大跨度拱形管桁架整體提升的精度控制

趙永慶 劉學(xué)峰 丁延勝 鞠經(jīng)緯 李曉剛

中建科工集團(tuán)有限公司華東大區(qū) 上海 201114

近些年來，隨著高速鐵路的大踏步跨越式發(fā)展，高鐵站房的建設(shè)數(shù)量逐年攀升。高鐵站房多采用空間管桁架結(jié)構(gòu)形式。管桁架結(jié)構(gòu)具有空間受力小、質(zhì)量輕、剛度大、抗震性能好等優(yōu)點(diǎn)，在我國高鐵站房的建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用[1]?？臻g桁架結(jié)構(gòu)施工難度較大，常用方法有高空散裝法、塊體吊裝法、整體提升法。整體提升法施工可節(jié)省人力物力，大幅度提高施工效率，但對(duì)提升過程的精度控制有很高的要求。國內(nèi)有類似項(xiàng)目的施工經(jīng)驗(yàn)，包括：對(duì)桁架整體建模進(jìn)行有限元仿真分析，計(jì)算提升過程的變形量以及受力變化分析[2]；桁架整體設(shè)置橫向拉索控制下?lián)隙?，設(shè)置多組位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)刻控制整體位移變形[3]；優(yōu)化卸載順序[4]；等等。上述措施在一定程度上減少了變形位移，提高了提升精度。

本工程為拱形管桁架結(jié)構(gòu)，施工過程多次出現(xiàn)受力變化，根據(jù)受力變化設(shè)計(jì)精度控制方法，主要從以下4個(gè)方面出發(fā)：按照受力分析模擬計(jì)算后的結(jié)果，進(jìn)行桿件工廠預(yù)起拱，從源頭控制安裝精度；拼裝胎架設(shè)計(jì)預(yù)起拱值，抵消提升過程中的變形；組織焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)，設(shè)置合理的焊接順序與焊接余量，控制焊接過程對(duì)安裝精度的影響；采用分級(jí)加載，減小提升過程的整體應(yīng)力變化，控制整體提升精度[5-8]。

1 工程概況

某高鐵站站房屋蓋為倒三角拱形桁架，包括主拱桁架、水平支撐、連系桁架等。拱形主桁架最大跨度81 m，拱頂最高高度32.95 m。根據(jù)結(jié)構(gòu)布置特點(diǎn)及現(xiàn)場(chǎng)安裝條件，利用液壓同步提升技術(shù)進(jìn)行鋼桁架的整體提升，提升高度約10 m。

提升區(qū)結(jié)構(gòu)位于G—M軸線（④—⑦軸線），平面尺寸約為100 m×70 m，如圖1所示。提升部分拱桁架屋蓋質(zhì)量約900 t，提升施工剖面如圖2所示。為形成流水施工、提高工作效率，將提升區(qū)拱桁架分2個(gè)區(qū)2次提升，一區(qū)為M—K軸線，二區(qū)為G—J軸線。

M—K軸線、G—J軸線2個(gè)分區(qū)分別提升，每個(gè)區(qū)設(shè)置6個(gè)提升吊點(diǎn)，提升吊點(diǎn)設(shè)置在主桁架下弦主桿件上。在桁架下方樓面上設(shè)置拼裝胎架，原位拼裝完成后整體提升至設(shè)計(jì)高度。為保證整個(gè)施工過程精度受控，對(duì)拱桁架進(jìn)行全過程施工模擬分析，根據(jù)模擬分析數(shù)據(jù)，從以下幾個(gè)方面對(duì)施工過程進(jìn)行控制：桿件制造預(yù)起拱、現(xiàn)場(chǎng)拼裝預(yù)起拱、提升過程控制、焊接過程控制及卸載控制。通過設(shè)置多組監(jiān)測(cè)裝置，全程監(jiān)測(cè)提升過程的變形與提升點(diǎn)反力值的變化；優(yōu)化卸載工序，分步卸載，提高施工質(zhì)量，保證施工精度。

圖1 桁架結(jié)構(gòu)平面示意

圖2 提升剖面示意

2 計(jì)算機(jī)模擬分析

建立計(jì)算模型，如圖3所示。利用軟件進(jìn)行桁架拼裝及提升過程模擬分析，主要分析提升過程中支撐胎架的受力變化、桁架的整體豎向位移、水平位移及桿件應(yīng)力比。計(jì)算結(jié)果如圖4～圖6所示。

圖3 驗(yàn)算模型

圖4 結(jié)構(gòu)豎向位移云圖

圖5 結(jié)構(gòu)x向位移云圖

圖6 應(yīng)力比云圖

從圖4～圖6可以看出，鋼桁架的豎向位移最大下?lián)蠟?04 mm，水平位移15 mm，最大應(yīng)力比0.82，均在規(guī)范要求范圍內(nèi)。

整根桁架長70 m，各處豎向位移值均不同，根據(jù)此數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)工廠制造預(yù)起拱值及現(xiàn)場(chǎng)拼裝起拱值。

3 工廠制造預(yù)起拱

根據(jù)桁架和支撐胎架的提升模擬分析數(shù)據(jù)，確定整榀桁架的預(yù)起拱值為L/700（L為桁架長度），再根據(jù)主桁架6個(gè)分段長度進(jìn)行每段預(yù)起拱（圖7）。

圖7 主桁架分段示意

在圓管彎管時(shí)進(jìn)行預(yù)起拱，彎管數(shù)據(jù)基于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和預(yù)起拱值確定。利用編程軟件進(jìn)行三維模型相貫線編程，生成相貫口的切割數(shù)據(jù)。將軟件生成的切割數(shù)據(jù)直接輸入到數(shù)控切割機(jī)進(jìn)行管件的切割，保證了相貫口的切割精度（圖8）。

4 焊接工藝控制

在現(xiàn)場(chǎng)焊接施工前制作不同規(guī)格的桿件，記錄每種規(guī)格桿件的焊后收縮量，形成焊接工藝評(píng)定。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)拼裝需要，確定桿件拼裝順序及焊接順序，從主桁架兩端開始向中間依次焊接各接頭。焊接基本原則為：先固定后焊接、分層分道焊接、雙人對(duì)稱焊接。

桿件的預(yù)起拱及焊接工藝評(píng)定，從源頭控制了拼裝精度，借助精確的分析、計(jì)算、試驗(yàn)，提高了桁架現(xiàn)場(chǎng)拼裝的精確度，為桁架的整體提升提供了精度保證。

5 提升過程的控制與監(jiān)測(cè)

在拱桁架上對(duì)稱位置設(shè)置吊點(diǎn)，拱桁架在地面拼裝焊接到位后進(jìn)行整體提升，提升過程采用計(jì)算機(jī)同步控制的方法，從令點(diǎn)無延遲動(dòng)態(tài)跟蹤主令點(diǎn)，保證各提升吊點(diǎn)在鋼桁架結(jié)構(gòu)整體液壓提升過程中始終保持同步，通過計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)各提升吊點(diǎn)的提升反力值分布，確保整體結(jié)構(gòu)在整個(gè)提升過程中的平穩(wěn)。

5.1 吊點(diǎn)設(shè)置

依據(jù)吊點(diǎn)位置，設(shè)置若干個(gè)同步提升吊點(diǎn)。每個(gè)吊點(diǎn)處依據(jù)提升器數(shù)量設(shè)置位移同步傳感器，結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)三級(jí)控制網(wǎng)，利用水準(zhǔn)儀和全站儀嚴(yán)密監(jiān)測(cè)吊點(diǎn)位移、角度的變化情況。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)根據(jù)傳感器的位移監(jiān)測(cè)信號(hào)，構(gòu)成“傳感器—計(jì)算機(jī)—泵源比例閥—液壓提升器—鋼桁架結(jié)構(gòu)”的閉環(huán)系統(tǒng)，控制整個(gè)提升過程的同步性（圖9）。

5.2 吊點(diǎn)油壓均衡

每一吊點(diǎn)處的液壓提升器采用并聯(lián)，對(duì)每個(gè)提升吊點(diǎn)的各液壓提升器施以均衡的油壓，這些吊點(diǎn)以恒定的載荷力向上提升。

圖8 相貫線切割

圖9 提升吊點(diǎn)

5.3 提升分級(jí)加載

以主體結(jié)構(gòu)理論載荷為依據(jù)，對(duì)各提升吊點(diǎn)處的提升設(shè)備進(jìn)行分級(jí)加載，依次為20%、50%、80%，在確認(rèn)各部分無異常的情況下，可繼續(xù)加載到100%，直至桁架結(jié)構(gòu)全部離地（胎架）。

5.4 離地檢查

桁架結(jié)構(gòu)離地后，停留8～12 h作全面檢查，包括上吊點(diǎn)平臺(tái)（提升支架、斜撐等）、下吊點(diǎn)等加載前后的變形情況，以及支承柱、桁架整體的穩(wěn)定性等情況（其他相關(guān)單位）。在一切正常的情況下，繼續(xù)下一步分級(jí)加載。

5.5 高度微調(diào)

在提升至臨近指定高度之前，測(cè)量各吊點(diǎn)之間的垂直位移偏差，利用計(jì)算機(jī)液壓系統(tǒng)進(jìn)行毫米級(jí)微調(diào)，使其達(dá)到同一高度后，最終提升到指定高度10 m處。

在鋼桁架的整體提升過程中，通過計(jì)算機(jī)液壓系統(tǒng)配合吊點(diǎn)的監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)提升過程的毫米級(jí)精度控制，提升還是采用均衡油壓、分級(jí)加載、離地檢查、高度微調(diào)等一系列措施，進(jìn)一步提高桁架整體的安裝精度，極大程度上降低了累積誤差。

6 分步卸載

由于提升過程中鋼桁架整體只受豎向加載力的作用，在到達(dá)指定高度卸載后會(huì)受到水平方向的加載力作用而使桁架內(nèi)部應(yīng)力增大，所以須優(yōu)化卸載工序。

本項(xiàng)目采用從中間向兩側(cè)、對(duì)角交叉卸載的方式，按照DD3→DD4→DD1→DD6→DD5→DD2的順序卸載（圖10），待單點(diǎn)安裝完畢之后進(jìn)行下一提升吊點(diǎn)施工，直至所有提升吊點(diǎn)卸載，桁架結(jié)構(gòu)整體成形。

通過合理的卸載順序，可以有效地控制安裝精度，最終橫向、縱向長度偏差控制在25 mm以內(nèi)，小于規(guī)范要求的±30 mm允許偏差，符合安裝要求。

7 結(jié)語

通過計(jì)算機(jī)精準(zhǔn)模擬分析，合理設(shè)計(jì)桿件的起拱值，控制焊接收縮量，可以滿足鋼桁架現(xiàn)場(chǎng)拼裝的精度要求。通過計(jì)算機(jī)控制的液壓系統(tǒng)配合一系列監(jiān)測(cè)措施可以使提升過程平穩(wěn)進(jìn)行，達(dá)到毫米級(jí)的控制效果。合理的卸載順序保障了桁架提升的最終精準(zhǔn)度。采用的這些施工舉措滿足了分單元同步提升的技術(shù)要求，可減小臨時(shí)措施量約80 t，減少工人的高空作業(yè)量，安全性較好，同時(shí)大大縮短了工期。

圖10 卸載吊點(diǎn)