大跨度鋼結(jié)構(gòu)滑移施工中同步控制分析

周慶輝, 肖 龍, 付小敏, 王小瑞, 謝貽東

(1.北京建筑大學(xué) 機(jī)電與車輛工程學(xué)院 北京市建筑安全監(jiān)測(cè)工程技術(shù)研究中心, 北京 100044；2.北京市機(jī)械施工有限公司， 北京 100045)

某大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工，跨度達(dá)到了202.2 m，在國(guó)內(nèi)也屬于首例[ 1]. 由于鋼結(jié)構(gòu)跨度太大，結(jié)構(gòu)體型非常重，整體滑移施工尤其困難. 目前我國(guó)針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)滑移方面尚未制訂統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，許多工程依靠實(shí)際經(jīng)驗(yàn)[2]，缺少理論分析和評(píng)價(jià)，因而科學(xué)性不足.

監(jiān)控整個(gè)滑移過(guò)程中的關(guān)鍵構(gòu)件的應(yīng)力、滑移的同步性，是避免構(gòu)件破壞乃至整體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的主要方法，一直成為有關(guān)學(xué)者和施工單位的重點(diǎn)研究課題[2-5]. 然而，由于施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜多樣，每個(gè)工程均不相同；結(jié)構(gòu)形狀差別較大，尺寸各異；滑移的工藝方法也各有特點(diǎn)，現(xiàn)在還沒(méi)有統(tǒng)一的監(jiān)測(cè)方法，也沒(méi)有一致的監(jiān)測(cè)參數(shù)，從而給監(jiān)測(cè)方案的制定帶來(lái)了困難.

為了解決這個(gè)難題，就需要從理論分析出發(fā)，抽象滑移單元，建立數(shù)學(xué)分析模型，找出滑移施工中的共性問(wèn)題. 本文針對(duì)該實(shí)際工程案例，對(duì)整體滑移進(jìn)行了理論分析，建立了滑移單元偏移力學(xué)模型，分析了導(dǎo)致滑移單元不同步的主要參數(shù)，設(shè)計(jì)出了合理的累計(jì)滑移施工方案，保證了施工安全和施工質(zhì)量.

1 工程概況

圖1為某大跨度鋼結(jié)構(gòu)圖，采用膜結(jié)構(gòu)鋼桁架，斷面軸線尺寸202.2 m，長(zhǎng)度286 m，上部桁架上弦管芯高度52 m，最大外延跨度可達(dá)208.6 m. 結(jié)構(gòu)共有7榀主桁架. 鋼結(jié)構(gòu)每跨桁架支座支承在柱頂上，采用兩端鉸支的拱桁架，主桁架為倒梯形立體桁架，桁架寬度6 m. 為減小拱腳推力，在桁架下弦設(shè)置預(yù)應(yīng)力鋼索，鋼索標(biāo)高33 m. 整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)屋蓋的長(zhǎng)度、寬度都非常大，由于現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地條件限制，因此采用滑移施工方案.

2 滑移施工方案

按照桁架結(jié)構(gòu)布置特點(diǎn)及滑移施工工藝的要求，桁架滑移施工擬采取“整體累計(jì)滑移”的施工工藝，即：第1跨與第2跨拼接好后整體向前滑移到指定位置，第3跨與第2跨拼裝完成后，再將前三跨整體向前推，以此類推，到第7跨時(shí)整體滑移重量達(dá)到1 750 t.

利用“液壓同步頂推滑移”系統(tǒng)將拼裝完成的滑移區(qū)主、次桁架等結(jié)構(gòu)拼裝成整體并整體滑移到設(shè)計(jì)位置. 桁架結(jié)構(gòu)滑移施工共設(shè)置2組通長(zhǎng)滑移軌道，分別設(shè)置于結(jié)構(gòu)的A軸和B軸線. 滑軌及頂推點(diǎn)布置如圖2所示.

液壓同步頂推滑移技術(shù)采用液壓頂推器作為滑移驅(qū)動(dòng)設(shè)備. 液壓頂推器采用組合式設(shè)計(jì)，后部以頂緊裝置與滑道連接，前部通過(guò)銷軸及連接耳板與被推移結(jié)構(gòu)連接，中間利用主液壓缸產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)頂推力.

2.1 滑移施工中的關(guān)鍵問(wèn)題

由于鋼結(jié)構(gòu)跨度大，結(jié)構(gòu)體型重，滑移過(guò)程中，若牽引力不均勻或者滑移位置不同步，將會(huì)導(dǎo)致滑移單元偏扭；而且由于頂推位置處于主桁架的底部，其頂推力會(huì)造成主桁架上部節(jié)點(diǎn)的附加彎矩，不利于主桁架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定. 若滑移軌道不平，還會(huì)引起滑移單元在動(dòng)荷載下的振動(dòng)和桿件的附加內(nèi)力.

為了確?；七^(guò)程中主桁架的穩(wěn)定性，有效地監(jiān)測(cè)滑移狀態(tài)，必須解決以下主要問(wèn)題：

1)如何建立滑移單元偏移的簡(jiǎn)化模型，分析牽引力不平衡對(duì)同步問(wèn)題的影響，從而合理控制牽引力.

2)由于主桁架為張弦拱形桁架，桁架不僅有豎向壓力，而且存在向外的水平壓力，如何確定拉索的預(yù)應(yīng)力，減少水平壓力？

3)應(yīng)確定哪些監(jiān)測(cè)參數(shù)才能保證在滑移施工中結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及安全性？

2.2 滑移施工中導(dǎo)致不同步的影響因素

2.2.1 滑移單元偏移

對(duì)于各種類型的滑移結(jié)構(gòu)現(xiàn)根據(jù)其對(duì)軌道是否產(chǎn)生水平側(cè)推力來(lái)將其分為無(wú)平反力模型和有水平推力模型兩類[3]. 本文屬于后者，把滑移單元作為一個(gè)超級(jí)單元. 由于滑移單元在兩側(cè)軌道上滑行時(shí)，位移不同步導(dǎo)致滑移單元存在偏移，從而發(fā)生滑移單元整體偏轉(zhuǎn). 滑移單元發(fā)生極限偏移(即卡住時(shí))的相互關(guān)系如圖3所示. 假設(shè)a為滑移軌道與滑移導(dǎo)向輪之間的允許偏差距離,θ為結(jié)構(gòu)極限傾角，即結(jié)構(gòu)卡住時(shí)產(chǎn)生的偏側(cè)角度.l為跨度，b為寬度.

則位移不同步值u：

u=lsinθ

根據(jù)圖中的幾何關(guān)系，可以得到：

結(jié)構(gòu)偏移極限傾角θ與空間滑移結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)l/b,a/b相關(guān).

可以得到k,t與u之間的關(guān)系：

由于鋼結(jié)構(gòu)的跨度l值固定，跨度b隨著施工過(guò)程不斷增加，本案例中每跨寬度為35 m，為了保持結(jié)構(gòu)偏移極限傾角基本一致，分別分析a為0.03 m，0.05 m和0.07 m時(shí)跨度b與不同步值u之間的關(guān)系圖. 從圖4中可以看出：隨著跨數(shù)的增加，也就是b的值越來(lái)越大，則位移不同步值u將會(huì)減少，不易實(shí)現(xiàn)同步滑移. 因此應(yīng)該加強(qiáng)滑移過(guò)程的同步性監(jiān)測(cè)，盡量保證滑移過(guò)程中不同步值. 在文獻(xiàn)[2]中建議不同步值不超過(guò)30 cm，并指出其他文獻(xiàn)中強(qiáng)調(diào)的不同步位移差值不超過(guò)30 mm過(guò)于簡(jiǎn)單武斷，不同步位移差限值的取值范圍應(yīng)考慮被滑移結(jié)構(gòu)的跨度和結(jié)構(gòu)本身的剛度，這與本文理論分析是一致的.

2.2.2 牽引力的影響

鋼結(jié)構(gòu)在正常滑移過(guò)程中，除了承受豎向方向的自重荷載、支座反力以外，還承受頂推器的牽引力F1，F(xiàn)2、滑靴與支座之間的摩擦力f以及不同步位移產(chǎn)生的內(nèi)力等. 如果牽引力F1，F(xiàn)2不均勻，則會(huì)造成滑移時(shí)位移不同步產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加力矩M. 如圖5所示表示附加力矩簡(jiǎn)化分析的模型，R表示兩側(cè)導(dǎo)軌外產(chǎn)生的水平推力.

圖5中虛線表示鋼結(jié)構(gòu)在正常無(wú)偏差滑移時(shí)所處的位置,實(shí)線表示鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生了偏扭后的位置. 根據(jù)兩牽引點(diǎn)不均勻力以及發(fā)生偏轉(zhuǎn)后的位移不同步之間的關(guān)系推導(dǎo)結(jié)構(gòu)附加力矩的計(jì)算公式[3]：

由于：

式中：μ1，μ2分別為左右兩側(cè)導(dǎo)軌上的滑動(dòng)摩擦系數(shù). 力矩的不平衡主要是來(lái)自于牽引力的不均勻和滑移中的位置變化，其力矩方程為：

代入可得：

附加力矩M不僅與牽引力的差值、滑動(dòng)摩擦系數(shù)以及自身重量有關(guān)，還與鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)跨度和寬度有關(guān). 牽引力差值產(chǎn)生的附加力矩M，將與水平推力R形成平衡力矩，即M=Rb，其與牽引力差值的關(guān)系如圖6所示.

從圖6中可以看出，隨著牽引力的不均勻差值ΔF越來(lái)越大，水平推力R也越來(lái)越大，也就是增加了支座的壓力，給同步滑移帶來(lái)了困難. 另一方面，在滑移過(guò)程中需要對(duì)水平推力進(jìn)行監(jiān)控，水平推力可以反映出同步狀態(tài).

2.3 索預(yù)應(yīng)力的確定

由于鋼結(jié)構(gòu)在滑移過(guò)程中工況復(fù)雜，如啟動(dòng)、制動(dòng)、卡軌、振動(dòng)等工況均會(huì)導(dǎo)致各點(diǎn)的應(yīng)力不斷變化，勢(shì)必會(huì)影響到結(jié)構(gòu)內(nèi)部，造成桿件或部位受到附加力. 對(duì)于其中每榀主桁架，還承受副桁架、檁條、連系梁及支撐的作用，主桁架屬于空間受力狀態(tài). 為了保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，大跨度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的常采用張弦結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)體系，索預(yù)緊力可以改善上弦構(gòu)件的受力性能，減小上弦構(gòu)件在荷載態(tài)下的彎矩；還可以防止結(jié)構(gòu)使用周期內(nèi)，風(fēng)載參與作用的工況下，拉索松弛而退出工作.

如圖7所示，零狀態(tài)下，給索施加預(yù)應(yīng)力的水平分量為H1，結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生向上的撓度w(x)，梁截面的軸力水平分量為H2、剪力為V，彎矩方程為M(x)，豎向撐桿作用效果可視為分布力r(x)，結(jié)構(gòu)自重可視為豎向均布荷載. 索的彈性模量為E1，梁的彈性模量為E2，慣性矩為I2.

對(duì)索施加預(yù)應(yīng)力后，結(jié)構(gòu)的幾何形態(tài)應(yīng)符合建筑外形的要求，假定索和梁的目標(biāo)幾何函數(shù)為拋物線方程，在圖7所示坐標(biāo)系下，張弦梁的支座邊界條件可得[6]：

從公式可以看出，預(yù)應(yīng)力態(tài)下，張弦梁的彎矩分布，主要與垂度f(wàn)1,矢高f2、結(jié)構(gòu)自重、預(yù)應(yīng)力值有關(guān). 根據(jù)工程需要，確定了彎矩和撓度，就可以得到索的預(yù)應(yīng)力值.

3 監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 滑軌及支座結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)

減少摩擦系數(shù)，可以減少因牽引力不均勻帶來(lái)的附加力矩. 因此滑軌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，將原滑動(dòng)摩擦形式改進(jìn)為滾動(dòng)摩擦，用30號(hào)圓鋼做成滾軸. 為了保證軌道接觸面受力均勻，支座與導(dǎo)軌之間增加了箱梁結(jié)構(gòu). 水平導(dǎo)軌用焊接連接，焊縫打磨光滑平整，并涂抹黃油，以保證充分的潤(rùn)滑. 控制左右兩邊水平導(dǎo)軌的平行度. 在側(cè)向滑軌方面，采用導(dǎo)向輪與側(cè)向?qū)к壗佑|方式，兩個(gè)導(dǎo)向輪固定在專用支架上，均勻布置在支架兩端，導(dǎo)向輪起到導(dǎo)向作用，支架用以抵抗水平推力，如圖8(a)所示. 在支承軌道及其基礎(chǔ)方面，鋪設(shè)2條滑移支承軌道, 以保持滑移時(shí)結(jié)構(gòu)頂部標(biāo)高正確, 確保滑移結(jié)構(gòu)安全. 為防止滑移中自重壓偏箱梁，先澆筑60 cm厚的混凝土基礎(chǔ)、再配以特制鋼箱梁作為整個(gè)屋面的承載平臺(tái)，同時(shí)每隔1.5 m左右就搭設(shè)一根圓形鋼管構(gòu)成斜支撐體系，確保軌道的直線度，如圖8(b)所示.

3.2 主要監(jiān)測(cè)參數(shù)的確定

根據(jù)理論分析，可以確定出主要監(jiān)測(cè)參數(shù).

3.2.1 頂推點(diǎn)位移同步監(jiān)測(cè)

在整體滑移過(guò)程中，各頂推點(diǎn)位移同步是工程施工的控制重點(diǎn). 若頂推點(diǎn)位移不同步，會(huì)造成滑移單元偏轉(zhuǎn)，滑移單元在滑移中發(fā)生卡軌，停滯等現(xiàn)象，對(duì)系統(tǒng)造成沖擊，引起振動(dòng)變形. 而且現(xiàn)場(chǎng)突發(fā)狀況，也可以通過(guò)滑移支座的位移量反映出來(lái).

3.2.2 跨中撓度的監(jiān)測(cè)

結(jié)構(gòu)在滑移過(guò)程中，頂推力作用于縱向水平方向，若左右同步滑移，對(duì)跨中撓度影響不大. 由于桁架結(jié)構(gòu)屬于空間受力狀態(tài)，滑移若不同步，在平面外會(huì)產(chǎn)生彎曲變形或扭轉(zhuǎn)變形等. 而且滑移施工情況復(fù)雜，各種原因產(chǎn)生振動(dòng)，會(huì)使得主桁架剪切變形或翹曲變形，對(duì)跨中撓度造成變化. 因此需要檢測(cè)跨中撓度，以判斷滑移中主桁架結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài). 監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)單榀跨中下弦測(cè)點(diǎn)位置，根據(jù)在施工過(guò)程中高差變化，計(jì)算測(cè)點(diǎn)撓度的變化.

3.2.3 水平推力的監(jiān)測(cè)

水平推力可以反映同步狀態(tài)，如牽引力差值引起的不同步. 而且在實(shí)際施工中，根據(jù)大跨度空間結(jié)構(gòu)的受力特性，豎向荷載作用下也將產(chǎn)生很大的水平推力，這將使支座下設(shè)置的導(dǎo)向輪與側(cè)向?qū)к墘壕o，產(chǎn)生很大的摩擦阻力，給長(zhǎng)距離的滑移帶來(lái)困難. 為了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水平推力，在導(dǎo)向輪支架上，貼上電阻應(yīng)變片，增加一套應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng).

3.2.4 索張拉力的監(jiān)測(cè)

累積滑移施工中，各軸索之間相互作用，在不同施工階段也相互影響，索張拉力難以控制. 適當(dāng)增加索的張拉力，可以減少結(jié)構(gòu)的水平推力，從而減弱結(jié)構(gòu)對(duì)側(cè)向?qū)к壍膲毫?，以減小摩擦力. 如果索張拉力達(dá)到一定值，可以使導(dǎo)向輪基本脫離側(cè)向?qū)к? 同時(shí)索張拉力可以保證滑移階段的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性. 各軸索的張拉原則是盡量減小支座的水平推力，最好控制在水平推力為零；各軸索按照滑移順序逐根張拉，滑移到位之后，再將各軸索力分級(jí)調(diào)整到設(shè)計(jì)值.

5 結(jié)論

1)為保證滑移的同步性，各頂推點(diǎn)的同步滑移問(wèn)題是工程施工的控制重點(diǎn)，頂推點(diǎn)的滑移同步性能，可以避免滑移單元的偏轉(zhuǎn)狀態(tài)，也可以反映整個(gè)結(jié)構(gòu)在累積滑移施工中的整體變形，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)觀測(cè)記錄能夠?qū)κ┕みM(jìn)行控制，對(duì)于可能出現(xiàn)的突發(fā)狀況也能通過(guò)頂推點(diǎn)的滑移量進(jìn)行預(yù)知.

2)整體滑移中，監(jiān)測(cè)水平推力同等重要. 在以往的工程實(shí)踐中，更多的關(guān)注于內(nèi)力桿件的應(yīng)力變化，忽略了水平推力的變化. 水平推力可以反映同步狀態(tài).

3)改進(jìn)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，改善結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以提高同步控制性能. 如：改進(jìn)支座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高滑軌滑靴的接觸狀態(tài)，嚴(yán)格控制滑軌的平面度和直線度等.