預應力倒三角管桁架鋼屋蓋滑移施工技術*

張志平,汪 杰,王宜彬,崔瑞國,許本盈,賈紅學

(中國建筑第八工程局有限公司,上海 200122)

1 工程概況

1.1 項目概況

廣交會展館四期展館擴建工程是納入商務部和廣東省合作框架協議的重點工程,位于廣州市海珠區琶洲,總占地面積23萬m2,建筑面積約56萬m2,主要包含東、西2個地塊。其中,西地塊建筑面積46萬m2,包括展廳、會議中心、登錄廳、地下室及其他附屬設施。結構形式為鋼筋混凝土框架結構+大跨度鋼結構屋蓋,項目整體效果如圖1所示。西地塊計劃于2022年10月15日完成工程實體建設并移交,于2022年秋季交會正式投入使用,絕對工期僅為644d,工期緊張。

圖1 廣交會展館四期展館擴建工程項目效果Fig.1 Effect of the Canton Fair Exhibition Hall phase IV exhibition hall expansion project

1.2 展廳屋蓋鋼結構概況

展廳區域平面上分為B,C,D,E 4個展廳,各展廳間設置獨立的屋蓋鋼結構。每個屋蓋平面尺寸約為128.3m(長)×92.1m(或93m)(寬),下方設置標高15.900m混凝土樓板。屋蓋采用帶預應力的倒三角形立體管桁架體系,基本參數為：主桁架最大跨度119.5m;桁架高度3～7.4m;每榀桁架間隔15m;桁架兩端與混凝土柱一側采用固定鉸支座,另一側采用單向滑動鉸支座(沿跨度方向);管桁架上、下弦桿規格為φ700×30;管桁架下弦桿內設4束鋼絞線對稱布置,共68根(邊跨屋面懸挑較大的1榀桁架內共84根);單根鋼絞線規格為1×19W-15.2-1860-YB/T081-2013,預張力5 050kN (邊跨屋面懸挑較大的1榀桁架內鋼絞線預張力6 525kN); 斜腹桿采用高強鋼拉桿單向布置;單個展廳用鋼量 3 375t; 展廳屋蓋總用鋼量13 500t。展廳屋蓋及單個展廳屋蓋分別如圖2,3所示。

圖2 展廳屋蓋Fig.2 Roof of the exhibition hall

圖3 單個展廳屋蓋Fig.3 Roof of a single exhibition hall

1.3 展廳屋蓋鋼結構施工重難點分析

1)展廳屋蓋鋼結構安裝總量為13 500t,體量大,施工周期僅為4個月,時間緊、任務重。

2)展廳屋蓋鋼結構施工期間,其下部2層主體混凝土結構尚未完工,如何實現鋼結構和其他專業快速插入是難點。

3)展廳屋蓋鋼結構涉及大跨度桁架、預應力鋼絞線穿束、張拉及鋼拉桿施工,構件規格和數量多。

4)鋼結構施工高峰期,展廳屋蓋、卡車通道、珠江散步道及卡車坡道鋼結構同時進行施工,現場構件堆放體量大、種類多,對構件堆場及作業場地需求大。

2 展廳屋蓋鋼結構施工方案確定

1)方案1：散件發運、地面拼裝、高空吊裝 展廳屋蓋鋼結構待每個展廳2層混凝土樓板施工完成后搭設臨時回頂支撐,構件發運至現場后在混凝土樓板上進行桁架拼裝,然后進行大型機械分段整體吊裝,完成屋蓋鋼結構施工。

2)方案2：散件發運、地面拼裝、整體提升 展廳屋蓋鋼結構待每個展廳首層混凝土樓板施工完成后,發運至現場的構件在首層樓板上進行桁架原位拼裝,采用提升工藝完成屋蓋桁架整體安裝工作。

3)方案3：散件發運、高空固定胎架拼裝、分段滑移 展廳屋蓋鋼結構待每個展廳首層混凝土樓板施工完成后,在首層樓板上搭設高空拼裝平臺,在平臺上進行滑移單元(3榀桁架為1個滑移單元)拼裝,采用分段滑移施工工藝完成屋蓋桁架整體安裝工作。

4)方案4：散件發運、高空原位提升、分段滑移 展廳屋蓋鋼結構待每個展廳首層混凝土樓板施工完成后,在首層樓板上進行桁架原位拼裝,滑移單元(3榀桁架為1個滑移單元)在地面拼裝完成后原位提升至指定標高,然后采用分段滑移施工工藝完成屋蓋桁架整體安裝工作。

方案優缺點對比如表1所示。

表1 方案優缺點對比Table 1 Comparison of advantages and disadvantages of the plans

綜合對比,展廳屋蓋大跨度桁架采用散件發運、高空固定胎架拼裝、分段滑移方案可減少對施工場地的需求,工期用時短、專業交叉少,同時可保證各專業同時施工,降本增效。

3 方案實施

3.1 整體思路

鑒于工期緊張,展廳120m跨倒三角預應力鋼屋蓋與其下部2層主體混凝土結構同步施工,創新提出超長大跨度鋼桁架分段等節奏滑移施工技術,即鋼屋蓋滑移安裝+展館兩側附屬混凝土結構先行施工,展廳屋蓋鋼結構提前插入安裝,各專業平面、立面穿插施工,實現全專業快速穿插。

鋼屋蓋施工方面,研發了基于裝配式、自穩定高空平臺的大跨度鋼桁架拼裝技術,實現超長大跨度重型鋼桁架分單元快速拼裝;針對主體結構作為滑移支撐體系兩側異標高的特點,設計雙向滑移軌道,并研制滾針式滑靴及動力系統,確保滑移安全穩定;應用倒三角預應力鋼絞線快速穿束和張拉技術,解決了超長預應力筋穿束張拉與高空滑移技術難題。鋼桁架分段等節奏滑移如圖4所示。

圖4 鋼桁架分段等節奏滑移Fig.4 Segmented equal-rhythm sliding of steel trusses

鋼屋蓋整體施工流程：施工模擬→高空拼裝平臺搭設→滑移軌道連通及安裝→鋼桁架拼裝→滑靴及動力系統安裝→可拆卸式支撐及護欄安裝→等節奏滑移→卸載就位→健康監測及檢查→完成滑移。

3.2 高空平臺施工工藝

研發裝配式可周轉格構柱群支撐體系,采用12排(東西向)×6列(南北向)布置方式,安裝72根格構柱用于高空平臺搭設,每根格構柱下方設置轉換梁,將荷載傳遞至混凝土結構,確保高空平臺安全。調節立柱位置設置200型貝雷架南北貫通,貝雷架上方鋪設H200×100×8×12型鋼作為平臺鋼梁,再鋪設花紋鋼板形成平臺。格構柱頂設置圓管支撐,作為拼裝桁架的胎架。高空拼裝平臺如圖5所示。

圖5 高空拼裝平臺三維模型Fig.5 3D model of high-altitude assembly platform

3.3 鋼桁架分單元分段快速拼裝技術

鋼桁架采取高空分單元拼裝,以3榀桁架為1個單元,每個單元分段安裝。在裝配式高空拼裝平臺上安裝可轉動式快速脫胎管桁架臨時支撐體系,整體平穩、傳力可靠,如圖6所示。

圖6 可轉動式快速脫胎管桁架臨時支撐體系Fig.6 Rotary quick-release bed-jig tube truss temporary support system

將預應力倒三角鋼桁架分為8～10段,如圖7所示,利用塔式起重機與汽車式起重機配合,按照先拼裝下弦桿再拼裝上弦桿的順序,在高空拼裝平臺上利用可轉動式快速脫胎管桁架臨時支撐體系進行拼裝。鋼桁架拼裝完成后,胎架即可轉動放倒,實現鋼桁架快速脫胎。

圖7 鋼桁架分段Fig.7 Segment of steel truss

3.4 預應力鋼絞線施工工藝

3.5 超長大跨度鋼桁架滑移技術

3.5.1鋼結構滑移單元分區

每個展廳6榀桁架,每3榀桁架作為1個滑移單元,將展廳屋蓋劃分為8個滑移單元,每個滑移單元重1 560t,滑移單元分區如圖8所示。

圖8 滑移單元分區Fig.8 Partition of slip unit

3.5.2鋼結構滑移施工工藝

1)滑移軌道布置

鋼桁架南北兩側混凝土結構作為滑移支撐結構,因其設計標高不同,造成鋼桁架兩側不等高。為保證超長大跨度重型鋼桁架滑移安全平穩,每組設置為雙滑移軌道。同時由于相鄰展廳結構梁間不連續,特在此處增設臨時鋼軌道梁,確保滑移過程中傳力均勻。滑移軌道如圖9所示,展廳鋼滑移軌道梁如圖10所示。

圖9 滑移軌道鋪設示意Fig.9 Laying of sliding track

圖10 展廳間增設鋼軌道梁Fig.10 Steel sliding track beams added between exhibition halls

雙軌中心距400mm,2組軌道中心間距約120m,采用800mm×200mm×20mm鋼板和816錨筋間隔800mm預埋(見圖11),與混凝土軌道梁連接,預埋板與QU100軌道采用卡板焊接連接。滑移軌道測量以軌道梁(混凝土梁)最高點進行找平。

圖11 軌道預埋件示意Fig.11 Track embedded parts

2)滑移動力系統安裝

滑移動力系統由滑靴與液壓頂推裝置組成,如圖12所示。滑靴為滾針式滑靴,如圖13所示,是滑移軌道與桁架的連接構件,滑靴頂面與桁架通過支撐焊接,底面滾針直接與鋼軌頂面接觸。

圖12 滑移動力系統Fig.12 The sliding power system

圖13 滾針式滑靴示意Fig.13 The roller slippers

液壓頂推裝置為組合式結構,作為滑移驅動設備,一端以楔形夾塊與滑移軌道連接,另一端以鉸接點形式與滑靴連接,中間利用液壓油缸驅動爬行。當油缸伸出時,夾塊工作(夾緊),自動鎖緊滑移軌道;油缸縮回時,夾塊不工作(松開),與油缸同方向移動,如圖14所示。并根據鋼結構整體滑移變形及應力數據實時調整滑移動力。每個滑移單元每組滑移軌道上布置3個滑移支點,頂推設備布置在滑移支點上,每個支撐點布置1個滑靴,共6個滑靴。

圖14 滑靴頂推示意Fig.14 Pushing of the slippers

3)超長大跨度鋼桁架等節奏流水分段滑移

展廳鋼桁架等節奏滑移與其下部2層主體結構同步施工,相互穿插進行。按滑移順序和方向,依次流水施工,優先施工滑移軌道區南、北兩側附屬結構。當南、北滑移軌道區混凝土結構及軌道連接鋼梁嵌補完成后,隨即安裝滑移軌道、滑靴及動力系統。此時根據桁架落位順序,同步逆序穿插施工2層展廳水平梁板結構,實現鋼屋蓋滑移安裝與混凝土結構同步等節奏流水施工,如圖15所示。

圖15 鋼桁架等節奏流水施工順序Fig.15 Construction sequence of steel truss equal-rhythm flow repetitive construction

列舉4個等節奏流水施工過程不同工況(見圖16)：①工況1 滑移單元1拼裝完成,準備滑移,北側滑移軌道區結構與2層展廳梁板結構同步施工;②工況2 滑移單元1滑移到位,拼裝滑移單元2,北側滑移軌道區結構與2層展廳梁板結構繼續施工;③工況3 北側滑移軌道區域結構施工完成,第1,2滑移單元臨時落位,拼裝滑移單元3,2層展廳梁板結構繼續施工;④工況4 滑移單元1下方2層展廳梁板結構完成,滑移單元1卸載落位,其余部位梁板結構繼續施工。

圖16 等節奏流水施工工況Fig.16 Conditions of equal-rhythm flow repetitive construction

3.5.3鋼桁架滑移智能施工監測

全過程模擬分析鋼屋蓋滑移施工,經過計算,確定鋼桁架結構應力應變監測點最佳布設位置,配合合理的溫度、應力及位移監測方法,構建大跨鋼桁架施工監測模塊。

大跨度鋼桁架滑移是動態過程,滑移推力、環境荷載、軌道承載力、軌道平順性等因素對桁架滑移準確就位均有影響。因此在滑移前,對滑移階段結構關鍵構件應變、位移、構件變形及環境溫度進行實時監測、分析與反饋。滑移施工過程中,通過實時在線監測桁架應力、位移、振動變化,避免滑移過程中結構應力集中、局部變形過大、脫軌、失穩及傾覆,保證滑移施工過程結構安全、穩定及滑移同步性。

滑移時對控制點進行位移監測,以防鋼構件在安裝或卸載過程中實際坐標與設計坐標出現較大偏差并對結構產生較大側向力。通過對比監測值與初始值,得出結構在各卸載階段位移變化,如圖17所示。

圖17 同步滑移位移監測數據Fig.17 Displacement monitoring data of synchronous sliding

3.6 鋼桁架滑移后的變形監測與復核

滑移就位后,采用基于BIM的三維激光掃描技術,對大體積屋蓋鋼桁架桿件安裝偏差進行掃描,利用點云模型與原圖紙模型進行誤差對比分析,通過模型對比快速生成偏差,實現復雜鋼桁架快速復核。

4 結語

廣交會展館四期展館擴建工程展廳區域120m跨預應力倒三角管桁架鋼屋蓋通過應用一系列施工技術,在工程體量大、結構復雜、周邊和場內環境復雜、工期異常緊張的條件下,實現鋼桁架屋蓋快速安裝,效益顯著。

1)工期效益 高空固定胎架拼裝+分段滑移施工方案相比常規地面拼裝+高空吊裝、地面拼裝+整體提升施工方案減少了施工場地的需求,加快了施工效率,降低了對其他專業的影響,縮短工期119d,為后續機電安裝,金屬屋面及室內砌筑、裝修等作業的提早插入創造條件,有效推動了廣交會展館四期項目整體履約工作。

2)社會效益 組織各類大型觀摩16次,有效提高了項目整體知名度,廣交會展館四期展館擴建工程將在原廣交會展館的基礎上再次升級,新增的展館會議中心和指揮中心功能將大大提升。建成后的廣交會展館總建筑面積達168萬m2,成為全球最大的會展綜合體,為更多國內外企業提供了走向世界的舞臺,為推動形成以國內大循環為主體、國內國際雙循環相互促進的新發展格局做出了更大貢獻。