彎矩影響乘以1.2，則應力比為0.2<0.6，滿足要求。

3 預變形技術

安裝本工程的排架時，要求采用下弦與鋼柱連接節點連接分離的兩階段安裝方式調整內力分布。

第一階段：排架上弦與柱鉸接，下弦不連接。

第二階段：排架在自重下完成變形，剛接上下弦與鋼柱的連接節點。

這是設計方施工的要求，目的是將排架端部負彎矩向跨中轉移，降低端部桿件軸力，避免截面突變的問題。

3.1 施工難點

對于桁架，一般的施工方法是在安裝時將上弦、下弦、腹桿與鋼柱的連接節點全部連接，然后讓桁架在自重荷載下進行內力分布。這樣可以通過吊點、鉤頭的不同位置對桁架安裝內力進行調整，從而保證桁架與鋼柱連接段的各個桿件變形非常微小，從而保證了藍圖、制作、安裝的尺寸一一對應。

而在兩階段安裝方法中，下弦節點的安裝是在桁架自重下內力重分布之后，所以桁架必然產生變形，而對于大跨度桁架，這種變形會更大，往往造成按照藍圖制作的連接節點無法安裝。所以桁架藍圖、制作、安裝的尺寸不是一一對應的，必須通過科學的變形分析，將這三個尺寸統一起來。

3.2 解決措施

為了將三個尺寸統一起來，必須對屋架預變形，步驟為：①分析桁架在不連接下弦的情況下的變形數值，以藍圖尺寸為準，計算桁架在端頭需進行的預變形數值；②對比桁架起拱值，將兩種變形值進行對比、包絡，形成最終桁架預變形圖；③桁架采用整體偶配組對的方式進行工廠、現場的預拼裝，從而將圖紙、制作、安裝的桁架尺寸統一起來。

3.3 桁架預變形分析

桁架變形分析采用的理論是由虛功原理發展而來的圖乘法，具體內容不再詳述。由于此方法對于大跨度桁架來說手算量過大，所以采用同樣原理的結構計算軟件midas/gen進行變形分析。

建模分析結果為：與下弦節點相連的桿件兩端下撓分別為-6.6 mm、-12.8 m。

從上得知，只要第二根桿件兩端起拱為6.6 mm和12.8 mm就可以解決問題。根據這兩個點的數值推算整體起拱線。這里由于端部在第二階段安裝，所以未安裝部分的起拱均為0.

本工程要求的設計中間起拱為100 mm，推算的中間起拱為75 mm，不符合設計要求。

我們需要補償25 mm的起拱值，但不是所有節點都補償，方法為中間點起25 mm，然后拉線直到端點，得到每個點的附加起拱值（全屋架起拱，包括未安裝段），然后與預變形起拱值相加，得到最終起拱值。第一點的起拱值為6.6+2=8.6 mm，以此類推第二個節點起拱為12.8+4=16.8 mm，中間起拱為75+25=100 mm，滿足設計要求，同時保證端部準確連接。

3.4 桁架組對方法

對于桁架的組對，我們采用bim技術進行模擬，在組隊前預控了定位點的位置和組對順序，大大提高了效率。

桁架組對方法為：①在組對平臺上確定測量基準點，將屋架進行1∶1放樣（包括起拱）出所有屋架弦、腹桿節點的位置。②將鋼柱柱頭放入組對平臺的準確位置。③將弦桿分段裝入胎具，由柱端向中間依次定位各段屋架上下弦桿，進行屋架整體起拱、找形，定位完成后點焊弦桿對接焊縫。這里下弦柱牛腿不裝入拼裝胎具。④將腹桿裝入屋架，腹桿的定位點與放樣定位點一一對應，然后以實際情況對腹桿端頭尺寸進行調整，最后點焊與弦桿的焊縫固定腹桿，完成腹桿拼裝。⑤拼裝屋架與鋼柱上弦節點，將鋼柱與屋架連接，根據實際尺寸制作鋼柱、上弦桿連接板和錨栓孔，并插入安裝螺栓定位。檢驗合格后進行成品焊接。⑥焊接完成后對屋架尺寸進行復測，如果不合格，則要進行調整。合格后，實測下弦節點區間的長度，然后根據相關計算數據制作下弦節點。⑦屋架制作完成后，在屋架運輸分段線兩側各250 mm的位置標出定位點，采用全站儀測量各個定位點的數據，將此數據發至施工現場用于現場組對，從而將工廠制作尺寸與現場拼裝尺寸一一對應起來。

4 結束語

通過A330寬體飛機天津總裝線鋼結構工程的施工，我們可以看出，建筑行業正由粗放型施工向精細化施工轉型，沒有技術能力的企業將無法完成類似工程的施工。在目前行業轉型的大潮下，有限元分析、bim技術、建筑產業化等無一不對建筑企業的技術能力提出高要求，我們只有腳踏實地地鉆研技術，并將其轉化為真正的生產力，才能在未來的建筑市場中占有一席之地。

〔編輯：王霞〕