大跨度拱形管桁架整體提升的精度控制

趙永慶 劉學峰 丁延勝 鞠經緯 李曉剛

中建科工集團有限公司華東大區 上海 201114

近些年來，隨著高速鐵路的大踏步跨越式發展，高鐵站房的建設數量逐年攀升。高鐵站房多采用空間管桁架結構形式。管桁架結構具有空間受力小、質量輕、剛度大、抗震性能好等優點，在我國高鐵站房的建設中得到了廣泛的應用[1]。空間桁架結構施工難度較大，常用方法有高空散裝法、塊體吊裝法、整體提升法。整體提升法施工可節省人力物力，大幅度提高施工效率，但對提升過程的精度控制有很高的要求。國內有類似項目的施工經驗，包括：對桁架整體建模進行有限元仿真分析，計算提升過程的變形量以及受力變化分析[2]；桁架整體設置橫向拉索控制下撓度，設置多組位移監測點時刻控制整體位移變形[3]；優化卸載順序[4]；等等。上述措施在一定程度上減少了變形位移，提高了提升精度。

本工程為拱形管桁架結構，施工過程多次出現受力變化，根據受力變化設計精度控制方法，主要從以下4個方面出發：按照受力分析模擬計算后的結果，進行桿件工廠預起拱，從源頭控制安裝精度；拼裝胎架設計預起拱值，抵消提升過程中的變形；組織焊接工藝評定試驗，設置合理的焊接順序與焊接余量，控制焊接過程對安裝精度的影響；采用分級加載，減小提升過程的整體應力變化，控制整體提升精度[5-8]。

1 工程概況

某高鐵站站房屋蓋為倒三角拱形桁架，包括主拱桁架、水平支撐、連系桁架等。拱形主桁架最大跨度81 m，拱頂最高高度32.95 m。根據結構布置特點及現場安裝條件，利用液壓同步提升技術進行鋼桁架的整體提升，提升高度約10 m。

提升區結構位于G—M軸線（④—⑦軸線），平面尺寸約為100 m×70 m，如圖1所示。提升部分拱桁架屋蓋質量約900 t，提升施工剖面如圖2所示。為形成流水施工、提高工作效率，將提升區拱桁架分2個區2次提升，一區為M—K軸線，二區為G—J軸線。

M—K軸線、G—J軸線2個分區分別提升，每個區設置6個提升吊點，提升吊點設置在主桁架下弦主桿件上。在桁架下方樓面上設置拼裝胎架，原位拼裝完成后整體提升至設計高度。為保證整個施工過程精度受控，對拱桁架進行全過程施工模擬分析，根據模擬分析數據，從以下幾個方面對施工過程進行控制：桿件制造預起拱、現場拼裝預起拱、提升過程控制、焊接過程控制及卸載控制。通過設置多組監測裝置，全程監測提升過程的變形與提升點反力值的變化；優化卸載工序，分步卸載，提高施工質量，保證施工精度。

圖1 桁架結構平面示意

圖2 提升剖面示意

2 計算機模擬分析

建立計算模型，如圖3所示。利用軟件進行桁架拼裝及提升過程模擬分析，主要分析提升過程中支撐胎架的受力變化、桁架的整體豎向位移、水平位移及桿件應力比。計算結果如圖4～圖6所示。

圖3 驗算模型

圖4 結構豎向位移云圖

圖5 結構x向位移云圖

圖6 應力比云圖

從圖4～圖6可以看出，鋼桁架的豎向位移最大下撓為104 mm，水平位移15 mm，最大應力比0.82，均在規范要求范圍內。

整根桁架長70 m，各處豎向位移值均不同，根據此數據設計工廠制造預起拱值及現場拼裝起拱值。

3 工廠制造預起拱

根據桁架和支撐胎架的提升模擬分析數據，確定整榀桁架的預起拱值為L/700（L為桁架長度），再根據主桁架6個分段長度進行每段預起拱（圖7）。

圖7 主桁架分段示意

在圓管彎管時進行預起拱，彎管數據基于結構設計數據和預起拱值確定。利用編程軟件進行三維模型相貫線編程，生成相貫口的切割數據。將軟件生成的切割數據直接輸入到數控切割機進行管件的切割，保證了相貫口的切割精度（圖8）。

4 焊接工藝控制

在現場焊接施工前制作不同規格的桿件，記錄每種規格桿件的焊后收縮量，形成焊接工藝評定。

根據現場拼裝需要，確定桿件拼裝順序及焊接順序，從主桁架兩端開始向中間依次焊接各接頭。焊接基本原則為：先固定后焊接、分層分道焊接、雙人對稱焊接。

桿件的預起拱及焊接工藝評定，從源頭控制了拼裝精度，借助精確的分析、計算、試驗，提高了桁架現場拼裝的精確度，為桁架的整體提升提供了精度保證。

5 提升過程的控制與監測

在拱桁架上對稱位置設置吊點，拱桁架在地面拼裝焊接到位后進行整體提升，提升過程采用計算機同步控制的方法，從令點無延遲動態跟蹤主令點，保證各提升吊點在鋼桁架結構整體液壓提升過程中始終保持同步，通過計算機監測各提升吊點的提升反力值分布，確保整體結構在整個提升過程中的平穩。

5.1 吊點設置

依據吊點位置，設置若干個同步提升吊點。每個吊點處依據提升器數量設置位移同步傳感器，結合鋼結構三級控制網，利用水準儀和全站儀嚴密監測吊點位移、角度的變化情況。計算機控制系統根據傳感器的位移監測信號，構成“傳感器—計算機—泵源比例閥—液壓提升器—鋼桁架結構”的閉環系統，控制整個提升過程的同步性（圖9）。

5.2 吊點油壓均衡

每一吊點處的液壓提升器采用并聯，對每個提升吊點的各液壓提升器施以均衡的油壓，這些吊點以恒定的載荷力向上提升。

圖8 相貫線切割

圖9 提升吊點

5.3 提升分級加載

以主體結構理論載荷為依據，對各提升吊點處的提升設備進行分級加載，依次為20%、50%、80%，在確認各部分無異常的情況下，可繼續加載到100%，直至桁架結構全部離地（胎架）。

5.4 離地檢查

桁架結構離地后，停留8～12 h作全面檢查，包括上吊點平臺（提升支架、斜撐等）、下吊點等加載前后的變形情況，以及支承柱、桁架整體的穩定性等情況（其他相關單位）。在一切正常的情況下，繼續下一步分級加載。

5.5 高度微調

在提升至臨近指定高度之前，測量各吊點之間的垂直位移偏差，利用計算機液壓系統進行毫米級微調，使其達到同一高度后，最終提升到指定高度10 m處。

在鋼桁架的整體提升過程中，通過計算機液壓系統配合吊點的監測實現提升過程的毫米級精度控制，提升還是采用均衡油壓、分級加載、離地檢查、高度微調等一系列措施，進一步提高桁架整體的安裝精度，極大程度上降低了累積誤差。

6 分步卸載

由于提升過程中鋼桁架整體只受豎向加載力的作用，在到達指定高度卸載后會受到水平方向的加載力作用而使桁架內部應力增大，所以須優化卸載工序。

本項目采用從中間向兩側、對角交叉卸載的方式，按照DD3→DD4→DD1→DD6→DD5→DD2的順序卸載（圖10），待單點安裝完畢之后進行下一提升吊點施工，直至所有提升吊點卸載，桁架結構整體成形。

通過合理的卸載順序，可以有效地控制安裝精度，最終橫向、縱向長度偏差控制在25 mm以內，小于規范要求的±30 mm允許偏差，符合安裝要求。

7 結語

通過計算機精準模擬分析，合理設計桿件的起拱值，控制焊接收縮量，可以滿足鋼桁架現場拼裝的精度要求。通過計算機控制的液壓系統配合一系列監測措施可以使提升過程平穩進行，達到毫米級的控制效果。合理的卸載順序保障了桁架提升的最終精準度。采用的這些施工舉措滿足了分單元同步提升的技術要求，可減小臨時措施量約80 t，減少工人的高空作業量，安全性較好，同時大大縮短了工期。

圖10 卸載吊點