大跨度鋼桁架帶柱累積滑移施工技術(shù)研究

高并強(qiáng)

(中鐵十二局集團(tuán)建筑安裝工程有限公司，山西太原 030024)

滑移法是用于大跨度、超重量鋼結(jié)構(gòu)的一種新興施工工藝，它具有操作靈活、安全可靠、節(jié)約設(shè)備及機(jī)具投入、占用施工場(chǎng)地小、縮短工期等特點(diǎn)。滑移法施工主要由滑移軌道、臨時(shí)支撐胎架、滑移動(dòng)力裝置組成，目前使用最廣泛的滑移施工方法為液壓爬行器頂推式滑移。近年來(lái)，滑移法在“鳥巢”體育館、上海世博會(huì)主題館及大型機(jī)場(chǎng)航站樓已得到廣泛應(yīng)用，滑移施工技術(shù)已日臻成熟。但滑移施工技術(shù)主要限于平面內(nèi)滑移或滑移單元重心不高的施工工況，對(duì)于大跨、高位重心的工況滑移尚無(wú)成熟的施工經(jīng)驗(yàn)，本文主要研究鋼屋蓋帶柱滑移施工技術(shù)在濟(jì)南西站站房Ⅱ區(qū)鋼屋蓋施工中的應(yīng)用。

1 工程概況及難點(diǎn)

濟(jì)南西站位于濟(jì)南總體規(guī)劃中主城區(qū)的西部臘山新區(qū)的西客站片區(qū);北到小清河，南到臘山河北路，東到二環(huán)西路，西到京福高速公路。濟(jì)南西站站房由站房Ⅰ區(qū)、站房Ⅱ區(qū)組成，總建筑面積99786 m2。

站房Ⅱ區(qū)主體結(jié)構(gòu)體系豎向采用鋼管混凝土柱，水平方向采用預(yù)應(yīng)力混凝土梁板+型鋼混凝土梁板的混合結(jié)構(gòu)?；局W(wǎng)為21.5 m ×24 m 和 21.5 m ×17.5 m，屋面主體結(jié)構(gòu)采用鋼管柱+空間變截面倒三角形管桁架結(jié)構(gòu)。其屋面體系鋼管柱均由地下通廊相應(yīng)部位的鋼管混凝土框架柱變徑后延伸至樓面，屋面模型圖如圖1所示。

圖1 站房Ⅱ 區(qū)屋蓋模型圖

站房Ⅱ區(qū)鋼結(jié)構(gòu)屋蓋分為A，B，C三個(gè)區(qū)。A區(qū)寬116.4 m，長(zhǎng)99 m;B 區(qū)寬116.4 m，長(zhǎng)77.5 m;C 區(qū)寬107 m，長(zhǎng)25 m。其中A區(qū)和B區(qū)結(jié)構(gòu)間有300 mm的間隙。A，B區(qū)為空間變截面倒三角管桁架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)頂標(biāo)高為+41.600 m，分別有5榀和4榀主桁架。主桁架長(zhǎng)約116 m，寬2.5 m，高從2.5 m到4.5 m漸變，單榀桁架重約100 t，C區(qū)屋蓋為平面鋼架，跨度分別為24 m，59 m，上部鋼梁，系桿、支撐采用的截面有H型鋼，方管和圓管。

鋼結(jié)構(gòu)屋蓋主次桁架間相貫焊接，型鋼梁及斜撐等附屬桿件多采用螺栓連接，其中主桁架及型鋼梁，弧形梁等桿件均為弧形。屋蓋鋼結(jié)構(gòu)總重約3000 t，鋼材材質(zhì)均為Q345B。由于屋蓋施工時(shí)正線已經(jīng)鋪通并進(jìn)行鋪架運(yùn)輸，站臺(tái)和雨棚也處于緊張施工階段，采用吊裝法將與其他工作存在嚴(yán)重的施工干擾;高空滑移法雖然需要大量的臨時(shí)措施，由于施工工期短，且與土建可交叉施工，于是選擇了鋼屋蓋帶柱累積滑移施工。

2 鋼屋蓋帶柱累積滑移施工

2.1 滑移系統(tǒng)布置

站房Ⅱ區(qū)鋼屋蓋帶柱滑移的滑移軌道采用50 kg/m型標(biāo)準(zhǔn)鐵軌，共設(shè)置四條，分別位于Ⅱ-9，Ⅱ-10，Ⅱ-13，Ⅱ-14軸，每條軌道位于軸線正中位置，軌道與滑移鋼梁之間的連接采用鋼壓板形式連接，間距500 mm，每組軌道上根據(jù)滑移支座的布置及其對(duì)應(yīng)的理論反力值，配置滿足同步頂推滑移頂推力的液壓爬行器，以保證滑移過(guò)程中鋼結(jié)構(gòu)屋蓋的穩(wěn)定和安全。

2.2 軌道梁布置

利用現(xiàn)有高架層Ⅱ-9，Ⅱ-10，Ⅱ-13，Ⅱ-14軸線混凝土梁作為軌道梁，在混凝土梁架設(shè)型鋼，型鋼上焊接固定滑移軌道。軌道布置平、立面圖如圖2，圖3所示。

圖2 滑移軌道平面布置圖

由于鋼柱分段點(diǎn)高出樓板面1.2 m，針對(duì)這個(gè)高差，我們采用在軌道下設(shè)型鋼梁的方式，型鋼面與鋼柱上表面齊平，型鋼截面選擇□1200×700×25×30，保證軌道鋪設(shè)后軌道面標(biāo)高平滑一致，如圖4，圖5所示。

通過(guò)型鋼梁調(diào)整，軌道可直接通長(zhǎng)布置，滑移過(guò)程中不用停頓。型鋼梁在使用的過(guò)程中，除軌道壓板等少量焊接操作外，嚴(yán)禁在型鋼梁上動(dòng)火、焊接，其與鋼柱、混凝土梁上預(yù)埋件的連接均采用安裝螺栓、卡碼等連接方式，如圖6所示。

圖3 滑移軌道布置立面圖

圖4 軌道布置立面圖

圖5 A—A剖視圖

圖6 型鋼梁卡碼示意圖

為避免滑移時(shí)屋蓋產(chǎn)生側(cè)移，在上節(jié)柱柱底板下焊接限位板，限位板規(guī)格為100×80×20，間距略大于軌道面寬，如圖7所示。

圖7 柱底限位板示意圖

2.3 拼裝胎架布置

本工程高空拼裝平臺(tái)，承擔(dān)了高空桁架對(duì)接拼裝，散件安裝時(shí)人員停留的功能，需綜合考慮屋架的跨度、屋架高度和自重進(jìn)行設(shè)計(jì)。屋蓋結(jié)構(gòu)主桁架間距最大為21.5 m;中間設(shè)計(jì)6道次桁架，其中4道在軸線位置，其余2道在跨中布置;次桁架間連接有型鋼梁。主桁架寬2.5 m，高從2 m到4 m漸變，重量近80 t，是滑移單元高空拼裝的最主要內(nèi)容。根據(jù)結(jié)構(gòu)這些特點(diǎn)，操作平臺(tái)采用分列布置的格構(gòu)式型鋼柱作為主要承重構(gòu)件，下面拉設(shè)安全網(wǎng)，做好安全圍護(hù)工作。

操作平臺(tái)內(nèi)側(cè)支撐架落在高架候車樓樓面上，標(biāo)高為17.310 m，外側(cè)支撐架落在軌道層樓板上，標(biāo)高為5.350 m，其在17.310 m標(biāo)高通過(guò)水平撐與樓板連接。支撐架均頂在桁架下弦，則操作平臺(tái)格構(gòu)式柱大致高度有10 m，18 m，28 m，35 m等多種規(guī)格。操作平臺(tái)整體平立面布置圖如圖8所示。

2.4 施工流程

濟(jì)南西站站房Ⅱ區(qū)鋼屋蓋帶柱累積滑移施工流程如下:1)在高架西端搭設(shè)滑移、拼裝胎架，桁架及屋蓋在拼裝胎架上組裝成吊裝單元，在滑移胎架上組拼滑移單元;2)安裝布置軌道梁、鋪設(shè)滑移軌道;3)鋼結(jié)構(gòu)帶柱滑移;4)鋼結(jié)構(gòu)帶柱累積滑移;5)卸載。

圖8 操作平臺(tái)立面圖

3 帶柱滑移關(guān)鍵技術(shù)

3.1 質(zhì)量控制

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》及《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，單層鋼柱的垂直度允許偏差應(yīng)小于h/1000，且不應(yīng)大于10.0;結(jié)構(gòu)體系的撓度不應(yīng)大于L/500。否則，將對(duì)原屋面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。

屋蓋變形主要表現(xiàn)為下?lián)虾蛷较蚧瑒?dòng)，在滑移和卸載過(guò)程中，兩者是相關(guān)聯(lián)的，合理的徑向限位既能降低對(duì)滑道產(chǎn)生的側(cè)向推力，又能減少桁架的下?lián)?。下?lián)献冃伪O(jiān)測(cè)通過(guò)監(jiān)測(cè)桁架關(guān)鍵點(diǎn)標(biāo)高變化來(lái)實(shí)現(xiàn)，利用儀器直接觀測(cè)桁架關(guān)鍵點(diǎn)標(biāo)高。

本工程中間跨度大，四周懸挑，卸載及滑移過(guò)程中，在桁架跨中及兩端各設(shè)置一觀測(cè)點(diǎn)用于結(jié)構(gòu)的變形觀測(cè)。

滑移施工通過(guò)采用全站儀對(duì)結(jié)構(gòu)體系滑移前、滑移中、卸載后進(jìn)行測(cè)量，結(jié)構(gòu)體系變形值均在規(guī)范允許范圍內(nèi)。

3.2 滑移單元的抗傾覆設(shè)計(jì)

滑移單元由桁架、屋面檁條、鋼管柱組成，滑移單元的高度最高為24 m，最低為16 m，桁架最大跨度為59 m，其幾何中心與重心不重合，而且重量主要集中在上部，重心位置較高，滑移過(guò)程中易傾覆，在滑移過(guò)程中減小滑移加速度，變形縫處的桁架單元與其前一滑移單元通過(guò)桿件連接，滑移到位后，再斷開連接。經(jīng)ANSYS有限元建模分析，滑移過(guò)程中滑移單元未發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象。

3.3 帶柱滑移單元的邊界條件設(shè)計(jì)

滑移單元下部的鋼管柱原與地下通廊相應(yīng)部位鋼柱變徑延伸至樓板的鋼管柱連為一體，為了屋蓋滑移將鋼管柱距樓板高度1.2 m處斷開，滑移單元的鋼管柱底端為自由端，即改變了原設(shè)計(jì)空間桁架體系的邊界條件。在整個(gè)滑移行進(jìn)過(guò)程中，結(jié)構(gòu)體系處于一種可動(dòng)的狀態(tài)，為了確?；七^(guò)程中結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定性，對(duì)滑移單元進(jìn)行加固，使滑移單元為一剛體，末端約束屋面結(jié)構(gòu)與滑移軌道接觸的部位除了由滑移軌道提供豎直方向的約束，并沒(méi)有其他約束，即柱腳僅施加Z向約束，X，Y方向釋放。經(jīng)過(guò)ANSYS有限元結(jié)構(gòu)分析軟件對(duì)各滑移單元進(jìn)行施工狀態(tài)計(jì)算分析，確定各滑移單元撓度分布、軌道豎向反力、結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布等設(shè)計(jì)參數(shù)均在規(guī)范允許范圍之內(nèi)。

3.4 帶柱滑移的同步控制技術(shù)

帶柱滑移施工采用液壓同步滑移技術(shù)，該技術(shù)采用電腦控制，通過(guò)數(shù)據(jù)反饋和控制指令傳遞，可全自動(dòng)實(shí)現(xiàn)同步動(dòng)作、姿態(tài)矯正、負(fù)載均衡、應(yīng)力控制、操作閉鎖、過(guò)程顯示和故障報(bào)警等多種功能，其驅(qū)動(dòng)設(shè)備采用組合式液壓爬行器，液壓爬行器一端以楔形夾塊與滑移軌道連接，另一端以鉸接點(diǎn)形式與滑移胎架或構(gòu)件剛性連接，中間利用液壓油缸驅(qū)動(dòng)爬行。此設(shè)備可拋棄反力架，省去了反力點(diǎn)的加固問(wèn)題，省時(shí)省力。但由于楔形夾塊與滑移軌道連接時(shí)，采用摩擦力緊鎖，各個(gè)爬行器的楔形夾塊與滑移軌道的摩擦面不同、緊鎖時(shí)間的誤差，導(dǎo)致同步滑移中仍有偏差，從而使滑移單元產(chǎn)生較大的變形。經(jīng)滑移中采用計(jì)算機(jī)同步控制和人工測(cè)量控制，滑移中結(jié)構(gòu)體系的變形均在控制之內(nèi)。

3.5 各種工況下的模擬計(jì)算

為了確?；七^(guò)程中結(jié)構(gòu)體系的安全，采用有限元軟件對(duì)滑移及卸載狀態(tài)下的工況進(jìn)行模擬計(jì)算，找出最不利狀態(tài)，進(jìn)行加固處理。

4 結(jié)語(yǔ)

濟(jì)南西站站房Ⅱ區(qū)鋼屋蓋成功的應(yīng)用了高位重心帶柱累積滑移施工技術(shù)，不但成功克服了滑移單元重心高、易傾覆的難點(diǎn)，而且保證了滑移單元的各控制點(diǎn)的同步性，安裝的各項(xiàng)指標(biāo)非常理想，不但得到了建設(shè)單位的認(rèn)可，而且得到了業(yè)內(nèi)專家的好評(píng)。以其工藝的技術(shù)合理性，操作簡(jiǎn)易性，安全可靠性，就位的高精度性，取得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，為今后我國(guó)大型鋼結(jié)構(gòu)屋架的安裝施工提供了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

［1］蔣國(guó)明.大跨空間鋼結(jié)構(gòu)累積旋轉(zhuǎn)滑移施工技術(shù)［J］.鋼結(jié)構(gòu)，2009，24(8)：69-74.

［2］中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì).建筑鋼結(jié)構(gòu)施工手冊(cè)［M］.北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2001.