超大異形插入式拱腳的分片安裝施工關鍵技術

宋生志 林南昌 張月樓 程 笑

中國建筑第八工程局有限公司鋼結構工程公司 上海 200125

超大異形拱腳的合理分片、精準定位及施工過程中的變形控制是超大跨拱形結構拱腳施工中的3個關鍵工序。拱腳是拱形結構的基礎，其施工精度和施工質量直接決定了上部結構整體的安全性[1-5]。

桂林兩江國際機場T2航站樓主拱為超大跨空間雙曲變截面的異形拱，其所對應的拱腳具有尺寸大、質量大、形狀多變且不規則、安裝精度要求高、安裝工序復雜等特點。因此，保證拱腳實現高質量、高精度和高標準施工的難度較大。

1 工程概況

桂林兩江國際機場T2航站樓呈“U”字構型，外形以桂林山水為創意，立面為高低起伏不等的雙向曲線，整個建筑寓意山水桂冠，工程整體效果如圖1所示。

圖1 機場效果圖

2 拱腳特點

工程項目主體結構為超大跨、雙曲、變截面、異形的拱殼結構，對拱腳的設計要求較高，因此采用超大異形插入式拱腳，最大拱腳外形尺寸為8.1 m×8.8 m×9.6 m，最大板厚為40 mm，最大質量為118 t，屬于超大巨型構件，且其構造復雜，外形不規則，因此加工下料、吊裝、安裝等施工難度大。

工程具體難點主要包括以下幾點：體型巨大，造型多變復雜，截面呈漸變式，合理分片的深化設計難度較大；各片體構件下料及加工精度、安裝定位及拼裝精度要求高；焊接量大且均為厚鋼板，焊接變形控制難度大；分段拼裝施工，誤差累積消除難度大。拱腳效果如圖2所示。

圖2 拱腳效果圖

3 拱腳分片設計原則

根據本工程拱腳的實際特點，進行合理分片。分片拆分主要遵循以下原則：構件分片確保加工制作合理化；綜合考慮構件運輸尺寸和質量；減少現場焊接量；確保分片構件彼此間穩定性和安全性；綜合考慮現場拼接各工序間的銜接配合；分片部位應在整體受力較弱位置；分片部位應在焊接殘余應力和殘余變形影響較小部位。

在滿足以上拆分原則的同時，還應符合以下設計及施工要求：焊縫應盡量均勻對稱布置；盡可能減少焊縫數量和尺寸，同時焊縫位置宜位于方便操作處，避免仰焊施工；焊縫不宜位于高應力區；根據實際情況合理選擇焊縫形式。拱腳分片情況如圖3所示。

圖3 拱腳分片

4 關鍵施工技術

本工程拱腳采用分段、分片插入式預埋安裝，即先通過定位環板將地腳螺栓精準定位并預埋于拱腳底座基礎中，同時預埋型鋼抗剪鍵，然后將分段的底層拱腳分片按照設計要求安裝到位，完成第2分段的拱腳分片安裝，補全后蓋并焊接內側加勁板，綁扎拱腳內部鋼筋，完成蓋板焊接，并預留灌漿孔。

拱腳底部固定的地腳螺栓數量多、錨固精度要求高且錨固基礎復雜。為保證底層拱腳分片的安裝精度，創新采用定位環板技術，如圖4所示，可高精度定位地腳螺栓，且有效避免了基礎大體積混凝土澆筑過程中地腳螺栓跑位問題。為保證拱腳底板與基礎混凝土頂面不出現滑移，且避免地腳螺栓參與抗剪，在混凝土基礎中合理設置型鋼抗剪鍵。

4.1 施工流程及工藝

4.1.1 拱腳安裝施工流程

拱腳安裝詳細流程為：測量放線、錨栓及定位板入場→錨栓安裝、校正、加固→混凝土澆筑過程監護→錨栓復核驗收→拱腳安裝→拱腳復核驗收→混凝土澆筑。

圖4 定位環板

首先進行測量放線，確定支撐架定位軸線及拱腳錨栓預定標高，然后開始定位環板支架和定位環板安裝，之后將地腳螺栓安裝在定位環板上，并再次復核錨栓標高，與第1次預測量數據進行對比調整，確保錨栓均處在設計標高上，且均處于同一水平面。接著澆筑底層混凝土并同步進行監護，保證施工過程中混凝土質量和防止錨栓移位。再次復核錨栓數量及錨栓標高，再依次進行拱腳第1段各單片安裝、第2次混凝土澆筑后拱腳第1段復核驗收、拱腳第2段各單片安裝、拱腳第3段各單片安裝、第3次混凝土澆筑、拱腳復核驗收，最后完成安裝。

4.1.2 關鍵施工工藝

巨型拱腳完整的安裝工藝共包含12道工序。首先進行承臺底層面鋼筋綁扎，綁扎工序完成后，在拱腳基礎面筋上精準測量并設置對應螺栓組的十字中心線標志。分塊安裝定位環板，將地腳螺栓穿入定位環板中，確保各地腳螺栓處于設計要求位置，且所有螺栓頂部位于同一水平面內，在各螺栓螺紋部位涂抹黃油包油紙，并設置套管保護，然后整體放入承臺并與定位環板的定位十字線對齊，調整后采用鋼筋進行焊接固定。澆筑底板混凝土前，再次對地腳螺栓進行位置復核，然后進行拱腳安裝。

拱腳的第1段共分為5片，最重分片單元的質量為13.7 t，可利用50 t汽車吊進行安裝。安裝過程中，需要兩側拱腳分片對稱安裝，如圖5所示。

圖5 第1段拱腳安裝施工

5片拱腳完全就位后，進行各個單片的微調，使得所有單片頂部位于設計要求的標高位置，且處于同一水平面。然后將各單片單元地腳螺栓固定，彼此間焊接，所有螺栓均進行扭矩檢測，所有焊縫均進行無損檢測，檢測合格后即完成第1段拱腳的安裝施工。

第1段拱腳混凝土澆筑完成，且達到設計要求強度后，開始第2段拱腳安裝。第2段拱腳共計4片，單片最重約10.8 t；第3段拱腳共分2片，單片最重約19.2 t，利用50 t汽車吊，進行第2、3段拱腳安裝。2段拱腳施工現場如圖6、圖7所示。

圖6 第2段拱腳安裝施工

圖7 第3段拱腳安裝施工

該2段拱腳的施工順序及安裝工藝均與第1段拱腳相同。在拱腳安裝施工過程中，每一段施工完成后，均需要測量并記錄下分片單元頂部標高，為下一段拱腳的安裝提供數據，確保拼裝后拱腳整體標高及空間尺寸均符合設計要求。

3段拱腳均安裝完成后，開始焊接拱腳內部加勁板和綁扎內部鋼筋。在拱腳外側預留灌漿孔，用于澆筑拱腳內部混凝土。

以上所有工序完成后，需通過業主和監理驗收合格后，進行拱腳外側鋼筋綁扎施工，然后完成承臺頂面以下的拱腳內部混凝土與拱腳以外承臺混凝土的澆筑。內外混凝土澆筑時，需內外同時進行，避免混凝土面產生內外差，導致拱腳承受較大的側向壓力，進而產生變形。

4.2 拱腳定位安裝

本工程拱腳構造異形、尺寸較大、質量較重、分片較多且安裝精度要求高，為確保拱腳的施工質量和安裝精度，采用定位環板進行定位。

定位環板采用強度Q235、厚度10 mm的鋼板加工制作而成，定位板上的螺栓孔徑需比地腳螺栓直徑大2 mm。定位環板效果如圖8所示。

圖8 定位環板效果

為了保證定位環板處于設計標高位置，且整體保持在同一水平面，需設計定位環板專用支架。支架設計尺寸為80 cm×60 cm，采用80 mm×8 mm角鋼加工制作，支架底部與承臺底筋焊接固定，支架高度根據螺栓定位環板標高及環板空間高度確定。

定位環板擱置在角鋼支架上，然后進行環板的定位測量，確保精準無誤后，將環板與角鋼支架焊接在一起，且在環板每個面上焊接不少于2道80 mm×8 mm的角鋼斜撐并與承臺底筋加固，防止螺栓定位環板在鋼筋綁扎和混凝土澆筑過程中偏位或變形。

安裝支架與混凝土墊層之間通過埋件焊接固定，埋件為100 mm×100 mm×8 mm鋼板。埋件需在墊層混凝土澆筑前完成安裝，支架固定如圖9所示。

圖9 支架固定示意

4.3 抗剪鍵設計及安裝

為了確保拱腳底層與混凝土不出現滑移，采用設置型鋼抗剪鍵的方法，來抵抗拱腳底部剪力。型鋼抗剪鍵通常采用較厚的槽鋼或工字鋼一端垂直焊接于拱腳底面水平鋼板上，另一端埋于混凝土基礎預留的抗剪槽中，然后采用微膨脹高強混凝土灌注。拱腳錨栓在整個施工及服役過程中均不承受橫向剪力，也不起限制位移作用，橫向剪力完全由型鋼抗剪鍵承擔。

本工程的拱腳尺寸較大，需要進行多次大體積混凝土澆筑。為確保每次澆筑時拱腳整體受力，在2次鄰近澆筑的混凝土交接平面間也需設置型鋼抗剪鍵，如圖10所示。

圖10 抗剪鍵布置

型鋼抗剪鍵主要設計依據為GB 50017—2017《鋼結構設計標準》和GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》，型鋼抗剪鍵選取H形截面（500 mm×250 mm×24 mm×30 mm），鋼材為Q345，單個拱腳H型鋼抗剪鍵總數量為12個。

1）荷載信息。設計內力采取組合工況內力設計值，水平剪力設計值60 000 kN，軸向壓力設計值60 000 kN。

2）抗剪驗算。剪切面所承受的剪力為60 000 kN，軸向力為60 000 kN，混凝土接觸面摩擦力為24 000 kN，則H型鋼承受剪力為36 000 kN。剪力驗算不考慮鋼筋的作用，所有剪力均由H型鋼抗剪鍵承擔，假定型鋼群共同工作的折減系數為0.85。經計算，相應的剪應力為138.1 N/mm2，小于170 N/mm2，故抗剪承載力滿足要求。

5 實施效果

超大異形插入式拱腳安裝是一項高精準且復雜的系統工程，拱腳尺寸大、質量重且為異形，基于本文分片原則，拱腳分片合理可行。影響拱腳安裝精準度和質量的因素較多，拱腳錨栓的埋設精度和大體積混凝土澆筑時保證拱腳整體受力是最為關鍵的2個因素。

在本拱腳施工過程中，采用新型定位環板技術，有效確保拱腳預埋錨栓不偏位，定位坐標誤差控制在1 mm以內；型鋼抗剪鍵有效避免了拱腳底部與混凝土面出現側向滑移現象，且底部錨固螺栓未承受剪力，完全由型鋼抗剪鍵承擔；多次混凝土澆筑過程中，拱腳整體受力均勻，未出現單片或者局部變形扭曲情況，整套施工技術的實施效果良好。

6 結語

以桂林兩江國際機場T2航站樓工程為例，介紹了針對超大異形插入式拱腳精準定位且高效、高質量施工的技術及方法。通過對超大異形拱腳進行合理分片，有效保證了拱腳的加工制作、運輸及安裝的質量；應用定位環板技術，能夠解決多數量拱腳錨栓精準定位及偏位問題；合理設計及布置型鋼抗剪鍵，避免超大拱腳因大體積混凝土側壓及施工荷載作用產生側向滑移。整套超大異形插入式拱腳施工技術可為今后類似拱腳的精準、高效施工提供技術參考。