某遺址永久性保護鋼結構施工關鍵技術*

成張佳寧, 張 軍

(1.同濟大學土木工程學院,上海 200092; 2.南通大學交通與土木工程學院,江蘇 南通 226019)

0 引言

遺址保護項目的新建與改建需特別注意對原有文物的保護,在施工過程中需避免各種不利因素對文物的擾動,如因振動過大造成文物本體的損壞。合理的結構設計與施工方法可有效將建筑施工對遺址的影響程度降到最低。李向陽等[1]結合某具體遺址保護工程,從基礎施工階段、結構施工階段、本體保護施工技術3個方面對施工過程中遺址保護的關鍵施工技術進行總結。江棗等[2]針對某遺址公園展廳結構,分析了施工對遺址本體的影響,從設計角度出發總結關鍵技術要點。孫琪等[3]根據玉樹災后重建的總體規劃和工程特點,對雨棚鋼結構進行吊裝方案設計,采用計算機模擬分析和系列技術保障措施,合理保障了雨棚鋼結構安裝滿足設計要求。

本文針對某項目遺址現狀,在原有基坑遺址基礎上,綜合考慮建筑形體、功能和施工等要素,遺址的保護鋼結構采用拱+懸挑結構形式跨過遺址區域,以避免施工過程對現有遺址的干擾。針對鋼結構安裝施工,采用MIDAS Gen進行施工過程分析[4-5],并細化鋼結構安裝過程的保護處理措施[6],確保施工過程安全。

1 工程概況

柳孜運河橋梁遺址整體呈方形,平面尺寸約為39.1m×34.9m。遺址基坑底部絕對高程28.950m,四角絕對高程33.790～ 34.600m。遺址基坑內部主要包括邊坡文化層、南北橋墩、石板路等遺存。同時遺址基坑西側有1處宋代河道,上覆玻璃頂棚,如圖1所示。

圖1 遺址現狀Fig. 1 Current status of the site

新建鋼結構大棚采用鋼框架結構(見圖2),地上2層,無地下室。總建筑面積約5 575.20m2,建筑總高度為15.012m,±0.000標高為35.400m。

圖2 鋼結構三維效果Fig.2 Three dimensional effect of steel structures

遺址基坑上方為懸挑45m鋼結構罩棚,原有遺址與新建鋼結構相對位置關系如圖3所示。整體結構落地構件為4根斜柱,全部荷載均通過4根斜柱傳遞給基礎。其中,2根大截面斜柱組成主拱(1 600mm×900mm×60mm方鋼,Q460B材質),另外2根小截面斜柱組成支撐拱(900mm×600mm×35mm方鋼,Q355B材質)。主拱倒向懸挑側后方,并與支撐拱形成完整的受力體系,如圖4～6所示。

圖3 原有遺址與新建鋼結構相對位置關系Fig.3 Relative positional relationship between the original site and the newly constructed steel structure

圖4 鋼結構平面Fig.4 Plan of steel structures

圖5 鋼結構立面Fig.5 Elevation of steel structures

圖6 鋼結構軸測示意Fig.6 Axonometric schematic of steel structures

2 鋼框架施工

2.1 施工方案

為防止施工過程對遺址產生破壞,考慮對現狀遺址基坑進行整體覆蓋保護。利用現有鋼結構大棚,在施工過程中盡量保持現有結構,拆除部分有影響的結構。根據設計鋼結構與現有結構相對位置關系,在施工地基承臺及基礎拉梁前,先拆除北側部分現狀大棚(見圖7a),拆除至現狀遺址基坑邊緣。現狀大棚北側和鋼結構存在沖突,且拆除的部分大棚位于遺址基坑外,拆除后現狀大棚仍可起到防雨作用。同時,鋼結構吊裝過程中,南側一跨大棚出挑1.4m,出挑部分和現狀鋼結構沖突,拆除后現狀大棚仍可起到防雨作用(見圖7b)。局部拆除后,鋼結構吊裝施工各階段均采用散拼吊裝,無需設置腳手架,施工過程不影響原有輕鋼結構大棚。

圖7 現狀大棚拆除Fig.7 Demolition of current greenhouse

結構存在45m跨度超長懸挑,由于無法一次性吊裝到位,施工階段需在懸挑結構合適位置架設臨時支撐,用于安裝主體鋼結構;另一方面由于懸挑結構跨越遺址基坑,出于文物保護的目的,遺址基坑范圍內不允許直接架設臨時支撐。因鋼結構整體較復雜,且需要規避對原有遺址結構的干涉。

1)主斜柱采用地面拼裝、旋轉安裝的施工方法。主斜柱根部約2m段預先安裝,采用剛性柱腳連接。上方其他區域斜柱在傾斜至其端部距離地面約5m位置設置支撐胎架,并在此位置安裝A字形斜柱,旋轉段斜柱底經深化設計后采用豎轉鉸作為活動鉸,滿足斜柱在自重狀態下的旋轉。

2)拼裝完成后,在后方位置設置牽拉錨點,斜柱端部設置張拉端,底部鋼柱腳設置活動轉角。利用前方 1 600t履帶式起重機吊起A柱柱端頂點提起斜柱,通過底部活動鉸進行旋轉。為安全考慮,后方設置鋼絞線進行張拉拉緊,斜柱旋轉過程中由起重機與鋼絞線共同受力,但計算時考慮較為不利狀態,均按照滿載單獨進行選型計算。

3)主斜柱旋轉至設計位置后,斜柱跨中位置設置支撐胎架臨時固定,作業過程中,斜柱牽拉鋼絞線繃緊且不拆除,僅作為防止斜柱傾倒的二次安全保障措施。進行其余2根支撐拱吊裝施工,待斜柱形成穩定體系后,安裝北側拱框架及拉索,然后安裝北側2層樓面、屋面和其他次結構。

4)在主拉桿跨中設置支撐胎架,安裝主拉桿。支撐胎架采用塔式起重機標準節進行安裝,底部設置混凝土淺基礎支撐胎架位于主拉桿1/3位置,并避開現有輕鋼結構保護棚。

5)在南側下掛桁架下方砌筑剛性地坪后,安裝南側下掛桁架。安裝屋面桁架與吊掛拉索并于空中散拼安裝南側主屋面,然后對臨時支撐胎架進行卸載拆除。

2.2 施工過程模擬分析

利用MIDAS Gen有限元分析軟件,對各安裝流程進行受力分析。有限元計算結果如圖8,9所示。

圖8 各施工過程組合變形(單位：mm)Fig.8 Combined deformation of each construction process(unit：mm)

圖9 各施工過程組合應力(單位：MPa)Fig.9 Combined stress of each construction process(unit：MPa)

根據模擬內容,控制關鍵施工節點。在模擬分析中,各環節結構最大組合變形為270.82mm,在北側拱框架及拉索安裝過程中需設置臨時支撐控制框架整體豎向變形;結構整體安裝完成后,自身形成完整受力體系,當進行臨時支撐胎架卸荷后,結構最大變形變化約為16mm,施工作業安全可控。施工作業過程中結構卸載前的最大組合應力為177.17MPa,卸載后局部桿件應力較集中,在施工作業過程中需重點對應力增幅較大桿件進行應力監控。

3 關鍵施工步驟控制

根據施工基本流程,主斜柱采用地面拼裝、旋轉安裝的施工方法。在初始施工位置,斜柱在傾斜至其端部距離地面約5m位置設置支撐胎架,并在此位置安裝A字形斜柱。于后方進行牽拉錨固,通過活動鉸進行旋轉。

模擬吊拉過程中鋼絲繩受力(見圖10),確定起重機及相關構配件選型。根據計算分析,吊拉鋼絲繩最不利狀態下受力約1 012kN。考慮吊臂長度及吊物質量,當工作半徑為65m,起升高度為70m時,1 600t 履帶式起重機起重臂長度約為100m,在(295+60)t配重狀態下可吊裝約280t重物,可滿足鋼柱吊裝作業過程且具有一定安全系數。

圖10 模擬吊拉過程中鋼絲繩受力Fig.10 Simulation of the force on steel wire rope during lifting process

待主斜柱旋轉至設計位置后,模擬在此過程中主斜柱僅通過鋼絞線收緊時的受力狀態,確定鋼絞線受力最不利狀態,如圖11所示。

圖11 模擬斜柱轉體過程中鋼絞線受力Fig.11 Simulation of the force on steel strands during the rotation of inclined columns

卸載懸挑部位臨時支撐胎架,要求支撐裝置與主體結構脫開,但仍保留在原有位置,作為后續安裝過程中的防倒塌安全儲備。拆除2根主拉桿跨中節點后,屋面荷載將轉移到主拱及桁架支點位置,以上區域構件內力增大;屋面跨度變大,撓度增加;主拱及預應力拉梁內力增加。拆除兩側桁架支點后,懸挑屋面僅剩端部桁架支點。拆除端部桁架支點后,懸挑屋面荷載全部由懸挑桁架及拉桿/拉索承擔。由于杠桿作用,支撐拱柱腳由受壓變為受拉狀態。臨時支撐卸載作業需平穩、對稱進行,進行精準控制。

4 結語

針對柳孜運河橋梁遺址拱+懸挑形式鋼結構大棚,進行施工過程分析及施工作業工況的分階段模擬,并得到以下結論。

1)基于現場施工條件,結合鋼結構自身特性,確定各環節下施工過程,通過三維模擬對安裝過程進行了過程化分析,有效指導施工,確保施工作業安全。

2)利用MIDAS Gen軟件對各主要施工過程進行仿真分析,確定各施工作業過程中較為不利位置,確保各階段結構安全及穩定性。

3)通過過程分析確定施工中的設備與材料選型,確保施工安全,提高施工作業效率。