南京南站大跨度屋蓋網(wǎng)架高空滑移施工技術(shù)

郭玉坤

(上海鐵路局建設(shè)管理處,上海 200070)

南京南站是京滬高速鐵路五大客運(yùn)樞紐站之一,站房采用“建橋合一”的設(shè)計(jì)理念,具有“綠色節(jié)能”、“零換乘”等特點(diǎn)?？驼究偨ㄖ娣e38.7萬(wàn)m2,其中主站房建筑面積28.1萬(wàn)m2。站房屋蓋結(jié)構(gòu)為兩向正交正放網(wǎng)架結(jié)構(gòu),造型為周邊低中間高。網(wǎng)架南北向長(zhǎng)度為456 m,東西向最大寬度為216 m,網(wǎng)架結(jié)構(gòu)面積約9.4萬(wàn)m2。屋蓋網(wǎng)架結(jié)構(gòu)最低點(diǎn)高度為41.2 m,四周懸挑于柱外,最大懸挑距離達(dá)30 m,鋼構(gòu)件總數(shù)量2.4萬(wàn)件,總質(zhì)量約0.8萬(wàn)t。

1 方案比選

通過(guò)鋼網(wǎng)架各種施工方法的綜合對(duì)比分析(表1),在安裝體量巨大、工期要求緊張、交叉作業(yè)頻繁、施工場(chǎng)地受限較多的現(xiàn)場(chǎng)條件下,高空滑移法安裝方案最切合實(shí)際,成為本工程屋蓋網(wǎng)架安裝的選定方案。

2 安裝思路

按照盡量避免相互交叉作業(yè)、或交叉作業(yè)互相影響較小,減少網(wǎng)架結(jié)構(gòu)二次作業(yè)的原則,確定網(wǎng)架安裝總體思路：確定屋蓋單元?jiǎng)澐帧钤O(shè)兩端高空拼裝平臺(tái)和滑移軌道→吊運(yùn)網(wǎng)架桿件材料→按單元拼裝網(wǎng)架→分單元滑移就位→兩端單元散裝。

兼顧結(jié)構(gòu)受力合理、工作量均衡、便于組織拼裝和滑移等方面因素,屋蓋網(wǎng)架劃分為11個(gè)單元(圖1),中間9榀為滑移單元,南北兩端為拼裝平臺(tái)及高空滑移軌道支撐相結(jié)合的作業(yè)平臺(tái)(滑移階段作為高空拼裝焊接平臺(tái),滑移結(jié)束后作為高空散裝平臺(tái))。因網(wǎng)架單元跨度較大,經(jīng)核算,在滑移區(qū)域設(shè)置4條高空滑移軌道,對(duì)應(yīng)于1、3、6、8軸線位置,間距為42、72、42 m。

滑移安裝總體順序?yàn)椋篠1→S2(N1)→S3(N2)→S4(N3)→S5(N4)→S6(N5),為盡早提供下部空間施工工作面,經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)優(yōu)化方案,滑移單元由一端向另一端漸次滑移安裝方法,順序?yàn)镾5→S4→S3→S2→S1→N1→N2→N3→N4→N5,現(xiàn)場(chǎng)滑移施工見(jiàn)圖2。

表1 鋼網(wǎng)架施工方法綜合比較分析

圖1 滑移單元和散裝區(qū)域劃分

圖2 屋蓋網(wǎng)架滑移施工

滑移步驟如下：

第1步：在拼裝胎架上組裝第1個(gè)滑移單元,在每條軌道的網(wǎng)架支座處安裝液壓爬行機(jī)器人,調(diào)試正常后啟動(dòng)泵源系統(tǒng)；

第2步：滑移單元滑移至設(shè)計(jì)位置,就位后進(jìn)行支點(diǎn)轉(zhuǎn)換,準(zhǔn)備卸載工作；

第3步：使用倒鏈分別將4條軌道上的爬行機(jī)器人牽引回退至網(wǎng)架拼接平臺(tái)；

第4步：使用相同的工序,完成其他滑移單元安裝,網(wǎng)架單元滑移見(jiàn)圖3；

第5步：滑移設(shè)施(軌道、爬行機(jī)器人等)拆除。

圖3 網(wǎng)架單元滑移

3 滑移設(shè)施

網(wǎng)架高空滑移設(shè)施安裝是滑移施工的前提條件,滑移設(shè)施主要包括支撐、鋼梁、軌道、滑靴、高空拼裝平臺(tái)。網(wǎng)架滑移施工中產(chǎn)生的荷載通過(guò)軌道傳遞至鋼梁、支撐,最后傳遞至位于支撐架下方的桁架層結(jié)構(gòu)上,滑移設(shè)施連接布置如圖4所示。

圖4 滑移設(shè)施連接示意

支撐架布置在4條滑移軌道下方,間距約5 m,相鄰支撐架之間布置2層水平支撐以及聯(lián)系斜拉桿。支撐架與水平支撐、拉桿組成了一個(gè)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu),共同承擔(dān)網(wǎng)架滑移施工中產(chǎn)生的豎向荷載、沿軌道方向荷載及垂直軌道橫向荷載?；其摿轰佋O(shè)于支撐架上,用于固定和支撐滑移軌道,并傳遞滑移應(yīng)力至支撐結(jié)構(gòu)?；栖壍冷佋O(shè)于滑移鋼梁上方,在整個(gè)水平滑移中起承重導(dǎo)向和徑向限制網(wǎng)架水平位移的作用,采用軌道壓板壓緊并焊接固定。軌道間隙采用焊接連接,焊縫打磨光滑。選用了分片滑靴板組合滑移方式,滑靴板組利用網(wǎng)架支座底板進(jìn)行定位,安裝在軌道上進(jìn)行滑移,在軌道兩側(cè)滑移底板上設(shè)置側(cè)向擋板,限制網(wǎng)架結(jié)構(gòu)水平位移,擋板與軌道兩側(cè)留有一定的側(cè)向間隙,摩擦結(jié)合面設(shè)置低摩擦系數(shù)的高強(qiáng)度四氟乙烯滑片。

4 滑移設(shè)備

爬行機(jī)器人作為網(wǎng)架滑移單元的推進(jìn)裝置,與傳統(tǒng)的卷?yè)P(yáng)機(jī)鋼絲繩牽引或千斤頂推進(jìn)不同,數(shù)字液壓同步爬行機(jī)器人滑移過(guò)程中的推進(jìn)力及推進(jìn)速度完全可測(cè)和可控(位移精度0.01 mm,500 kN的出力時(shí)穩(wěn)態(tài)誤差小于0.2%)。根據(jù)摩擦力及推進(jìn)力計(jì)算結(jié)果,本工程選用的是新研制的CSCEC-1000型數(shù)字液壓同步爬行機(jī)器人(圖5),該爬行機(jī)器人體積小、自重輕、承載能力大,自動(dòng)化程度高,操作方便靈活,安全可靠性好,就位準(zhǔn)確性高,在狹小空間大體量構(gòu)件的滑移安裝中具有突出的優(yōu)勢(shì)。

圖5 數(shù)字液壓同步爬行機(jī)器人

爬行機(jī)器人一端為夾緊裝置,以楔形夾塊與滑移軌道連接,作為反力支撐點(diǎn),另一端以鉸接形式與網(wǎng)架頂推球節(jié)點(diǎn)連接,中間利用液壓油缸的伸、縮缸來(lái)推進(jìn)或牽引構(gòu)件水平滑移,滑移過(guò)程如圖6所示：鎖緊器鎖緊→數(shù)字液壓缸推出→判斷是否達(dá)到給定位移,鎖緊器松開(kāi)→數(shù)字液壓缸回縮,判定是否回縮至給定位移?；仆七M(jìn)從形態(tài)上可分為4個(gè)步驟,形成一個(gè)完整的循環(huán),如圖7所示。

圖6 滑移過(guò)程示意

圖7 爬行機(jī)器人推進(jìn)步驟

5 技術(shù)特點(diǎn)

(1)采用了ANSYS和MIDAS GEN有限元計(jì)算分析軟件對(duì)網(wǎng)架滑移施工工況進(jìn)行仿真對(duì)比分析。仿真分析是技術(shù)、安全、質(zhì)量前饋控制的重要手段,是滑移施工的前提工作,為實(shí)際網(wǎng)架滑移施工提供了理論指導(dǎo)。主要包括：屋蓋網(wǎng)架滑移單元支座選擇分析、滑移啟動(dòng)前最不利工況分析、屋蓋網(wǎng)架滑移施工支撐系統(tǒng)計(jì)算、候車層桁架在移動(dòng)吊車荷載作用下的計(jì)算、高空拼裝平臺(tái)設(shè)計(jì)分析計(jì)算、屋蓋網(wǎng)架安裝及拆撐過(guò)程模擬、頂推點(diǎn)球節(jié)點(diǎn)承載力驗(yàn)算、屋蓋網(wǎng)架分塊拼裝后脫架頂升計(jì)算和屋蓋網(wǎng)架脫架過(guò)程釋放滑移支座處側(cè)向力計(jì)算。

(2)采用了總線分布式控制技術(shù)?？偩€分布式控制技術(shù)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)各組爬行機(jī)器人系統(tǒng)的互聯(lián)互通和智能協(xié)調(diào)工作,為實(shí)現(xiàn)爬行機(jī)器人的同步推進(jìn)提供了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)保障。由于屋蓋網(wǎng)架結(jié)構(gòu)尺寸很大,滑移軌道相距較遠(yuǎn),為避免爬行機(jī)器人在推拉過(guò)程中造成網(wǎng)架局部受力過(guò)于集中和過(guò)大變形,采用了總線分布式自動(dòng)化控制技術(shù)。在4條滑移軌道上多點(diǎn)布設(shè)爬行機(jī)器人(圖8),各個(gè)數(shù)字液壓缸的控制系統(tǒng)放置在本地,稱為子控制器,通過(guò)網(wǎng)線將主控制器(控制計(jì)算機(jī)處)與各個(gè)點(diǎn)的子控制器串聯(lián)連接,命令信號(hào)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)總線發(fā)送,同時(shí)將各個(gè)數(shù)字液壓缸的當(dāng)前狀態(tài)實(shí)時(shí)反饋到控制計(jì)算機(jī)上。

圖8 爬行機(jī)器人布置

(3)采用了數(shù)字液壓缸力閉環(huán)和位移閉環(huán)雙重控制技術(shù)。爬行機(jī)器人數(shù)字液壓缸的控制模式可以是力閉環(huán)控制也可以是位移閉環(huán)控制,位移閉環(huán)控制可以確保液壓缸的同步性,在位移閉環(huán)控制下同時(shí)采用數(shù)字液壓缸的力傳感器進(jìn)行監(jiān)控,監(jiān)測(cè)各個(gè)滑移位置的出力,設(shè)定相應(yīng)的力保護(hù)限制,如果出現(xiàn)推力異?；虺迍t系統(tǒng)自動(dòng)停機(jī),計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可以調(diào)整位移、力等參數(shù),可以實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)數(shù)字液壓缸的單獨(dú)控制。力閉環(huán)和位移閉環(huán)雙重控制技術(shù)的使用,即保障了施工安全,又使各個(gè)滑移位置嚴(yán)格保持了同步。

(4)采用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警技術(shù)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中通過(guò)數(shù)據(jù)接口,可以接入屋蓋上安裝的各個(gè)傳感器信號(hào),滑移過(guò)程中各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移、應(yīng)力等參數(shù)可以在計(jì)算機(jī)上實(shí)時(shí)顯示,自動(dòng)記錄并保存到文件中,當(dāng)屋蓋結(jié)構(gòu)的狀態(tài)出現(xiàn)危險(xiǎn)狀況時(shí),系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警并停止滑移工作。自動(dòng)報(bào)警技術(shù)的使用,對(duì)保障施工安全起到了重要要用。

(5)采用了監(jiān)控量測(cè)手段。屋蓋網(wǎng)架的滑移、拼接、支座就位等環(huán)節(jié)會(huì)發(fā)生網(wǎng)架桿件內(nèi)力重分布,屋蓋網(wǎng)架及支撐體系過(guò)于復(fù)雜,有限元軟件模擬計(jì)算具有一定的簡(jiǎn)化性,計(jì)算考慮的溫度同實(shí)際溫度之間也存在差異,這些差異會(huì)影響到網(wǎng)架各單元安裝精度,而且還直接影響到結(jié)構(gòu)安全。因此,對(duì)整個(gè)施工過(guò)程中關(guān)鍵部位桿件應(yīng)力和變形、屋蓋網(wǎng)架的實(shí)際溫度場(chǎng)、滑移瞬間的加速度、滑移軌道鋼梁的側(cè)向變形進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并采取糾偏措施。測(cè)量工作主要包括：支撐系統(tǒng)測(cè)量控制、拼裝測(cè)量控制、滑移變形測(cè)量、就位與卸載測(cè)量控制、網(wǎng)架合龍測(cè)量控制、撓度變形測(cè)量與定期復(fù)測(cè),網(wǎng)架滑移變形測(cè)量、合龍測(cè)量與撓度變形測(cè)量是本工程測(cè)量工作的重點(diǎn)。

網(wǎng)架測(cè)量的難點(diǎn)主要為：平面控制網(wǎng)與高程控制網(wǎng)設(shè)置在施工區(qū)域四周,土方開(kāi)挖、地基沉降會(huì)使控制點(diǎn)產(chǎn)生位移,嚴(yán)重影響一級(jí)控制網(wǎng)精度；站房多專業(yè)交叉施工,測(cè)量精度要求各不相同,易在不同工種的交界面中積累誤差；網(wǎng)架安裝高度高、跨度大,測(cè)量精度控制難度較大。施工過(guò)程中,按照分級(jí)布網(wǎng)、逐級(jí)控制的原則,實(shí)行全過(guò)程跟蹤監(jiān)測(cè),使網(wǎng)架測(cè)量定位與變形監(jiān)測(cè)取得了成功。以撓度測(cè)量為例,網(wǎng)架拼裝完成撓度設(shè)計(jì)值與實(shí)測(cè)值數(shù)據(jù)如表2所示，網(wǎng)架拼裝完成時(shí)撓度設(shè)計(jì)值范圍為2～80 mm,實(shí)測(cè)撓度值范圍為3～89 mm,所測(cè)量數(shù)據(jù)均沒(méi)有超過(guò)設(shè)計(jì)值的1.15倍,符合規(guī)范及設(shè)計(jì)要求。

6 注意事項(xiàng)

(1)注意做好滑移機(jī)器人調(diào)試和檢測(cè)工作。數(shù)字液壓滑移系統(tǒng)由多套傳感器、鎖緊器、控制器組成,數(shù)字液壓滑移系統(tǒng)加工完成后,需在車間模擬現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)試和檢測(cè),檢測(cè)最大位移、最大力、控制軟件各項(xiàng)功能、控制精度、同步性等各項(xiàng)指標(biāo),達(dá)到設(shè)計(jì)要求后再運(yùn)往施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)一步安裝調(diào)試。

(2)滑移施工前注意做好各項(xiàng)檢查工作。泵站與爬行機(jī)器人間油管連接、控制線及傳感器等的連接、泵站閥門(mén)和接頭、溢流閥的調(diào)壓彈簧、手動(dòng)操作按鈕、液壓泵、爬行機(jī)器人油缸、夾緊裝置等工作是否正常；滑移梁與柱頭的焊接、滑移軌道和鋼梁之間是否墊實(shí)壓緊；軌道打磨、黃油涂抹是否到位,軌道旁障礙物是否清理完畢等是檢查工作的重點(diǎn)。

表2 網(wǎng)架拼裝完成撓度設(shè)計(jì)值與實(shí)測(cè)值數(shù)據(jù) mm

(3)滑移啟動(dòng)時(shí),要先進(jìn)行預(yù)加載,調(diào)節(jié)一定的壓力(2～3 MPa),使楔形夾塊處于基本相同的鎖緊狀態(tài),開(kāi)始推進(jìn)屋蓋滑移,按照最初所需壓力的40%、60%、80%、100%分步加壓并檢查設(shè)備狀態(tài)。滑移單元產(chǎn)生位移后,暫?；?全面檢查爬行機(jī)器人夾緊裝置、滑移軌道及桁架受力變化情況,在一切正常的情況下方可繼續(xù)滑移。

(4)實(shí)施滑移時(shí),要根據(jù)設(shè)計(jì)滑移荷載預(yù)先設(shè)定好泵源壓力值,由此控制爬行機(jī)器人最大輸出推力,保證整個(gè)滑移設(shè)施的安全?；七^(guò)程中注意檢查軌道橫向擋塊,發(fā)生橫向水平力時(shí)應(yīng)停止滑移,進(jìn)行問(wèn)題排查。

(5)滑移單元脫架宜采用頂升整體脫架方式,注意要在千斤頂上部設(shè)置移動(dòng)底座,預(yù)留適當(dāng)?shù)囊苿?dòng)間隙,釋放因自重下?lián)袭a(chǎn)生的水平推力。各滑移單元滑移到位后,同樣采用整體頂升工藝,將滑移單元脫離軌道,拆除柱頂軌道,安裝鉸支座,釋放千斤頂,將網(wǎng)架單元整體下放,保證結(jié)構(gòu)整體高程一致。

(6)以往工程中滑移軌道故障較多,主要原因是軌道墊板間距過(guò)大,滑移鋼梁之間間隙太大,造成滑移過(guò)程中軌道斷裂,另外軌道鋪設(shè)直線度太差,會(huì)造成構(gòu)件擋板與軌道嚴(yán)重摩擦,影響爬行機(jī)器人對(duì)軌道的夾緊,因此,軌道鋪設(shè)時(shí)要加以注意,嚴(yán)格把關(guān)。

7 結(jié)語(yǔ)

網(wǎng)架高空滑移法的實(shí)施解決了該工程施工場(chǎng)地受限問(wèn)題,避免了使用大型吊機(jī),避免了大量高空焊接作業(yè),確保了焊接和拼接質(zhì)量,確保了長(zhǎng)大懸挑構(gòu)件安裝安全,節(jié)約了施工工期。南京南站屋蓋網(wǎng)架滑移施工取得成功的關(guān)鍵是，預(yù)先對(duì)滑移工況進(jìn)行仿真分析、合理劃分網(wǎng)架滑移單元、科學(xué)設(shè)置滑移軌道、選擇先進(jìn)的液壓滑移設(shè)備、做好摩擦與加速度等試驗(yàn)、采用先進(jìn)的技術(shù)和信息手段,控制好滑移的同步性、網(wǎng)架撓度和拼接精度。滑移施工過(guò)程中,新型數(shù)字液壓同步爬行機(jī)器人推進(jìn)裝置、多軌道激光無(wú)線同步測(cè)距系統(tǒng)以及高仿真結(jié)構(gòu)性能計(jì)算、數(shù)控液壓同步控制技術(shù)、無(wú)線應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)技術(shù)等高端先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用,為確保施工過(guò)程中各功能單元鋼構(gòu)件的安全和施工質(zhì)量提供了有力支撐和保證。

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