大跨度復雜空間鋼結構拼裝與整體滑移施工技術

張 利

中鐵北京工程局集團有限公司機場工程分公司 北京 100073

1 工程概況

背景工程造型獨特，鋼結構平面為一矩形（圖1），南北向長度為206 m，東西向長度為178 m，總建筑面積為32 238.5 m2。鋼結構總質量約為3 500 t，主要材質為Q345C，鋼管采用相貫節點連接，其中最小管徑80 mm，最大管徑700 mm，多達36種規格。鋼結構屋蓋節點主要采用圓鋼管相貫節點，多管相交復雜節點采用鑄鋼和焊接球節點，包括A、B、C、D、L1、L2、L3、L4、L5、L6共10個部分。主體由4個24～36 m高度不等的大三角錐形相切后相連而成的錐體組成，4個大錐體由4榀空間主桁架組成，主桁架之間設置屋面次桁架，形成空間桁架體系，主體周邊由比較低緩的5個三角錐形（最高7 m）圍繞，其下方設置大型主展廳。

圖1 鋼結構平面示意

2 施工難點與方案選擇

采用信息化施工，對空間鋼結構桁架拼裝和整體滑移全過程進行仿真模擬，確定相關工藝參數；對施工關鍵環節進行應力、變形、滑移同步監測，保證施工安全和質量。鋼結構由9個錐體桁架組成，采用“分區、分塊安裝、逐步形成穩定單元”的安裝方法進行拼裝，一次滑移就位。對復雜錐體尖角節點采用球節點、鑄鋼件來替代多桿件相交點，利用“管桁架相貫口定位方法”的專利技術，保證空間復雜節點的精確定位。鋼結構整體滑移時，在工程外采用混凝土條形基礎，工程內采用貝雷架、鋼管斜撐組成的棧橋系統，解決了相鄰不同形式軌道基礎的剛度差問題，保證了不同形式軌道間的平穩過渡。鋼結構拼裝和土建施工平行作業，避免了施工交叉，縮短了施工工期，節省了臨時支撐的搭拆工作量及周轉材料，減少了大型吊裝設備的投入，降低了施工難度，提高了施工效率[1]。

3 施工工藝要點

3.1 施工準備

1）對屋蓋鋼結構施工全過程進行計算機仿真分析，確定最不利點的應力、變形、各支點反力等施工參數，確定本工程不同步性不大于50 mm，施工中按不大于30 mm進行控制。各階段模擬分析如圖2～圖4所示。

圖2 拼裝階段變形仿真模擬示意

圖3 滑移階段變形仿真模擬示意

圖4 支座安裝與卸載仿真模擬示意

2）建立空間測控網，將建筑物的縱橫軸線和鋼柱、鋼梁的徑向軸線與建筑矩形控制網軸線的交點，用內分法在控制網軸線上標出各桿件軸線尺寸，進行圖上作業，計算各桿件、節點的空間坐標，并畫出拼裝位置圖。

3）進場材料經檢驗合格后，方可使用，全站儀、經緯儀、水準儀等測量儀器經檢定合格后，方可使用。

4）拼裝場地應平整、堅實，宜采用混凝土硬化場地。

3.2 鋼結構預埋件施工

工程外澆筑混凝土條形基礎時，預埋滑移軌道連接件；混凝土底板施工時，在對應貝雷架棧橋系統短柱下預埋鋼板埋件；地下結構剪力墻和樓板位置，增設牛腿鋼筋和預埋加強H型鋼梁，上鋪軌道。

3.3 滑移軌道施工

1）布置6條滑移軌道，其中兩側的1、4號軌道為單軌，中間的2、3號軌道為雙軌。軌道標高與鋼結構桁架支座設計標高設置在同一高度。滑移軌道布置如圖5所示。

圖5 滑移軌道平面示意

2）工程外滑移軌道采用混凝土條形基礎，待基礎混凝土達到設計強度后，安裝軌道。

3）工程內滑移軌道貝雷架棧橋系統施工工藝：底板預埋件施工→型鋼短柱安裝→H型鋼橫梁安裝→貝雷架安裝→軌道梁及軌道鋪設→兩側斜撐安裝。短柱與底板及橫梁間采用焊接連接，軌道與軌道梁間采用固定卡板連接。

4）滑移軌道基礎和鋼軌安裝應牢固，施工完成后，用“貝雷架靜載試驗反力架裝置”對貝雷架棧橋軌道系統進行加載試驗，實測變形量，保證軌道的變形滿足要求。

3.4 固定、滑移支撐架搭設

鋼結構拼裝時設置固定支撐架和滑移支撐架，滑移時拆除固定支撐架，支撐架均采用鋼管、型鋼焊接。

1）固定支撐架為格構式塔架結構，采用預埋螺栓與混凝土基礎連接或與混凝土上的預埋鋼板焊接。其上部采用鋼管臨時焊接在屋蓋鋼結構桁架的節點上，固定支撐架底部設置卸載節點，其構造如圖6所示。

圖6 固定支撐架卸載節點示意

2）滑移支撐架為空間桁架式結構，下部通過滑靴支撐在滑移軌道上，上部與屋蓋鋼結構桁架節點焊接（圖7）。

圖7 滑移支撐架

3）在滑移支撐架底部安裝滑靴裝置，滑靴縱向用鋼楔鎖定，橫向用滑靴限位裝置鎖定，保證鋼結構拼裝時的穩定。滑靴構造如圖8所示。

圖8 混凝土基礎上滑靴構造示意

3.5 分塊單元拼裝

3.5.1 桁架小拼

在工程外混凝土地面上搭設拼裝平臺，將桿件拼成片狀單元。采用自創的“管桁架相貫口定位方法”，通過計算機模擬確定角度，制作模具，利用實體模具及量角儀器進行放樣，確定相貫口方向及角度，進行桿件固定、安裝，確保相貫口精度。

3.5.2 桁架大拼

采用“圓鋼管桁架安裝臨時固定裝置”對小拼單元桁架進行組對臨時固定，測量合格后焊接固定。

拼裝時，復雜的桁架桿件相交節點可采用鑄鋼節點、球節點，通過計算機三維模型確定安裝角度，現場采用全站儀對相貫口進行精確定位，保證節點安裝精度。

3.6 整體鋼結構拼裝

按屋蓋鋼結構桁架造型、跨度劃分整體拼裝區塊，每個錐體為一個區塊。整個屋蓋鋼結構桁架由屋蓋的一端向另一端逐個區塊依次安裝。每個區塊主桁架由兩端向中間進行拼裝，次桁架隨著主桁架依次進行嵌補，以減少安裝累積誤差和合攏時的安裝誤差。每吊裝一個大拼單元，將其焊接在支撐架上，如圖9、圖10所示。

圖9 桁架大拼單元吊裝

圖10 分區塊桁架拼裝

根據設計給出的屋蓋鋼結構桁架起拱高度和模擬計算分析得出的下撓值，采用反變形法，對臨時支撐預起拱，使卸載后的屋蓋結構標高符合設計要求。

現場拼裝采用手工電弧焊、CO2氣體保護焊對桿件進行焊接。相貫口采用多層多道對稱焊接，注意避免焊接變形及焊接應力。相貫口組對時，應在相貫口處支管與主管間預留出2～3 mm間隙，以提高焊接質量。構件焊接結束后，焊縫應全部進行探傷檢驗。

3.7 拼裝完成后卸載

整體拼裝完成后，拆除固定支撐架，將荷載轉移到滑移支撐架上。按施工圖劃分的構造單元分區依次進行卸載，先進行豎向卸載，再進行水平卸載。卸載過程中，通過安裝的應變儀及棱鏡監測卸載過程的應力應變，保證卸載過程結構安全。

1）豎向卸載是對非軌道處固定支撐架進行“同步等比例”卸載，其工藝為：千斤頂頂緊固定支撐架下部鋼梁→切除鋼柱→墊鋼板→升高千斤頂→抽掉鋼板→千斤頂縮缸。循環往復，直到卸載完畢，拆除固定支撐架。

2）水平卸載是釋放結構自重和豎向位移作用下滑移支撐架滑靴與軌道間的水平力，以減小滑移階段軌道上的水平荷載，采用“同步等距”的方法，其工藝為：千斤頂頂緊滑移支撐架底部→拆除臨時車擋和鎖定裝置→釋放千斤頂→安裝滑移車擋等裝置→分級卸載，直至卸載完畢。滑靴底部與軌道接觸面處涂抹潤滑油，為滑移做好準備，如圖11所示。卸載過程中如發現應力、變形超過警戒值，應停止卸載，采取相應措施后方可繼續卸載。

圖11 拼裝完成后水平卸載示意

3.8 頂推系統安裝

將每條軌道上的滑靴用拉桿連接，拉桿采用160 mm×100 mm×16 mm雙角鋼，或在滑移支撐架和屋蓋鋼結構桁架之間設置斜撐，保證結構穩定。

根據屋蓋鋼結構桁架質量及滑移支撐架底部反力，在軌道上安裝液壓爬行頂推器。每條軌道上可根據頂推力大小選擇一個或多個頂推器，所有爬行頂推器均由集中液壓油泵供給動力，并由計算機控制中心控制。液壓爬行頂推器平面布置如圖12所示。

圖12 液壓爬行頂推器平面布置示意

3.9 試滑移

試滑移前，應對軌道及其支撐系統、滑移支撐架及其與屋蓋鋼結構桁架連接進行檢查，各項檢測設備正常工作后開始試滑移，試滑移距離為3 m。爬行頂推器每行程300 mm，檢查各軌道是否同步，合格后再進行下一行程滑移。試滑移階段完成后進行全面檢查，確認滑移安全。

3.10 整體滑移

在滑移軌道上每3 m劃出標記，作為一個滑移步序，滑移時采用尺量的方法記錄每個行程的距離，檢查滑移的同步性；計算機控制中心通過傳感器反饋每條軌道上的距離信號，進一步控制滑移的同步性。相同軌道的同步偏差不大于10 mm，不同軌道的同步偏差不大于15 mm。滑移過程中，應隨時觀測滑移軌道、液壓爬行頂推器、液壓泵源系統、計算機控制系統、傳感檢測系統的工作狀態。如發現滑移同步偏差不滿足要求，應對單臺頂推器進行點動微調。每次正式滑移前，應先點動試滑，待所有頂推器同步工作后再進行正式滑移，利用行程及位移傳感器監測系統和計算機控制系統，通過數據反饋和控制指令傳遞，實現全自動同步動作。通過相同的泵源和對液壓油壓力、流量控制，使每條軌道所分配的液壓油量相等，實現頂推器同步。滑移接近設計位置時，點動緩慢滑移到位。

3.11 支座安裝

1）非軌道處支座安裝。分區調整非軌道處原結構支座至其設計狀態，安裝該處支座。根據屋蓋鋼結構桁架布置及其剛度特征，依次分區進行支座安裝，采用千斤頂對非軌道處結構支座位置進行同步回頂，至其設計標高后，安裝該處支座。

2）軌道處支座安裝。屋蓋鋼結構桁架滑移至設計位置后，用千斤頂將鋼柱頂緊，將滑移軌道上的力轉移至千斤頂上，拆除滑靴、滑移軌道及其軌道支撐架結構系統，切除多余鋼管，補長支座管鋼并安裝鋼支座，移出千斤頂，安裝鋼支座。永久支座安裝完畢后，拆除剩余的滑移軌道及其軌道支撐架。

3.12 監控量測

3.12.1 應力監測

通過仿真模擬分析計算，確定鋼結構整體拼裝、卸載、滑移、支座安裝過程中應力及變形值較大的桿件，并在這些桿件上安裝應力傳感器，通過數據采集儀及計算機觀測桿件應力及變形值，若超預警值，立即停止施工。

3.12.2 滑移同步監測

1）通過爬行頂推器位移傳感器將每個行程的數據傳遞至計算機控制中心，進行計算機監測控制。

2）通過桁架上安裝的棱鏡，在滑移方向的前后方各布置1臺全站儀，監測各條滑移軌道間的位移同步情況，并根據同步監測結果對各條軌道爬行頂推器進行調整，使各條軌道上屋蓋鋼結構滑移的同步性滿足滑移方案的要求。

3）每天滑移時，爬行頂推器首次行程結束后，通過尺量對比各條軌道上屋蓋結構滑移前進值，保證滑移同步。

4 質量控制

1）鋼結構桁架拼裝質量控制。屋蓋鋼結構桁架拼裝允許偏差應符合方案要求；對施工的特殊過程、關鍵工序進行檢查，合格后方可進行下道工序施工；對已組裝好的構件用鋼材測厚儀進行10%隨機抽查；現場焊接實行質量終身制，每個焊口標記焊工姓名，發現質量問題由責任人進行返修，直至檢查合格；手工電弧焊作業環境風速不得超過8 m/s；CO2氣體保護焊作業環境風速不得超過2 m/s。

2）滑移過程質量控制。控制爬行頂推器行程，保持每次滑移行程為300 mm，整體滑移速度控制在8 m/h。屋蓋鋼結構每滑移3 m即對不同軌道的滑移量值進行測量，若不同步值超過15 mm、小于30 mm時，通過點動滑移對單軌道進行位移調整，保證滑移的同步性。若不同步值超過30 mm，停止滑移。

3）支座安裝過程中，采用應變儀對桁架結構支座內力進行監測，并與原結構設計狀態支座反力進行比較，若超出計算值應立即處理，保證結構安全。

5 結語

整體拼裝滑移與傳統高空散裝法施工相比，節省臨時支撐材料約500 t，成本200萬元；將切割機運至場區附近的加工廠加工管材，減少運輸成本72萬元；減少了大型機械設備的投入，節約機械租賃費60萬元；在冬季施工之前，完成了鋼結構的拼裝、滑移任務，工期提前6個月，節約成本250萬元。共計節約成本582萬元，成本降低約16%，取得了良好的經濟效益。采用工程外拼裝整體滑移的施工方法，減少構件吊裝次數，支撐架用鋼量較傳統方法減少約30%。由于大型機械的投入減少，從而減少了施工中的污染，實現了建筑施工節能減排、降噪的目標。