基于全過程模擬分析的網(wǎng)架滑移法施工技術研究

張善慶

(福州成建工程監(jiān)理有限公司 福建福州 350001)

1 工程概況

長樂國際機場第二輪擴能工程項目，航站樓主樓北擴C2段的二層為機場航站樓大廳新增國內值機區(qū)，層高23.95m，面寬208.6m，進深105m，采用鋼結構網(wǎng)架屋面，柱網(wǎng)跨距12.0m×12.0m。網(wǎng)架采用正放四角錐雙層螺栓球網(wǎng)架，局部設置3層，網(wǎng)格尺寸2.02m×2.02m，網(wǎng)架厚度1.414m，網(wǎng)架下弦球支撐于混凝土柱頂端，混凝土柱南北向間距12m，東西向最大跨度36m，柱頂標高11.400m～25.260m。平面軸線總尺寸95.3m×81.245m，鋼結構網(wǎng)架屋面面積約8156m2。網(wǎng)架工程效果圖見圖1。

圖1 網(wǎng)架工程效果圖

2 該工程網(wǎng)架施工難點

該工程的鋼網(wǎng)架屋蓋施工，位置在結構層二層，吊裝設備難以抵近行走吊裝，現(xiàn)場僅布置1臺TC7013塔吊，無法采用先地面拼裝、再單元吊裝的高空原位單元安裝技術。在滿堂腳手架施工、提(頂)升施工、滑移施工的方案比選中, 因為滑移法施工可減少支撐架體量、平臺移動快速、施工措施成本低、能更好克服高空原位作業(yè)困難等優(yōu)點而最終被選用。

但滑移法施工需要克服以下技術難題：

(1)二層結構板要有足夠的強度，可以鋪設專用軌道，滿足滑移胎架滑移的要求，胎架滑移必須通過多點牽拉(頂推)時的同步控制[1]。

(2)滑移法施工須進行逐跨牽移胎架、分片施工網(wǎng)架，會在網(wǎng)架區(qū)塊連接交界段產(chǎn)生不利的撓度變形，且鋼結構網(wǎng)架螺栓球節(jié)點精度要求挺高，變形控制不到位，將會極大地影響網(wǎng)架結構受力及施工質量，必須對受力與撓度變形進行全過程模擬分析來指導施工。

3 網(wǎng)架滑移法施工技術要點

根據(jù)滑移主體的不同，滑移施工可分為結構滑移和胎架滑移。胎架滑移的施工特點是胎架移動而結構本身在原位逐條高空拼裝，結構拼裝后不再移動，比較安全。該工程采用“胎架滑移法”安裝網(wǎng)架，于樓面設置導軌與框架式滑移胎架。滑移胎架以柱距12m的倍數(shù)為一個安裝區(qū)域，在胎架頂部設置操作平臺，直接原位安裝網(wǎng)架球和桿件，安裝完畢后，胎架滑移至下一區(qū)域進行安裝，實現(xiàn)“逐跨牽移胎架、分片施工網(wǎng)架”。

鋼結構網(wǎng)架螺栓球節(jié)點精度要求高、支座球節(jié)點構造較為復雜，深化設計必須充分考慮其工藝因素，提前解決可能出現(xiàn)的網(wǎng)架支座與混凝土柱、網(wǎng)架與屋面的連接問題。在深化設計的每一階段，應用最低勢能原理，找到平均標高最低的位置作為各階段的定位位形，以管口和原設計定位點作為控制點，自動生成該位形的局部坐標和三維定位尺寸。

網(wǎng)架制造工序多、精度要求高，必須嚴格落實工藝措施，同時保證球節(jié)點的螺栓孔精度和球壁厚度滿足性能要求。網(wǎng)架加工過程中的預拼裝尤為重要，采用實體預拼和模擬預拼相結合，前期構件進行實體預拼裝，后期構件進行模擬預拼裝，確保加工精度。

網(wǎng)架構件數(shù)量多、外形尺寸相近，該工程網(wǎng)架桿件約5.5萬件、球節(jié)點約5600個，需根據(jù)施工順序按類型分5個批次有序進場。由于鋼結構網(wǎng)架施工前，需要合理的深化設計、備料、加工等階段，而工期壓力往往容易擠壓至現(xiàn)場施工階段，應提前謀劃好機械設備、周轉胎架，保證充足的勞動力資源。協(xié)調好多專業(yè)之間的交叉施工、相互配合，做好工序移交，保證混凝土柱移交后測量控制點復核一致。網(wǎng)架高空安裝時，需克服高空操作及自身變形、穩(wěn)定性等帶來的安裝困難。

該工程分為A、B、C 3個胎架滑移區(qū)。在滿足工期的前提下，為實現(xiàn)胎架和勞動力等資源的合理充分利用，采用順序施工法，第一榀胎架搭設于A區(qū)45軸至47軸，由45軸向53軸滑移安裝A區(qū)網(wǎng)架；完成A區(qū)安裝后拆除胎架轉移至B區(qū)搭設，由45軸向49軸滑移安裝B區(qū)網(wǎng)架；最后滑移安裝C區(qū)網(wǎng)架。滑移胎架平面布置及滑移方向示意圖與滑移胎架立面示意圖如圖2～圖3所示。

圖2 滑移胎架平面布置及滑移方向示意圖

圖3 滑移胎架立面示意圖

4 有限元模擬分析

采用順序施工法，雖然施工資源得到最大化周轉，但分條塊安裝卻帶來網(wǎng)架相鄰區(qū)交界段存在撓度變形問題。滑移胎架移出后，是否需要增設單點支承措施回頂配合調整撓度、待網(wǎng)架全部安裝完成后再整體卸載?為論證此問題，該工程運用Midas有限元軟件構建網(wǎng)架模型，模擬分條塊施工全過程，驗算結構承載力與變形，如圖4所示。對于與混凝土柱連接的焊接球支座節(jié)點，采用固定剛性支座模擬，完全約束結構6個方向的自由度[2]；對于與胎架支撐點臨時連接的位置，采用釋放梁端約束模擬，釋放選定桿件某端頭的自由度，可達到構件鉸接效果。計算荷載主要考慮1.2倍結構自重。根據(jù)網(wǎng)架滑移施工流程，分為12個施工步驟，對每個步驟的XYZ向位移和各構件最大組合應力進行計算。模擬結果分析顯示，結構總位移出現(xiàn)在第八步，此區(qū)域網(wǎng)架長向跨度36m、短向跨度12m，位移最大值17.58mm，能夠滿足《空間網(wǎng)格結構技術規(guī)程(JGJ7-2010)》要求短向跨度的1/250，撓度能夠滿足設計要求。整個模擬施工過程中，結構的應力水平始終保持在合理的水平，結構應力隨著施工步驟變化趨勢平緩，未出現(xiàn)較大的波動和劇烈變化，最大值為50.01MPa，桿件強度小于材料的屈服強度。根據(jù)有限元軟件分析結果，該工程經(jīng)專家論證通過后，在相鄰區(qū)段連接前測量上一區(qū)段對接縫位置撓度，視其大小設置回頂接縫位置至設計標高。實測最大值14mm，未超過規(guī)范安裝要求，各區(qū)塊網(wǎng)架安裝順利完成。網(wǎng)架模擬分條塊施工全過程承載力與變形圖如圖4所示。

步驟一，合位移5.42 mm

步驟二，合位移6.04mm

步驟三，合位移5.95mm

步驟四，合位移5.95mm

步驟五，合位移17.59mm

步驟六，合位移15.78mm

步驟七，合位移16.67mm

步驟八，合位移17.58mm

步驟九，合位移17.58mm

步驟十，合位移17.46mm

步驟十一，合位移：17.31mm

步驟十二，合位移 17.28mm

5 滑移胎架做法及受力分析

滑移胎架的使用，一是要保證作為網(wǎng)架安裝時的穩(wěn)固平臺，二是要保證在滑移過程中的整體穩(wěn)定性，三是減少周轉搭設成本。

該工程滑移胎架采用梁柱框架式胎架，圓管柱截面為○219×10，水平桿采用○89×4圓鋼管，斜杠采用○89×4圓鋼管，平臺鋼梁采用HN300×150×6.5×9。胎架底部設計滑靴與軌道相連，頂部采用腳手管和模板搭設操作平臺，如圖5所示。

圖5 滑移胎架示意圖

滑移胎架計算考慮的荷載包括胎架本身的自重，上部拼裝網(wǎng)架的重力荷載及施工荷載，以均布線荷載形式施加在頂梁上，胎架滑移啟動時考慮1.2的動力系數(shù)，轉變?yōu)樗胶奢d施加在胎架頂部。胎架模型的邊界條件考慮在立桿底部設置鉸接支座，與實際滑移構造相吻合。運用軟件進行胎架剛度驗算、強度驗算、支座反力驗算。為保證安全，計算工作狀態(tài)下樓面的受力情況，求出原結構梁板的最大內力、變形值，并對原有配筋進行驗算。滑移胎架示意圖、滑移胎架應力比計算結果示意圖及各工況下二層樓板DXYZ向位移結果示意圖如圖6～圖7所示。

圖6 滑移胎架應力比計算結果示意圖

圖7 各工況下二層樓板DXYZ向位移結果示意圖

6 胎架滑移控制要點

在二層樓面混凝土結構施工時，預埋布置移軌道。滑移軌道的鋪設，應保證水平、垂直偏差在可控范圍內，滑移軌道的接頭處應連接緊密，上面與側面應打磨光滑平整，軌道摩擦表面涂黃油以減少摩擦阻力。驗算軌道的撓度，以免軌道撓度過大時，引起滑移單元豎直方向的標高差異過大，進而產(chǎn)生附加內力，影響滑移。

胎架滑移前，必須認真檢查滑移胎架、軌道以及牽引系統(tǒng)等部位，以防局部產(chǎn)生障礙。在滑移軌道上設置刻度標尺，每5cm一格，1m為一大區(qū)格，各柱間為一個控制單元。滑移時，牽引系統(tǒng)應保持同步勻速運轉，以保證胎架支撐柱并行前進，可合理設計滑輪組機構，在減小單繩牽拉力的同時，盡量減小各臺卷揚機牽拉力的差距。派專人對滑移過程的軌道、滑移單元的變形、滑移單元的水平偏移、各牽拉點的同步偏差進行觀測，發(fā)現(xiàn)問題及時處理。

胎架卸載前，應確保網(wǎng)架單元可在胎架卸載后形成穩(wěn)定的受力體系。在卸載過程中，結構本身的桿件內力和臨時支撐的受力均會發(fā)生變化，合理的卸載工藝及順序是結構安全的重要保障。胎架卸載應以理論計算為依據(jù)、以應力應變控制為核心、以測量控制為手段、以平穩(wěn)過渡為目標，采用液壓千斤頂分級同步卸載的方法進行。在每個卸載點安排一名操作人員，在卸載總指揮的統(tǒng)一協(xié)調下，保證同級、同卸載行程值，液壓千斤頂同步精度應控制在±3mm以內，從而實現(xiàn)同步性卸載控制。施工過程中，做好結構下?lián)隙茸冃斡^測、胎架沉降變形觀測、胎架傾斜變形觀測。

7 結語

網(wǎng)架結構是空間三維結構，結構形式穩(wěn)定性好，整體重量輕，抗震能力強[3]。網(wǎng)架結構常用的施工技術有高空原位散件安裝、高空原位單元安裝、提升施工、頂升施工等，需要根據(jù)網(wǎng)架的結構形式、施工環(huán)境等諸多因素綜合確定安裝工藝。長樂國際機場第二輪擴能工程項目航站樓主樓北擴C2段二層機場航站樓大廳網(wǎng)架工程因受施工環(huán)境限制，由參建單位組成技術研究小組進行方案選擇和技術攻關，最終采用非常規(guī)的滑移法施工，并應用Midas有限元軟件技術，構建分區(qū)塊滑移法施工模型，進行全過程模擬分析產(chǎn)生的撓度變形情況，指導施工，最終在施工安全、質量與經(jīng)濟效益方面均取得滿意的成果。

采用胎架滑移法施工，應按胎架和結構的實際工作狀態(tài)，包括網(wǎng)架結構安裝狀態(tài)與滑移狀態(tài)，進行受力分析與承載力、剛度、整體穩(wěn)定性的驗算。相鄰區(qū)塊網(wǎng)架連接前實測上一區(qū)塊對接縫位置撓度，應用有限元軟件技術，進行全過程模擬分析產(chǎn)生的撓度變形情況，可視其大小設置支承回頂接縫位置至設計標高，從而減少累積變形。