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太原机场扩建航站楼网架施工技术

1概述

太原武宿机场作为北京2008年奥运会首都机场的备降机场,按照世界上最大的客机A-380飞机备降的需要进行改扩建,新建一座5万平方米航站楼,改造现有航站楼,建设航站区配套设施等。跑道及滑行道长度都将由3200米延长至3600米。

新扩建的航站楼、西指廊以及南北指廊屋面均为弧形曲面网架结构,共分为7个区,网架屋盖投影面积约为32578㎡,总重约2000t。我公司承担新航站楼和西指廊网架1~4区的施工,网架屋面水平投影面积为19166㎡,总重约1200t。网架杆件均为Q345B无缝钢管,主体结构为螺栓球节点网架,周边收边桁架为管桁架,局部支撑点为焊接球网架。网架一区与网架四区的部分钢管砼柱通过树状支撑与屋面进行连接,其余的钢管砼柱直接与屋面连接。每个区网架均为三角形,其中网架一区三角形顶角处标高为34.693m,两个底角标高为20.047m,高差为14.646m,如图1所示。

网架一区面积约为10000㎡,重约600t,参与提升工作的结构重约450t。航站楼下部结构为二层框架混凝土结构,二层楼面标高为7.300m,为了尽量减轻二层楼面的负担,减少网架拼装脚手架的搭设,网架采取“趴下”的姿态在二层平台上拼装。拼装完成后再对“趴下”的网架进行整体“翻身”动作(液压非同步翻转提升),当调整到设计姿态后再进行整体同步液压提升到位。翻转提升过程的控制是本工程的重点和难点,稍有疏忽将会引起网架的变形、整体弯折等危险。

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技术难点、重点

通过本工程的施工,从深化/优化设计、现场拼装、现场焊接到整体提升等各施工阶段的技术难点重点如下:

2.1 深化/优化设计

本工程的深化/优化设计重点主要有:焊接球规格的统一设计,焊接球直径变小处杆件重叠相碰的处理方法;撑杆顶端焊接球节点形式的调整设计;通过支座加劲板调整每个柱顶标高误差、设计变更高差的方法;上弦焊接球节点处檩托板的设计处理;杆件代换后必须进行的网架整体分析验算。

2.2 网架拼装

网架整体拼装的难点是累积误差的消除以及下弦球节点的空间定位;

2.3 液压提升

网架提升前的技术准备工作有:网架提升吊点的选择,提升支架、下吊点的设计,网架整体提升验算,超应力杆件的加固等,每一个环节都技术要求都很高;网架整体翻转提升过程控制则是本工程技术难度最大的工作,各吊点提升比例不精确、提升速度位移控制不当就会引起网架杆件变形、网架整体弯折的严重后果。

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施工技术

3.1 深化/优化设计

本工程招标设计图中的网架结构与下部钢管混凝土柱的连接基本上都是只是示意,均没有详细的节点图,网架支撑形式没有具体确定,因为下部支撑结构是先于网架结构设计的,也就是说网架结构的设计与下部钢管柱的设计基本上是完全脱离的两部分。因此我们和设计院经过一系列的推敲、反复探讨历时三、四个月才最终把支座形式确定下来。

我们采用上海交通大学结构工程研究所研制开发的设计软件《管结构计算机辅助设计系统STCAD 2.0》对整个网架进行深化设计、管桁架节点设计及焊缝验算,深化设计过程中约到了诸多问题,可以总结为一下几点:

3.1.1 焊接球规格统一、杆件相碰处理

原设计中焊接球种类较多、规格偏大(最大为Φ800x30),我们为了最大限度的统一球径,消除因焊接球过大而突出屋面板或吊顶板,本工程中所有的焊接球直径统一调整为Φ500、Φ600,这样个别内力较大的杆件因为球径变小在焊接球面上相交时发生重叠(也就是钢管之间相碰),如果按《钢结构连接节点设计手册》第二版的处理方法是采用增设支托板连接处理(如图2)。这样处理显然非常麻烦,受力情况也比较复杂,因此我们参考相贯线原理,考虑管管直接相贯处理,以直径较大的钢管先与焊接球相贯焊接,然后较小直径钢管用相贯线切割机割出相贯口与直径较大的钢管以及焊接球焊接,这样一方面保证小直径的钢管轴心通过焊接球球心,另一方面焊缝经软件验算也满足了受力要求。

3.1.2 撑杆顶端节点改为焊接球节点

原设计撑杆顶端是与边桁架下弦杆相贯焊接(图3),这样边桁架下弦杆相贯处必须加强处理,在钢管外部增加套管、内部增设加劲板,这样给加工制作带来了很大困难。另外由于部分撑杆端部变径管比边桁架下弦杆直径还要大,无法相贯,设计又不同意让边桁架下弦贯于撑杆变径管上,因此我们考虑此处全部采用焊接球节点处理,这样既实现了相贯连接,通过软件验算也满足了受力要求。

3.1.3 上弦焊接球檩条托板设计

原设计中因为网架上弦焊接球直径过大无法安装屋面檩条而采取了如图4所示措施进行削球处理。

这种处理方法的缺陷是一方面加工起来非常麻烦,另一方面由于焊接球的整体性破坏将对受力产生不利影响。我们最终采取了调整网架檩条托板连接形式来避免破坏主受力构件,如图5:

3.1.4 杆件代换后网架整体分析验算

由于部分规格钢管需临时调拨代用才能满足生产需要,由于实际使用部分杆件规格与原设计存在差异,因此有必要对杆件代用后的结构进行补充验算。验算的其它计算条件包括但不限于计算三维模型、荷载、边界条件、节点等均取自原设计模型。由于网架杆件壁厚均小幅增加,网架用钢量最大增幅仅3.9%,对结构刚度的影响较小,在原设计条件下,除网架一有6根D60x4的杆件超出设计应力调整为D76x4外,其它部分网架杆件均满足设计要求。由此可以得出如下结论:在屋面网架结构中是不能随意进行杆件代换的, “以大带小”的代换会引起刚度的变化,从而影响到杆件的受力,因此也要经过严格的分析验算。

3.2 网架拼装

3.2.1 拼装累积误差的消除:

我们在网架拼装前已经考虑到累积误差的存在,因此网架均是从中间向四周发散拼装,并且整个拼装过程中一直用全站仪对各控制节点进行跟踪监测,可是在网架拼装完成后整个网架尺寸还是加长了,网架边长越长误差就越大,而网架构配件的尺寸均在误差允许范围内,杆件也没有安装错,螺栓也都紧固到位,究竟什么原因引起网架整体尺寸加大呢?我们最后分析得出的结论是:如果网架杆件制作均是正公差(考虑+1mm),再加上杆件、套筒、螺栓球之间的微小间隙以及加工误差(考虑+0.5mm),以网架一为例,B7轴底边长180m,共43根杆件,44个螺栓球,累积误差=43*1+44*0.5*2=87mm,由此可见累积起来的误差是非常大的。所以网架杆件在制作时长度尽可能是负公差,螺栓球铣面切削量也尽可能是正公差,这样就能彻底消除螺栓球网架拼装过程中的累积间隙、长度误差了。见图6

3.2.2 网架拼下弦球装节点定位

本工程网架拼装时的状态是以B4轴为中心旋转后“趴下”的状态,而不是设计状态,因此网架在楼面上的拼装定位控制点就不能依据施工图中的坐标了,而必须在电脑里制作网架空间模型,模拟网架旋转后“趴下”时的状态,并记录每个下弦支撑点的坐标以及标高,然后用全站仪在楼面上准确定位网架各下弦点的位置并注明高度,在定位控制点搭设可调节标高拼装胎架。

3.3 网架整体液压提升技术

本工程采用了“网架‘趴下’整体拼装、液压非同步翻转提升、液压整体同步提升”的施工方案。以面积最大的网架一为例如图8所示网架提升过程:

3.3.1 网架提升验算

3.3.1.1 网架提升吊点的选择

提升吊点的选择原则是尽量使各吊点受力均衡,结构稳定。尽量选择下弦节点为主吊点,另外选择主吊点附近的上弦球为辅助吊点。

3.3.1.2 网架整体提升验算

采用上海交大《管结构计算机辅助设计系统STCAD 2.0》软件进行提升验算。

验算模型,以网架一为例(图8),网架最高点的大三角和两个底边的边桁架均采用吊机吊装:

由于采用的是原位置提升方法,网架遇柱处的节点、杆件均需断开,这样就破坏了网架结构的整体性,因而导致模拟提升验算过程中出现了50多根超应力杆件。经设计院同意后,把原设计杆件截面规格锁定,只加大超应力杆件的截面,最后按设计状态的荷载进行复核验算,验算结果没有问题才能确定最终的施工图。

3.3.1.3 超应力杆件处理

由于网架现场实际吊装模型和预先的提升验算模型有出入,主要是网架B1轴顶端增加了两排网架、桁架构件,以及B7轴底边两角把所有螺栓球网架结构全部加入提升模型范围,如图9所示。重新对提升模型进行分析验算,结果又出现了一部分超应力杆件(均为受压超应力),可是网架已经根据最初的提升验算模型开始加工制作了,已经无法改变网架截面尺寸了,只有现场采取措施进行加固,由于都是受压杆件超应力,采用8#铁丝把杉木棒或脚手架管捆绑于超应力杆件周围的加固措施,杉木棒或脚手架管之间的间隙用木楔塞实,事实证明这种加固方法可行,见图10。本工程也有部分杆件采用角钢加固,理论上可行,可是网架提升后发现杆件仍然弯了,用角钢加固方法不可取。

在提升平台上安装液压同步提升系统设备,安装液压提升专用钢绞线,通过钢绞线连接液压提升器和提升下吊点结构(图11),安装专用地锚并预张紧钢绞线。在节点球或者边桁架上弦杆节点上设置下吊点,根据受力情况对设置吊点的节点球和杆件进行相应的加固,保证下吊点的稳定、牢固、可旋转。使用液压提升器配套专用提升吊具,吊具上端通过地锚将钢铰线紧固好,下端连接两个卸扣(两个卸扣可以保证吊点可任意转动,减少水平弯矩),钢丝绳与卸扣、吊点球缠绕形成环形,保证钢丝绳受力均匀。下吊点的钢丝绳长度、夹角需要控制,还要保证网架提升到位时钢绞线至少有2m的自由长度。网架同一提升吊点设主吊点和辅助吊点,以便荷载广泛区域传递。

钢丝绳末端夹接采用骑马式绳夹,绳夹一顺排列并旋紧,一般旋紧到钢丝绳被压扁1/3~1/4直径时止,受力后再旋紧一次。网架一采用的各种规格钢丝绳以及绳夹数量、间距见下表:

钢丝绳固定连接端装置相应规格的套环,以保护钢丝绳弯曲处呈一定的弧度,防止急剧弯曲扭折、折断破裂。

钢丝绳受力前,在绳夹处涂红油漆以便观察绳夹滑移情况,当网架提升钢丝绳受力后,绳夹的滑移总让人感觉到不安全,因此重大结构吊装时钢丝绳还是采用编织法相对安全可靠。

3.3.3 提升支架设计

在钢管砼立柱顶钢管外侧焊接钢牛腿,在牛腿上安装格构式临时立柱(提升支架)。钢牛腿及提升支架的设置均以不影响支座撑杆的安装为原则,提升支架高度要保证网架提升到设计状态时钢绞线自由段长度为大于2m。提升支架采用型钢格构式支架,设计成3m标准节以便能重复利用,支架顶部设置平台小梁和提升梁,在提升大梁上搭设安全操作平台,提升梁一端设置液压提升设备,另一端设置配重平衡拉杆(双拼角钢),提升支架平面外设置稳定缆风,如图。网架中心采用双吊点提升平台,部分钢柱焊接牛腿单吊点提升平台。提升支架及配重平衡拉杆根据吊点最大反力计算确定。

3.3.4 提升系统配置

液压提升系统主要由液压提升器、泵源系统、传感检测及计算机同步控制系统组成。

TJJ-600型液压提升器为穿芯式结构,中间分别可穿过7根钢绞线,两端有主动锚具,利用锲形锚片的逆向运动自锁性,卡紧钢绞线向上提升。TJJ-600型液压提升器额定设计提升重量64.4t。

液压同步提升承重系统主要由液压提升器、提升地锚和专用 钢绞线组成。

本工程中,根据钢网架模拟提升工况计算得出的提升反力数据,进行液压提升系统设备的配置。

在每个提升吊点处配置一台TJJ-600型液压提升器,共配置20台(网架一);11台(网架二~四)。

每台TJJ-600型液压提升器配置7根钢绞线,额定提升重量为64.4t。钢绞线作为柔性承重索具,采用高强度低松弛预应力钢绞线,抗拉强度为1860Mp,直径为15.24毫米,破断拉力为26.3t。

钢网架屋面单个提升吊点最大反力值为23.46吨(网架二,已考虑1.1的荷载分项系数),即TJJ-600型液压提升器单台最大承重23.46吨,荷载不均匀系数取1.2,则单根钢绞线的平均工作荷载为:23.46×1.2/1/7=4.02吨。单根钢绞线的荷载系数为:26.3/4.02=6.54。

根据公司相关设计规范和以往工程经验,液压提升器工作中采用如上荷载系数是安全的。

3.3.5 提升控制策略

控制系统根据一定的控制策略和算法实现对钢网架整体提升的姿态控制和荷载控制。在提升过程中,从保证结构吊装安全角度来看,应保证各个吊点载荷控制;应保证提升结构的空中稳定,以便结构能正确就位,保证各个提升点保持一定程度的同步。

网架翻转提升设定每个行程100mm,网架整体同步提升每个行程为250mm。

根据以上要求和工程特点,制定如下的控制策略(如图12网架一区吊点、液压提升系统设置示意图):

液压泵站为TJD-30型变频液压泵源系统,泵站1控制4个提升吊点1、6、7、8;泵站2控制4个提升吊点2、3、4、5;泵站3控制6个提升吊点9、10、11、18、19、20;泵站4控制6个提升吊点12、13、14、15、16、17。

在本工程中,提升速度约4~6米/小时。

3.3.6 提升过程控制及监控措施

3.3.6.1 为保证结构整体提升过程中稳定性,各液压提升器的载荷受控,计算机通过控制,对提升过程进行调整控制;

3.3.6.2 每个吊点处各设置一套位移同步传感器。计算机控制系统根据这3套传感器的位移检测信号及其差值,构成“传感器-计算机-泵源比例阀-液压提升器-钢网架结构”闭环系统,控制整个提升过程的行程同步性。

3.3.6.3 对每个提升吊点的提升力进行压力设定控制,使吊点以恒定的载荷力向上提升,从而避免超载而引起临时构件和网架的破坏。

3.3.6.4 用测量仪器测出各吊点的离地距离,计算出各吊点相对高差,并与理论值进行比较,通过控制提升设备调整各吊点高度使之接近理论值。

3.3.6.5 网架结构在提升及下降过程中,因为空中姿态调整和支座就位等需要进行高度微调。在微调开始前,将计算机同步控制系统由自动模式切换成手动模式。根据需要,对整个钢网架提升系统的11~20台液压提升器进行微动(上升或下降),或者对单台液压提升器进行微动调整。

3.3.6.6 根据甲方提供的提升工况结构吊点允许承载力,在计算机同步控制系统中,对每台液压提升器的最大提升力进行设定。通过减压阀控制,吊点力始终控制在允许范围内,以防止出现提升点荷载分布严重不均,造成对结构件和提升设施的破坏

3.3.6.7 通过液压回路中设置的自锁装置以及机械自锁系统,在提升器停止工作或遇到停电等情况时,提升器能够长时间自动锁紧钢绞线,确保提升构件的安全。

3.3.7 测量准备、提升位移监控表的编制

3.3.7.1 吊点附近悬挂钢卷尺(见图13),吊点正下方的楼面上用角钢制作标杆,准备监控网架提升行程;

3.3.7.2 采用全站仪实测并纪录每个吊点球(杆)顶部标高,并做好在提升过程中随时监控提升支架垂直度的准备;

3.3.7.3 纪录标杆顶部标高、从网架吊点到标杆顶部的钢卷尺读数,并计算出吊点中心到钢卷尺零刻度的长度(此长度为固定值)。

3.3.7.4 吊点提升比例:是根据图14中各吊点翻转提升总距离的比值确定的,以B1轴提升5个100mm行程为基准,计算出B3、B5轴各吊点的比例,见表03:

3.3.7.5 提升位移监控表:

3.3.8 网架整体同步提升1m阶段

3.3.8.1 网架整体同步提升加载脱离拼装胎架过程:

(1)提升支架上稳定缆风绳初步预张紧,液压同步提升系统设备调试、预加载;

(2)首先钢绞线预加载到各吊点受力的50%时停止加载,然后进行缆风加载,把缆风加载受力状态80-85%时停止加载;(根据需要预张缆风的受力不同进行相应的缆风力的张拉,张拉过程用缆风测力计进行观测)

(3)再进行钢网架提升加载,直至钢网架提升离地,此过程中缆风不再进行加载;

(4)利用液压同步提升系统设备整体提升钢网架结构,完全脱离拼装胎架250mm(1个同步提升行程),全面观测网架结构的变形以及重点部位受力情况;

(5)观测提升临设结构系统及钢管砼立柱的工作情况;

(6)通过计算机监测各提升吊点的提升反力值分布,并与预先通过模拟计算得到的数值进行对比分析。

(7)在确认整个提升工况绝对安全的前提下,网架再整体同步提升4个行程即750mm,也就是离开拼装胎架1m(提升1m是为了保证网架在空中翻转过程中B7轴最低点的旋转空间)停止。

3.3.8.2 网架整体脱离拼装胎架时出现的问题:

尽管液压提升器同样走完一个行程时,发现各吊点的提升位移并不一样,我们仔细观察了提升现场情况,并经过细致的分析,总结出以下几个原因:

(1)各下吊点钢丝绳绳夹滑移量、钢丝绳变形伸长量是不同的;

(2)各下吊点预张紧程度也有差别;

(3)通过网架设计模型得知各吊点处网架刚度大小又有所不同。

综合以上原因,我们得出这样的结论,类似于网架这样的结构提升刚脱离胎架时,是不能纯粹通过液压提升器的行程来判断网架提升的位移,必须有辅助的位移检测手段,悬挂钢卷尺观察网架位移或测量仪器直接观测在此时显得尤为重要:根据盘尺读数或测量仪器观测结果,对各吊点标高进行微调。

3.3.9 提升翻转过程控制(图14)

3.3.9.1 在网架提升脱离胎架1m后提升系统锁定;

3.3.9.2 提升系统从同步提升模式切换到翻转非同步提升模式,翻转提升每个行程100mm;

3.3.9.3 B7轴6个提升吊点(15~20)不提升,对1~14号吊点进行提升控制,各吊点的提升行程按照一定的比例进行控制,直到达到预定的高度;

3.3.9.4 网架翻转、提升各吊点高度控制(图15):

以B1轴为基准, B1轴提升一个翻转行程100mm,B3、B5轴各吊点根据表03中的提升比例进行同时非同步提升。如图16所示

3.3.9.5提升过程位移监控:

由于100mm行程传感器设备误差有点大,部分误差大于20mm,如果提升5个行程误差就可能超过100mm了,因此现场提升位移监控几乎全部依赖悬挂盘尺测量。

当B1轴走完一个翻转行程100mm时,现场提升监控人员向指挥控制中心报告B3、B5轴各吊点盘尺读数,计算出各吊点位移,然后和按比例计算的位移相比较,如果发现某个吊点位移相差过大,立即锁定其他各吊点的提升,对其进行点动微调;如果偏差小于10mm,可翻转提升5个行程(500mm)再进行标高修正(否则提升速度会很慢),就这样直至设计姿态标高。

3.3.10 网架同步提升控制

3.3.10.1 网架提升到设计姿态后各吊点锁定。

3.3.10.2 测量人员用测量仪器测量每个吊点的标高,和设计姿态的模型理论标高相比较,有偏差的吊点全部进行微调。

3.3.10.3 提升系统从翻转非同步提升模式切换到同步提升模式,同步提升每个行程250mm;

3.3.10.4 B1、B3、B5、B7轴所有吊点整体同步提升,每提升4个行程(1m)后,现场提升监控人员向指挥控制中心报告各吊点盘尺读数,如有偏差随即进行调整,直至提升到位。

3.3.11 网架卸载控制

整体同步提升到设计标高(撑杆区域的吊点提升超出设计标高50mm左右以便于撑杆安装),接着进行杆件补装、支座焊接,最后进行分级卸载就位。

网架卸载实际就是荷载转移的过程,网架结构发生较大的内力重分布,在荷载转移过程中,必须遵循“安全稳妥,均衡卸载,控制变形”的原则,否则有可能造成临时支撑超载失稳,或者网架结构局部甚至整体受损。施工阶段的受力状态与结构最终受力状态完全不一致,必须制定切实可行的技术措施,确保满足多种工况要求。

以卸载前的吊点载荷为基准,所有吊点同时下降卸载10%,等待10分钟,以确保结构各杆件之间内力的调整与重分布。在此过程中可能会出现不正常的载荷转移现象,即卸载速度较快的点将载荷转移到卸载速度较慢的点上,以至个别点超载甚至可能会造成局部构件失稳。计算机控制系统监控并阻止上述情况的发生,调整各吊点卸载速度,使快的减慢,慢的加快,宁慢勿快。万一某些吊点载荷超过卸载前载荷的+10%,则立即停止其它点卸载,而单独卸载这些点。如此往复,直至钢绞线彻底放松,钢网架结构自重载荷完全转移到钢管砼立柱顶的支座上,并由支座传递到钢管柱及基础。

3.3.12 液压提升主要设备表

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总结

针对以上的技术要点,总结出以下几点实施经验:

当节点比较复杂的情况下考虑采用焊接球节点处理,传力明确、构造简单;

边长较大的螺栓球网架拼装完成后,长度均有可能超出规范要求,需要在网架加工制作阶段控制构配件的尺寸;

网架整体采取“趴下”姿态拼装,好处是减少了脚手架的搭设工作量,也相对为其他专业的施工赢得了时间,同时节省了直运输的费用,减轻了二层楼面的负担,从安全角度考虑减少了大量的高空作业。对“趴下”姿态的网架进行非同步翻转提升到设计姿态,此项技术的实现,开创了液压提升技术的先河,对于类似工程的施工有很高的参考价值,是值得推广应用的,当然了在行程传感器的精度方面还需要进一步改进。


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