三峽升船機(jī)頂部機(jī)房鋼屋架設(shè)計(jì)與施工

孫昌忠

（中國(guó)葛洲壩集團(tuán)股份有限公司三峽分公司，湖北宜昌 443002）

1 前言

三峽升船機(jī)頂部機(jī)房位于船廂室兩側(cè)塔柱結(jié)構(gòu)的頂端，左、右兩側(cè)對(duì)稱布置。單側(cè)升船機(jī)頂部機(jī)房外輪廓長(zhǎng)為119m，寬為20m，兩側(cè)機(jī)房之間凈距為17.8m。樓面高程為196.00m，吊車梁梁頂高程為208.60m，屋頂女兒墻頂高程為218.85m。屋架采用相貫面鋼管桁架結(jié)構(gòu)形式，屋面板采用鋼板與聚氨酯面板組合的形式。中控室屋面采用網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，屋面板采用鍍鋁鋅夾芯鋼板加鋁鎂錳直立鎖邊板鋪設(shè)。

因升船機(jī)現(xiàn)場(chǎng)施工設(shè)備單一、拼裝布置場(chǎng)地狹小，施工條件受限，鋼屋架安裝難度大，設(shè)計(jì)過程中需充分考慮上述難點(diǎn)，不斷優(yōu)化升船機(jī)頂部機(jī)房鋼屋架的設(shè)計(jì)，為鋼屋架的順利安裝創(chuàng)造條件。同時(shí)，還需要對(duì)鋼屋架的施工方案進(jìn)行深入的研究，確保制定的施工方案能滿足三峽升船機(jī)頂部機(jī)房鋼屋架的安裝要求。

2 鋼屋架的設(shè)計(jì)及施工特點(diǎn)

1）鋼屋架僅依靠現(xiàn)場(chǎng)唯一的建塔作為起吊設(shè)備，起吊質(zhì)量和起吊幅度均受限制，屋架每一構(gòu)件的設(shè)計(jì)需充分考慮以上因素，同時(shí)還需保證屋架結(jié)構(gòu)整體性。

2）本工程采用吊裝的方式，分兩種情況進(jìn)行吊裝，一種是整榀桁架吊裝，另一種是分段吊裝。施工過程中，荷載效應(yīng)分布與整體結(jié)構(gòu)相比有了很大的不同，確保結(jié)構(gòu)在施工階段及正常使用階段的安全性，是需重點(diǎn)研究解決的問題。

3）鋼屋架安裝施工屬于高空作業(yè)，并且具有作業(yè)面多、安裝技術(shù)難度高、施工安全風(fēng)險(xiǎn)大等特點(diǎn)。

4）鋼屋架安裝完成后才可拆除船廂室建塔設(shè)備。受建塔基礎(chǔ)布置影響，部分升船機(jī)平衡重掛裝需在建塔拆除后進(jìn)行施工。屋架安裝施工工期占升船機(jī)工程直線工期，因此需對(duì)網(wǎng)架的快速安裝技術(shù)進(jìn)行研究。

3 鋼屋架設(shè)計(jì)方案研究

3.1 機(jī)房頂部鋼桁架

屋架結(jié)構(gòu)形式為空間桁架體系，沿縱向每個(gè)柱位布置一榀鋼桁架，同時(shí)沿縱向布置H形鋼梁，H形鋼梁與鋼桁架采用螺栓連接，并將6mm樓承板與H形鋼圍焊?？臻g鋼桁架截面為倒三角形鋼桁架，桁架高度為1.6～1.7m，寬度為1.0m，由下弦桿、上弦桿及腹桿組成，桿件均采用鋼管制作。鋼屋架支撐在框架上柱頂部，支座均采用鉸接形式。屋面板采用鋼板與聚氨酯面板組合的形式。屋架結(jié)構(gòu)平面布置如圖1所示。

圖1 屋架結(jié)構(gòu)布置圖（單位：mm，數(shù)字和字母序號(hào)表示相應(yīng)軸）Fig.1 Layoutof roof structure（unit：mm）

3.2 中控室網(wǎng)架

中控室屋面采用網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，屋面頂部高程為202.32m，4個(gè)角部各懸挑1個(gè)小三角塊。網(wǎng)架采用螺栓球節(jié)點(diǎn)正放四角錐的結(jié)構(gòu)體系，為下弦層提供多點(diǎn)支承，網(wǎng)架覆蓋面積為201m2。屋面板采用100mm厚鍍鋁鋅夾芯鋼板與鋁鎂錳直立鎖邊板制作。中控室網(wǎng)架結(jié)構(gòu)平面布置如圖2所示。

圖2 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)平面布置圖（單位：mm，數(shù)字和字母序號(hào)表示相應(yīng)軸）Fig.2 The layoutof the spatialgrid structure（unit：mm）

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)所用桿件規(guī)格主要有?60×3.5、?75.5×3.75、?88.5×4.0、?114×4.0、?140×4.0、?159×6.06等。螺 栓 球 規(guī) 格 為 BS100、BS120、BS150、BS200、BS250等。

3.3 鋼桁架設(shè)計(jì)分析

3.3.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)布置的塔吊起重性能，本工程采用兩種吊裝情形，一種是整榀桁架吊裝，另外一種是分段吊裝。結(jié)合工程結(jié)構(gòu)特點(diǎn)采用了獨(dú)立計(jì)算模型。

設(shè)計(jì)荷載包括結(jié)構(gòu)自重、附加恒荷載、活載、風(fēng)荷載、雪載、溫度作用、地震等，但在施工過程中，風(fēng)載、雪載及溫度地震作用影響較小，故不予考慮，但是考慮到吊裝過程中的動(dòng)力作用，結(jié)構(gòu)自重乘以1.2的動(dòng)力系數(shù)。

3.3.2 計(jì)算結(jié)果

整體吊裝結(jié)果如圖3、圖4所示。計(jì)算結(jié)果為整體吊裝最大位移為0.8 mm。吊裝應(yīng)力最大為8.7 N/mm2。

圖3 整體吊裝位移（最大0.8mm）Fig.3 Integral lifting disp lacement（m aximum 0.8mm）

圖4 整體吊裝應(yīng)力（最大8.7N/mm2）Fig.4 Integralhoisting stress（maximum 8.7N/mm2）

分段吊裝結(jié)果如圖5～圖8所示。計(jì)算結(jié)果表明整個(gè)施工過程中桿件最大應(yīng)力為8.7N/mm2，最大位移為19.2mm，均滿足施工階段結(jié)構(gòu)安全的要求。

圖5 吊裝段1位移（最大19.2mm）Fig.5 Section 1 lifting disp lacement（maximum 19.2mm）

圖6 吊裝段1應(yīng)力（最大2.8N/mm2）Fig.6 Section 1 stress（maximum 2.8N/mm2）

圖7 吊裝段2位移（最大1.3mm）Fig.7 Section 2 lifting disp lacement（maximum 1.3mm）

圖8 吊裝段2應(yīng)力（最大3.4N/mm2）Fig.8 Section 2 stress（maximum 3.4N/mm2）

4 鋼屋架施工方案研究

4.1 施工程序

1）升船機(jī)頂部機(jī)房鋼結(jié)構(gòu)安裝施工總體流程如圖9所示。

圖9 升船機(jī)頂部機(jī)房鋼結(jié)構(gòu)安裝施工總體流程Fig.9 Installation of the overallprocessof ship lift steel structureat the top of the room

2）中控室屋面網(wǎng)架結(jié)構(gòu)安裝施工總體流程如圖10所示。

圖10 中控室屋面網(wǎng)架結(jié)構(gòu)安裝施工總體流程Fig.10 Installation of theoverallprocessof the roof space truss structure central control room

3）安裝方向。升船機(jī)頂部機(jī)房鋼結(jié)構(gòu)先安裝5軸到13軸，然后安裝1軸到4軸。升船機(jī)頂部機(jī)房鋼結(jié)構(gòu)安裝方向如圖11所示。中控室屋面網(wǎng)架由G軸到E軸方向進(jìn)行安裝。中控室屋面網(wǎng)架安裝方向如圖12所示。

圖11 升船機(jī)頂部機(jī)房鋼結(jié)構(gòu)安裝方向Fig.11 Ship lift steelstructure installation direction at the top of the room

圖12 中控室屋面網(wǎng)架安裝方向Fig.12 The roof rack installation direction of the central control room

4.2 施工設(shè)備

本工程現(xiàn)場(chǎng)布置了6臺(tái)起重式塔吊，其中在航槽右側(cè)布置兩臺(tái)C7030型固定式塔機(jī)，在航槽左側(cè)布置兩臺(tái)K40/26型固定式塔機(jī)，在上閘首航槽兩側(cè)高程185.00m處布置兩臺(tái)F0/23B型行走式塔機(jī)。拼裝場(chǎng)地及現(xiàn)場(chǎng)塔吊布置如圖13所示，現(xiàn)場(chǎng)吊裝機(jī)械性能參數(shù)如表1所示。

圖13 拼裝場(chǎng)地及現(xiàn)場(chǎng)塔吊的布置圖Fig.13 Assembly area and site layoutof tower crane

現(xiàn)場(chǎng)布置的1#、2#、3#、4#塔機(jī)吊鉤鉤下高度分別為227.70m、234.20m、228.20m、233.70m，滿足機(jī)房鋼桁架吊裝時(shí)最低鉤下高度為226.85m的要求。升船機(jī)頂部機(jī)房鋼桁架吊裝時(shí)吊鉤高度示意如圖14所示。

表1 現(xiàn)場(chǎng)吊裝機(jī)械性能參數(shù)表Table 1 Site hoistingm achinery performance param eters

圖14 升船機(jī)頂部機(jī)房鋼桁架吊裝時(shí)吊鉤高度示意圖Fig.14 Ship liftat the top of the room when the steel truss hoisting hook heightmap

4.3 安裝方案研究

4.3.1 鋼桁架分段

1）升船機(jī)頂部機(jī)房鋼桁架共有28榀，鋼桁架截面形式為倒三角形鋼桁架，長(zhǎng)度為18.4m，高度為1.6～1.7 m，寬度為1.0 m。ZHJ1質(zhì)量約為9.8 t，ZHJ2、ZHJ2a 質(zhì)量約為9.6 t。

2）根據(jù)塔吊的起重性能，航槽左側(cè)的1、2、3、8、13軸和右側(cè)2、3、8、9、13軸的鋼桁架ZHJ1（共10榀）分兩段進(jìn)行加工、安裝，即在工廠內(nèi)分兩段拼裝完成，然后運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)采用分段吊裝就位、高空對(duì)接的方法進(jìn)行安裝，其余鋼桁架則在工廠內(nèi)整榀拼裝完成，再運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)整榀一次吊裝完成。

3）鋼桁架分段平面布置如圖15所示。

圖15 鋼桁架分段平面布置圖Fig.15 Layoutof steel truss segment

4.3.2 格構(gòu)支撐架的設(shè)置

鋼桁架分段安裝時(shí)，采用格構(gòu)支撐架進(jìn)行臨時(shí)支撐，格構(gòu)支撐架布置如圖16所示。臨時(shí)支撐架采用增加纜風(fēng)繩、設(shè)地錨、增加連墻件等可靠的穩(wěn)定性措施確保其牢固。格構(gòu)支撐架待兩榀鋼桁架之間的H形鋼梁安裝兩三根后再進(jìn)行拆除。

圖16 格構(gòu)支撐架布置示意圖（單位：mm，數(shù)字和字母序號(hào)表示相應(yīng)軸）Fig.16 Layout diagram of lattice brace（nuit：mm）

4.3.3 鋼桁架吊裝方法

1）吊裝前準(zhǔn)備工作。a.布置現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)支撐架，并將纜風(fēng)繩拉設(shè)到位。b.將爬梯、生命線和吊籠等安裝輔助設(shè)施同步制作完成。c.調(diào)試吊裝塔吊使其滿足吊裝要求。

2）升船機(jī)頂部機(jī)房鋼桁架共28榀，航槽左側(cè)的1、2、3、8、13軸和右側(cè)2、3、8、9、13軸的鋼桁架（共10榀）分兩段進(jìn)行吊裝就位、高空對(duì)接安裝，其余鋼桁架則整榀一次吊裝完成。具體吊裝方法及施工要點(diǎn)為：a.每榀（每段）鋼桁架上弦處設(shè)4個(gè)吊點(diǎn)。b.在每榀（每段）鋼桁架吊裝前鋪設(shè)好安全行走通道，以便后續(xù)的H形鋼梁及屋面安裝。通道采用?48鋼管及木跳板鋪設(shè)，鋼管、木跳板必須與桁架上弦桿用鐵絲綁扎牢固并確保安全。c.為保證鋼桁架騰空后基本處于水平狀態(tài)，在鋼桁架兩端用麻繩綁好（為了避免吊起的桁架自由擺動(dòng)），以此牽制溜繩的調(diào)整方向。待構(gòu)件被吊起0.50m高度時(shí)，停止上升后，對(duì)吊裝的設(shè)備、鋼桁架構(gòu)件的吊裝狀態(tài)等各環(huán)節(jié)再進(jìn)行一次檢查，保證安全后方可進(jìn)行提升。d.構(gòu)件到達(dá)安裝位置上空時(shí)，緩慢地下降構(gòu)件，調(diào)整桁架、就位，經(jīng)測(cè)量滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求后，進(jìn)行焊接固定。e.第一吊裝就位后，將桁架的支座與埋件的焊接完成2/3以及纜風(fēng)繩拉好后，將吊鉤松懈。f.將第2段桁架與第1段鋼桁架進(jìn)行高空對(duì)接，主要操作方法為：1）在桁架對(duì)接區(qū)域設(shè)置施工吊籃，便于空中對(duì)接作業(yè)；2）在上弦桿、下弦桿上設(shè)置臨時(shí)連接耳板，桁架吊位就位后用連接板先進(jìn)行固定，然后進(jìn)行焊接；3）將鋼桁架的兩根上弦桿、一根下弦桿焊接完畢并且第2段的支座與埋件焊接完成2/3時(shí)，將吊鉤松卸；4）在臨時(shí)支撐架的頂部設(shè)置機(jī)械千斤頂，用于調(diào)節(jié)桁架標(biāo)高。g.在兩榀鋼桁架之間聯(lián)系的H形鋼梁安裝好后再拆除纜風(fēng)繩，以確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和安全。h.H形鋼梁和油漆涂裝緊跟著鋼桁架安裝。H形鋼梁均采用塔吊進(jìn)行吊裝就位。鋼桁架整榀吊裝、吊索三維示意圖如圖17所示，鋼桁架分段吊裝、吊索三維示意圖如圖18所示，鋼桁架分段吊裝示意圖如圖19所示。

圖17 鋼桁架整榀吊裝、吊索三維示意圖Fig.17 Three-dim ensionaldiagram of thewhole cross steel trusshoisting and sling

圖18 鋼桁架分段吊裝、吊索三維示意圖Fig.18 Three-dimensionaldiagram of steel trusssegm ent hoisting and sling

圖19 鋼桁架分段吊裝示意圖（單位：mm，數(shù)字和字母序號(hào)表示相應(yīng)軸）Fig.19 Schematic diagram of subsection hoisting steel truss（unit：mm）

4.3.4 中控室屋面網(wǎng)架安裝

1）操作排架搭設(shè)。通過在中控室混凝土樓層板上搭設(shè)滿堂操作架進(jìn)行中控室屋面網(wǎng)架的安裝。操作排架搭設(shè)示意圖如圖20所示。

圖20 操作架操作平臺(tái)搭設(shè)示意圖（單位：m）Fig.20 Schematic diagram of erection of frame and operation p latform（unit：m）

排架均采用?48×3.5鋼管搭設(shè)。立桿縱向間距為1.5m，橫向間距為1.5m。水平桿步距為1.7m，在水平桿頂層鋪設(shè)作業(yè)層。頂層構(gòu)造：頂層為網(wǎng)架結(jié)構(gòu)作業(yè)層，頂層水平桿間距不超過400mm，水平桿上方滿鋪安全平網(wǎng)，安全平網(wǎng)上方滿鋪竹片腳手板。操作排架外圍均設(shè)置高度不低于1.2m的欄桿，欄桿上橫桿不少于兩道并且滿掛安全網(wǎng)，同時(shí)，還設(shè)置了高度為200mm的擋腳板。

2）網(wǎng)架安裝。網(wǎng)架安裝的主要流程和方法為：a.采用塔吊將網(wǎng)架材料吊至操作平臺(tái)，并將材料及時(shí)分散，不得集中堆料。b.根據(jù)定位軸線由人工將支座布置在柱頂上，然后再一次用儀器測(cè)定支座位置，準(zhǔn)確后對(duì)支座用螺栓進(jìn)行臨時(shí)定位固定。c.網(wǎng)架從低端開始安裝，先安裝支座，然后安裝下弦一榀網(wǎng)格，然后依次安裝腹桿和上弦桿，邊安裝邊測(cè)量定位，中間有桿件放入困難時(shí)，采用千斤頂微頂網(wǎng)架下弦球調(diào)節(jié)后再將桿件放入。安裝時(shí)墊實(shí)下弦球，確保下弦節(jié)點(diǎn)不發(fā)生位移，同時(shí)邊安裝邊用全站儀對(duì)各控制節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量定位。d.在整個(gè)網(wǎng)架安裝過程中，控制軸線的準(zhǔn)確、高強(qiáng)螺栓的擰緊程度、撓度及幾何尺寸，并隨時(shí)檢查桿件的編號(hào)、損傷、幾何尺寸、螺栓擰緊、撓度等。e.待網(wǎng)架安裝后檢驗(yàn)合格，再進(jìn)行油漆涂裝。

典型螺栓球節(jié)點(diǎn)端部處理示意圖如圖21所示。

4.3.5 屋面板安裝

1）頂部機(jī)房屋面板安裝。頂部機(jī)房屋面板鋪設(shè)順序：6mm厚鋼板（角鋼L50×6.0）→彩鋼板檁條（Z50×50×50×2.5）→100mm厚離心玻璃纖維棉（無紡布）→0.5mm厚HV-900鍍鋅穿孔彩鋼板。

為保證安裝進(jìn)度及安全，利用左、右檢修橋機(jī)下掛0.5mm厚HV-900鍍鋅穿孔彩鋼板和保濕棉進(jìn)行安裝施工，在橋機(jī)上搭設(shè)操作平臺(tái)，操作平臺(tái)與橋機(jī)進(jìn)行拉結(jié)牢固。在操作平臺(tái)上安裝底板，每裝好一區(qū)塊后橋機(jī)向前滑移一次。

圖21 典型螺栓球節(jié)點(diǎn)端部處理示意圖Fig.21 Schematic diagram of typical bolt ball end processing

2）中控室屋面板安裝。中控室屋面板鋪設(shè)順序：檁條（120×16×5）→聚氨脂腹合板→輕鋼主檁條（100×50×3.0）→輕鋼次檁條（C80×40×15×2.5）→鋁鎂錳直立鎖邊板。

5 結(jié)語

三峽升船機(jī)頂部機(jī)房是升船機(jī)工程主體結(jié)構(gòu)的重要組成部分，也是升船機(jī)塔柱結(jié)構(gòu)尾工施工項(xiàng)目之一。機(jī)房鋼屋架的安裝完成，標(biāo)志著升船機(jī)主體結(jié)構(gòu)完成封頂，從而全面轉(zhuǎn)入設(shè)備安裝階段。通過詳細(xì)模擬了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際并結(jié)合三峽升船機(jī)頂部機(jī)房鋼屋架設(shè)計(jì)、安裝要求所提出的的鋼屋架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工方案，解決了三峽升船機(jī)頂部機(jī)房鋼屋架施工過程中設(shè)備單一、拼裝布置場(chǎng)地狹小、施工條件受限、鋼屋架安裝難度大等難題，為后續(xù)升船機(jī)設(shè)備運(yùn)行提供重要保障。該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工方案可為類似工程的鋼屋架設(shè)計(jì)與施工提供有益的參考價(jià)值。