千噸級(jí)屋面鋼網(wǎng)架整體提升技術(shù)

吳 寧，王火華，宋佩永，吳偉名

（中建三局集團(tuán)有限公司 武漢 430064）

1 工程概況

廣東省粵東某機(jī)場(chǎng)航站區(qū)擴(kuò)建工程航站樓鋼結(jié)構(gòu)分布在國(guó)內(nèi)航站樓（以下簡(jiǎn)稱為國(guó)內(nèi)）與國(guó)際候機(jī)指廊（以下簡(jiǎn)稱為國(guó)際），主要由1～3 層小鋼屋、屋蓋鋼網(wǎng)架組成。本工程主要施工對(duì)象為27 000 m2的異型雙層雙曲面屋面網(wǎng)架，屋蓋鋼網(wǎng)架主要構(gòu)件形式為圓管和焊接球，圓管截面為P88.5×4～P351×22 mm不等，圓管桿件共計(jì)46 272 根；焊接球規(guī)格為WSR3012～WSR6528 不等，焊接球共計(jì)6 107 個(gè)。鋼結(jié)構(gòu)主要材質(zhì)為Q355B，總用鋼量約為2 600 t。網(wǎng)架高度最高處23.9 m，最大跨度37.8 m，網(wǎng)架分區(qū)提升單塊最大重量約935 t。國(guó)內(nèi)分成GA、GB、GC、GD 四個(gè)區(qū)域進(jìn)行施工，提升后合攏，國(guó)際單獨(dú)為GE區(qū)，如圖1所示。

圖1 屋面網(wǎng)架分區(qū)Fig.1 Partition of Roof Truss

因?yàn)楸竟こ虨樵谟脭U(kuò)建工程，全過程不停航施工，夜間不能動(dòng)火作業(yè)，不論是夜間施工時(shí)間受限，還是管線無破損遷改，都給施工帶來很大困難和挑戰(zhàn)。不停航施工的另一個(gè)要點(diǎn)是不能有任何漂浮物進(jìn)入飛行區(qū)，F(xiàn)OD 防范至關(guān)重要。該工程航站樓距離飛行區(qū)僅有十多米和一鋼絲網(wǎng)墻之隔，所以在施工過程中不能有漂浮物處于自由的狀態(tài)，且機(jī)場(chǎng)所在城市臨海，受臺(tái)風(fēng)影響較大，每天都必須有專人進(jìn)行巡查和清理施工中出現(xiàn)的漂浮物，以確保飛行區(qū)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

2 策劃部署

⑴對(duì)于網(wǎng)架連接的選型，從節(jié)點(diǎn)構(gòu)造要求來說，焊接空心球節(jié)點(diǎn)適合于各類網(wǎng)架結(jié)構(gòu)形式和網(wǎng)架規(guī)范允許的各類開間跨度，螺栓球節(jié)點(diǎn)本身自重大，適用范圍小，所以相對(duì)來說采用焊接空心球節(jié)點(diǎn)更合適［1］。故該工程采用焊接空心球網(wǎng)架。

⑵屋面網(wǎng)架施工內(nèi)容主要分為預(yù)埋件安裝、網(wǎng)架支座安裝、網(wǎng)架拼裝、網(wǎng)架提升、網(wǎng)架卸載、防腐防火涂料施工等。鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架共分5 個(gè)提升區(qū)域，A 區(qū)提升網(wǎng)架規(guī)格156.2 m×57.3 m×3.8 m，B 區(qū)提升網(wǎng)架規(guī)格87.1 m×58.4 m×3.8 m，C 區(qū)提升網(wǎng)架規(guī)格70.3 m×26.7 m×3.8 m，D 區(qū)提升網(wǎng)架規(guī)格123.9 m×105.2 m×3.8 m，E 區(qū)提升網(wǎng)架規(guī)格72.0 m×30.0 m×3.8 m，網(wǎng)架最大就位高度約23.9 m，網(wǎng)架支座標(biāo)高為10.3～16.9 m。根據(jù)大量類似工程的成功安裝經(jīng)驗(yàn)，本工程鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)采用“超大型液壓同步提升施工技術(shù)”進(jìn)行安裝。

施工工藝流程為：深化設(shè)計(jì)、原材料采購(gòu)、材料復(fù)檢?構(gòu)件制作（按施工順序）?施工準(zhǔn)備、預(yù)埋件安裝、構(gòu)件運(yùn)輸（按施工順序）?各區(qū)網(wǎng)架樓板面拼裝（按施工順序）?馬道與主檁條安裝?支座、支托安裝?提升架安裝?分區(qū)提升到預(yù)定高度?網(wǎng)架合攏?結(jié)構(gòu)最終提升、就位?網(wǎng)架卸載?補(bǔ)裝提升架處構(gòu)件?油漆補(bǔ)涂?清理、驗(yàn)收。

網(wǎng)架的拼裝施工緊密的與土建施工結(jié)合，為盡可能節(jié)省工期，部署專門班組配合土建進(jìn)行混凝土獨(dú)立柱埋件的施工。為確保網(wǎng)架焊接質(zhì)量，減少整改、搶抓工期，項(xiàng)目通過焊接考試優(yōu)選焊接工藝精湛的焊工，整體效果提升明顯。

3 千噸級(jí)屋面鋼網(wǎng)架整體提升技術(shù)

整體提升法是將結(jié)構(gòu)在地面投影位置進(jìn)行整體拼裝完成以后，通過臨時(shí)胎架或者結(jié)構(gòu)柱上的提升平臺(tái)，利用液壓千斤頂、鋼絞線等起重設(shè)備將結(jié)構(gòu)提升至設(shè)計(jì)位置的一種施工安裝方法［2］。我國(guó)對(duì)整體提升施工技術(shù)的研究相對(duì)較晚，直到20 世紀(jì)90 年代才開始進(jìn)行，比國(guó)外晚了30 年左右。但進(jìn)入21 世紀(jì)以來，隨著我國(guó)建筑業(yè)的興起，高空間、大跨度的需求不斷加大，鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)逐步得到發(fā)展，到現(xiàn)在已經(jīng)有一套比較完整的施工技術(shù)。網(wǎng)架整體提升技術(shù)重在控制結(jié)構(gòu)桿件和節(jié)點(diǎn)的受力，在結(jié)構(gòu)受力合理、結(jié)構(gòu)變形在合理范圍內(nèi)進(jìn)行施工。

施工力學(xué)的基礎(chǔ)是時(shí)變結(jié)構(gòu)力學(xué)，在分析過程中不但要將結(jié)構(gòu)自身的變化考慮進(jìn)去，還需要注意到結(jié)構(gòu)成型過程中不同施工階段附加物（如臨時(shí)桿件、臨時(shí)胎架等）的變化及由此對(duì)整體結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的的影響。在施工過程中結(jié)構(gòu)所受的作用力不單單只是構(gòu)件的自重，還要將施工荷載也考慮進(jìn)去，構(gòu)件內(nèi)力和位移受到很多因素的影響，其在施工過程中不斷發(fā)生變化。分析求解施工力學(xué)問題通常是利用數(shù)值方法進(jìn)行，其中最主要的方法是有限元分析方法［3］。該工程采用了MIDAS 有限元分析軟件對(duì)鋼網(wǎng)架的施工過程進(jìn)行了模擬。

3.1 測(cè)量與監(jiān)測(cè)

因?yàn)樵摴こ探ㄖ锏奈蓓斒强臻g網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)和構(gòu)件都不規(guī)則，所以每個(gè)節(jié)點(diǎn)位置的精確測(cè)量定位難度相當(dāng)大，因此在工程施工中需采用三維空間坐標(biāo)來確定節(jié)點(diǎn)的位置，三維空間坐標(biāo)即節(jié)點(diǎn)的X、Y、Z坐標(biāo)，考慮到節(jié)點(diǎn)和構(gòu)件的不規(guī)則及測(cè)量定位工作的難度，確保施工質(zhì)量和工期，將采用高精度全站儀對(duì)每個(gè)支座節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量定位，測(cè)量定位監(jiān)測(cè)點(diǎn)如圖2所示。

圖2 焊接球定位監(jiān)測(cè)點(diǎn)Fig.2 Welding Ball Positioning Monitoring Points

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方面考慮分為平面位置監(jiān)測(cè)和標(biāo)高監(jiān)測(cè)，工程中采用全站儀進(jìn)行水平及豎向變形檢測(cè)，水準(zhǔn)儀進(jìn)行豎向變形檢測(cè)。主要包括網(wǎng)架地面拼裝、提升到結(jié)構(gòu)對(duì)接補(bǔ)裝。

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)：GB 50205—2020》和《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程：JGJ 7—2010》規(guī)定，撓度檢查數(shù)量為跨度24 m 以上鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)測(cè)量下弦中央一點(diǎn)及各向下弦跨度的四等分點(diǎn)［4］。為保證結(jié)構(gòu)施工監(jiān)測(cè)的連續(xù)性和有效性，在對(duì)施工仿真驗(yàn)算和施工圖紙的基礎(chǔ)上，由專業(yè)的第三方監(jiān)測(cè)單位對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)全過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3.2 網(wǎng)架拼裝

本工程網(wǎng)架厚度大，為更好地對(duì)上弦桿件進(jìn)行拼裝，采取搭設(shè)一個(gè)可移動(dòng)式簡(jiǎn)易操作架進(jìn)行焊接與校正作業(yè)的措施，這對(duì)于安全保障是一個(gè)很好的舉措。對(duì)于下弦球的支撐則用100 mm×4 mm 圓管搭配槽鋼拼裝的支撐胎架，支撐胎架可以接長(zhǎng)靈活處理，作為周轉(zhuǎn)使用的措施材料，很大程度上節(jié)約了施工措施資源，符合環(huán)境保護(hù)理念。經(jīng)邁達(dá)斯軟件計(jì)算，支撐胎架最大應(yīng)力比為0.45＜1，滿足安全使用要求［5］。拼裝的流程為：

⑴球定位線（臨時(shí)支座安裝完成后將上層球及上層球的中心線放樣至地面，作為拼裝下層及上層球的控制線）；

⑵球?qū)蔷€尺寸檢查；

⑶拼裝上層球；

⑷利用地面控制線復(fù)核上層球位置，同時(shí)利用鋼尺復(fù)核上層球的高度h，如圖3所示；

圖3 拼裝過程位置核對(duì)Fig.3 Position Check for Assembly Process

⑸采用同樣方法拼裝球并利用地面控制線復(fù)核球的中心線，同時(shí)利用鋼尺復(fù)核球的高度。

D 區(qū)網(wǎng)架拼裝時(shí)最為困難，此處屋面網(wǎng)架覆蓋到現(xiàn)有航站樓的進(jìn)出高架橋，在此處施工需占據(jù)高架橋部分行車道，且高架橋下方是人行道，為不影響航站樓正常運(yùn)行和過路行人的安全，必須對(duì)道路進(jìn)行圍蔽和交通疏導(dǎo)。D區(qū)網(wǎng)架實(shí)拍如圖4所示。

圖4 D區(qū)網(wǎng)架實(shí)拍Fig.4 D Area Grid Real Shot

D 區(qū)靠高架橋處也是網(wǎng)架起拱最大、上下弦高差最大的地方，現(xiàn)有胎架根本無法滿足此高度的網(wǎng)架支撐。經(jīng)項(xiàng)目研究及軟件模擬決定，先將胎架所能支撐范圍內(nèi)的網(wǎng)架拼裝完成，網(wǎng)架矢高最大處無法拼裝部分留到最后，在相關(guān)安全措施做到位后采取網(wǎng)架預(yù)提升拼裝，利用正式提升的設(shè)備將網(wǎng)架提升到一定的高度，當(dāng)滿足施工焊接要求后將剩余網(wǎng)架拼裝完成。

充分利用高架橋橋面離網(wǎng)架高差小的優(yōu)勢(shì)，將高空作業(yè)降低為“地面”作業(yè)，最后再將整個(gè)D 區(qū)網(wǎng)架一次性提升到位。此種方法能有效節(jié)省措施費(fèi)，減少施工成本，一定程度上節(jié)省了工期，但對(duì)安全保障措施方面的要求相對(duì)較高［6］。

3.3 提升設(shè)備及吊點(diǎn)布置

提升吊點(diǎn)的布置與屋面的結(jié)構(gòu)形式相關(guān)，主樓區(qū)因面積大且成方形，故中間需布置支柱及吊點(diǎn)，GA、GB、GC及GE為指廊區(qū)，其結(jié)構(gòu)形式為長(zhǎng)條形的指廊，吊點(diǎn)隨兩側(cè)混凝土支柱布置［7］。經(jīng)邁達(dá)斯有限元軟件計(jì)算，本工程提升吊點(diǎn)設(shè)置如表1所示。

表1 提升吊點(diǎn)布置Tab.1 Layout of Lifting Points

該工程配置提升設(shè)備，主要配置TLJ-2000 型液壓提升器和TLJ-600 型提升器，液壓提升器安裝在提升平臺(tái)上，提升平臺(tái)再焊接到混凝土柱的埋件上，從而能將網(wǎng)架提升到柱頂支座。TLJ-2000 型液壓提升器額定提升能力為200 t，最多可配置12 根鋼絞線，TLJ-600 型液壓提升器額定提升能力為60 t，最多可配置4根鋼絞線，鋼絞線規(guī)格為1×7-17.8 mm，如圖5、圖6所示。

圖5 提升平臺(tái)Fig.5 Promotion Platform

圖6 提升吊點(diǎn)Fig.6 Lifting Point

3.4 動(dòng)力提升系統(tǒng)

動(dòng)力系統(tǒng)由泵源液壓系統(tǒng)（為提升器提供液壓動(dòng)力，在各種液壓閥的控制下完成相應(yīng)的動(dòng)作）及電氣控制系統(tǒng)（動(dòng)力控制系統(tǒng)、功率驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等）組成。每臺(tái)泵站有2個(gè)獨(dú)立工作的單泵，每個(gè)單泵最多可驅(qū)動(dòng)4臺(tái)提升器作業(yè)。

本工程采用的是TL-HPS-60 型液壓泵源系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)采用的是TLC-1.3 型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)是新一代液壓同步控制系統(tǒng)，由計(jì)算機(jī)、動(dòng)力源模塊、測(cè)量反饋模塊、傳感模塊和相應(yīng)的配套軟件組成，通過CAN 串行通信協(xié)議組建局域網(wǎng)［8］，如圖7 所示。它是建立在反饋原理基礎(chǔ)之上的閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過高精度傳感器不斷采集設(shè)備的壓力和位移信息，從而確保油缸能順利工作。

圖7 國(guó)際區(qū)網(wǎng)架提升計(jì)算機(jī)操控Fig.7 Computer Control of Grid Lifting in International Area

3.5 驗(yàn)收與提升

⑴采用地面拼裝一次性整體提升法施工，從而使絕大部分拼裝焊接工作都在地面進(jìn)行，不僅減少了腳手架的用量，而且降低了高空作業(yè)和安全管理的難度，施工過程的質(zhì)量檢查管控更加便利，驗(yàn)收難度較高空也大大降低［9］。另外，采用在地面拼裝可形成流水作業(yè)，對(duì)鋼網(wǎng)架拼裝進(jìn)度非常有利，同時(shí)便于安裝過程中安裝精度的管控。提升前主要驗(yàn)收以下幾個(gè)方面：

①通過焊縫探傷實(shí)驗(yàn)對(duì)網(wǎng)架焊縫進(jìn)行抽檢，確保焊接質(zhì)量達(dá)到《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范：GB 50661—2011》要求的標(biāo)準(zhǔn)。

②檢查防火防腐涂料涂抹是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。防火防腐的質(zhì)量關(guān)系到結(jié)構(gòu)的使用壽命，所以如何進(jìn)行防火防腐尤為關(guān)鍵。首先表面處理非常重要，同一種油漆，同一種腐蝕環(huán)境，使用拋噴射除銹較手工除銹漆膜壽命可延長(zhǎng)3～5 倍。其次涂料的共同工作機(jī)制也至關(guān)重要，本工程網(wǎng)架共涂抹4層涂料，依次是涂膜鍍鋅底漆、環(huán)氧樹脂封閉漆、環(huán)氧云鐵中間漆、丙烯酸改性聚硅氧烷面漆。各層油漆均有其特性，各負(fù)其責(zé)，幾層組合起來，形成復(fù)合涂層，提高防腐性能，延長(zhǎng)使用壽命［1］。在對(duì)上述2 個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化施工后，防火防腐效果可得到進(jìn)一步提升。

③檢查安全措施是否全部做足且到位。

④檢查提升裝置設(shè)備以及應(yīng)急物資準(zhǔn)備。

⑵網(wǎng)架的提升過程如圖8所示。

圖8 網(wǎng)架的提升過程Fig.8 The Lifting Process of the Grid

第一步：在拼裝胎架上拼裝網(wǎng)架，安裝提升平臺(tái)，放置提升器，提升器通過鋼絞線與下吊點(diǎn)連接（網(wǎng)架提升時(shí)一端在網(wǎng)架4 個(gè)角下弦球節(jié)點(diǎn)位置拉設(shè)纜風(fēng)繩，纜風(fēng)繩另一端綁在混凝土柱上，隨網(wǎng)架提升收緊纜風(fēng)繩，防止網(wǎng)架提升傾覆）。

第二步：網(wǎng)架全部拼裝完成后，提升器分級(jí)加載，使網(wǎng)架整體脫離拼裝胎架約100 mm，停止提升。液壓缸鎖緊，網(wǎng)架靜置至少12 h，檢查網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、臨時(shí)桿件、提升吊點(diǎn)和提升平架等結(jié)構(gòu)有無異常情況。

第三步：檢查無誤后，整體同步提升網(wǎng)架。

第四步：整體同步提升網(wǎng)架至設(shè)計(jì)標(biāo)高處，提升器微調(diào)作業(yè)，網(wǎng)架精確就位。液壓缸鎖緊，安裝后補(bǔ)桿件。

第五步：拆除提升平臺(tái)、提升器、臨時(shí)桿件與攬風(fēng)繩，網(wǎng)架卸載。

3.6 卸載補(bǔ)桿

卸載時(shí)仍使用計(jì)算機(jī)控制液壓提升器同步卸載，按5 個(gè)“整體提升區(qū)”分別單獨(dú)進(jìn)行卸載。每個(gè)“整體提升區(qū)”內(nèi)的所有吊點(diǎn)同時(shí)同步一起卸載，但卸載之前需要將提升點(diǎn)附近的后補(bǔ)桿件安裝到位，卸載過程中監(jiān)控各提升吊點(diǎn)荷載值及回降高度等數(shù)據(jù)。

每個(gè)“整體提升區(qū)”內(nèi)的卸載流程為：?jiǎn)蝹€(gè)整體提升區(qū)網(wǎng)架整體提升到位?補(bǔ)裝提升點(diǎn)附近的后補(bǔ)桿件→區(qū)塊內(nèi)所有吊點(diǎn)同時(shí)同步卸載?單個(gè)分區(qū)網(wǎng)架完成就位。

各個(gè)分區(qū)提升到位后，補(bǔ)裝相臨分區(qū)的后補(bǔ)桿件，整個(gè)網(wǎng)架施工完成。

4 結(jié)語

廣東省粵東某機(jī)場(chǎng)航站區(qū)擴(kuò)建工程航站樓屋面網(wǎng)架采用液壓整體提升技術(shù)施工，屋面網(wǎng)架在地面進(jìn)行拼裝，利用胎架作為臨時(shí)支座，將全部網(wǎng)架在地面拼裝到位，涂抹防火防腐涂料，利用液壓提升機(jī)一次性整體提升到位［10］，最后嵌補(bǔ)支座處桿件，等各區(qū)全部提升到位后，再嵌補(bǔ)各區(qū)之間的桿件，從而整個(gè)網(wǎng)架全面拼裝完成。

此方法將各區(qū)的網(wǎng)架拼裝作業(yè)從高空轉(zhuǎn)移至地面，減少了安全隱患，加快了拼裝速度，為工程節(jié)省了工期［11］。減少了搭設(shè)操作架的成本，同時(shí)提高了焊接拼裝的質(zhì)量，讓整體質(zhì)量管控更加便捷。為大型鋼網(wǎng)架屋面施工解決了安裝難的問題。