大跨度鋼桁架施工及滑移關(guān)鍵技術(shù)研究

周強

上海歐本鋼結(jié)構(gòu)有限公司 上海 210000

采用桁架結(jié)構(gòu)的大跨度廠房、場館建筑中，由于桁架跨度大、體型大，每個吊裝單元重量大，一般都是采用桁架在工廠中分段加工、預(yù)拼裝，分段運輸，在施工現(xiàn)場地面組裝，然后采用諸如起重機吊裝法、液壓同步提升法，牽引器（鋼絞線）同步滑移等方法施工。

大跨度桁架在安裝過程中，由于設(shè)計狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)體系尚未形成，安裝過程中大跨度桁架為單向受力體系，因此在施工方案設(shè)計中，確保桁架結(jié)構(gòu)體系安裝精度、安全穩(wěn)定至關(guān)重要。

1 鋼結(jié)構(gòu)分析

1.1 工程概況

本建筑共分為三層，其中生產(chǎn)區(qū)為鋼筋混凝土框排架結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土樓面、鋼結(jié)構(gòu)屋面；廠房鋼結(jié)構(gòu)總跨度達(dá)到146m，總長度達(dá)到308m，主桁架為H型鋼組合桁架，桁架坡度為1/20，以跨中最高，其高度為：4530（mm），兩端桁架高度最低為：1375（mm）。

本工程屋面共有32榀鋼桁架，桁架之間的間距為9.6m，每榀桁架分成4跨加兩個2.5m的懸挑段（2.5m，24.6m，36m，36m，24.6m，2.5m），每榀桁架重39噸，鋼結(jié)構(gòu)總量5000噸。

1.2 方案設(shè)計

本工程主桁架總跨度146米，桁架下部混凝土排架柱、三層樓面現(xiàn)澆混凝土樓板已經(jīng)施工完畢，內(nèi)部吊機無法進(jìn)入。場外長軸方向施工場地狹小，不利于大型吊機行走。廠房1軸線和34軸線山墻處有平整的場地可以進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)組裝、吊裝，因此采用爬行器分三塊進(jìn)行累積滑移施工，根據(jù)桁架跨度及支座分部情況，在每個有支座的軸線混凝土排架柱、梁之上設(shè)置滑移鋼梁及滑移軌道，共鋪設(shè)5條滑移軌道。廠房1軸線～2軸線之間，33～34軸線之間的三層樓面上分別搭設(shè)兩組桁架空中立體組裝胎架，桁架在地面分段組裝完成后進(jìn)行吊裝，兩榀桁架高空組成一個穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)體系后向前滑移一個柱距，然后再進(jìn)行下一榀桁架的累加組裝，等累積組裝11榀后，作為一個單元累積滑移至設(shè)計位置。一單元、二單元同時施工，然后第三單元施工，直至整個屋面的桁架累積滑移完成。

2 大跨度鋼桁架滑移施工過程分析

2.1 地面支撐胎架設(shè)計與組裝

根據(jù)運輸能力，每榀桁架分6段出廠，兩個36m跨屋架分兩段制作出廠，兩個24m跨屋架整體出廠，分段如圖1：

圖1 桁架分段出廠圖

在廠房1軸線和34軸線山墻附近整理80mⅩ10m場地，澆筑20cm厚C15混凝土，整平作為組裝場地。在組裝地面設(shè)置7個支撐架作為36m跨屋架的組裝胎架，每段屋架均分設(shè)置4個支撐胎架（對接點共用）。支撐胎架下部鋪設(shè)路基箱，底部用焊接方法與路基箱牢固連接，支撐胎架的布置原則：在弦桿的對接點和腹桿交匯處布置胎架的支撐點，外由于節(jié)點位置重量較大，組裝時用斜支撐加固。

2.2 桁架地面組裝與高空拼裝

2.2.1 桁架地面組裝

地面組裝施工順序：采用50t履帶吊，自中心向兩邊施工，先弦桿后腹桿，先所有構(gòu)件就位，然后中心對稱式兩端同時焊接，最后按照先中間后兩邊的順序吊裝至高空平臺。桁架在34軸線山墻處的地面組裝胎架上進(jìn)行組裝，共計拼裝11榀桁架；1軸線山墻處的地面組裝胎架上組裝21榀，在兩處桁架組裝臺架上同時進(jìn)行組裝，以方便南北方向桁架同時吊裝，拼裝成滑移單元，同時進(jìn)行滑移。

2.2.2 桁架高空拼裝

高空的拼裝對接就是接頭高強螺栓的施工及上下弦焊接，及兩榀屋架之間的次結(jié)構(gòu)安裝。由于屋架分為4跨，利用柱頂框架梁作為拼裝胎架，利用柱頂框架梁上布置的軌道抄平拼裝基平面，垂直度調(diào)整依靠纜風(fēng)繩，抗風(fēng)架為設(shè)置在軌道埋件上的三角支撐，用水準(zhǔn)儀控制各支座高程，用經(jīng)緯儀控制桁架軸線，同時必須保證桁架的預(yù)起拱及總尺寸。

2.3 屋面系統(tǒng)滑移有限元模擬分析

選用5滑道滑移方案進(jìn)行安裝。單元一、三分塊累積滑移；單元一、三卸載，隨后屋面施工；單元二累積滑移；單元二卸載，一單元與二單元之間補檔；單元二屋面施工； 1，34線混凝土屋架施工； 1～2，33～34之間補檔，墻面施工與屋面滑移并行[1]。

2.3.1 滑移可行性模擬分析

桁架滑移時，桁架支座與滑移軌道之間的摩擦力以及液壓爬行器滑頂推力，這兩個動荷載對桁架產(chǎn)生平面外的力與變形，因此累積滑移時必須對結(jié)構(gòu)的安全性及穩(wěn)定性驗算，保證結(jié)構(gòu)體系的安全。在施工前利用ANSYS軟件，應(yīng)用動力分析方法對滑移過程中各個階段結(jié)構(gòu)體系的承載力、變形量值驗算。

桁架滑移時，桁架支座與軌道之間的摩擦為鋼材之間的摩擦(鋼板接觸面涂潤滑油)，摩擦系數(shù)μ取經(jīng)驗值為0.2，液壓爬行器頂推力動力系數(shù)取1.2，自重荷載分項系數(shù)取值1.2，活載(液壓爬行器產(chǎn)生的水平推力)分項系數(shù)1.4。建立滑移1榀、6榀、11榀有限元模型，分別分析各個滑移階段結(jié)構(gòu)體系的變形和內(nèi)力分部情況。

由于屋架之間通過連桿進(jìn)行鉸接，根據(jù)各個滑移單元的豎向撓度值計算，基本一致，隨著單元的累積，剛度沒有顯著變化，因此，對于卸載的同步性要求并不是非常嚴(yán)格。

各支座反力值如表1所示，分析可知，中間支座與邊支座的支座反力比值約為3.5：1的關(guān)系，因此，爬行器的布置只能是雁陣式布置。

表1 各支座反力值

2.3.2 混凝土滑移梁的驗算

滑移梁是位于第五層的鋼筋混凝土梁，現(xiàn)對軸線對應(yīng)的滑移梁進(jìn)行強度、撓度和裂縫的驗算。

計算結(jié)果：梁下部配筋為4Ф25（邊跨）、6Ф25（中跨），大于實際的配筋；梁下部配筋大于實際的配筋；梁撓度、裂縫大小超過規(guī)范規(guī)定的數(shù)值，滑移梁的強度、撓度及裂縫均不能滿足滑移要求。解決方案：增加梁上、下配筋，梁上配置10Ф22（柱頂反彎矩處），梁下配置10Ф20，滿足規(guī)范最大裂縫限值0.3mm。

2.4 屋蓋桁架累積滑移施工工藝

2.4.1 施工流程

累積滑移的滑移流程主要分為以下9個步驟：（1） 在混凝土柱上安裝滑移鋼梁，鋼梁上安裝滑移軌道；（2） 在滑移軌道上整體組裝屋架； （3）液壓爬行器、泵源、同步控制系統(tǒng)設(shè)備的安裝、調(diào)試，系統(tǒng)安全可靠后開始滑移第一榀屋架；（4）繼續(xù)拼裝后續(xù)屋架；（5）如第四、五步，累積滑移各個單元；（6）桁架整體滑移，至安裝位置；（7）利用千斤頂垂直頂升桁架，拆除爬行器及下部軌道；（8）卸載油缸，使桁架準(zhǔn)確就位于設(shè)計位置；（9）屋架落位，固定[2]。

2.4.2 技術(shù)原理

“液壓同步滑移技術(shù)”采用液壓爬行器及液壓泵源系統(tǒng)作為滑移的驅(qū)動設(shè)備。液壓爬行器為組合式結(jié)構(gòu)，一端以楔型夾塊與滑移軌道連接，另一端以鉸接點形式與滑移胎架或構(gòu)件連接，中間利用液壓油缸驅(qū)動爬行。液壓爬行器的楔型夾塊具有單向自鎖作用。當(dāng)油缸伸出時，夾塊工作，自動鎖緊滑移軌道；油缸縮回時，夾塊不工作，與油缸同方向移動。

2.4.3 滑移設(shè)備及系統(tǒng)配置

（1）滑移設(shè)備：TJG-50型液壓爬行器（推力50噸）（18套）；TJD-15型液壓泵源共10套；YT-1型計算機程序同步控制系統(tǒng)。液壓千斤頂55臺(50噸，32噸，10噸)等。

（2）爬行器配置：將九臺液壓爬行器中的分為五組（1，2，3，2，1）。將中間滑道的三臺爬行器并聯(lián)，并設(shè)定為爬行基準(zhǔn)點，位于E，L線的各2臺；設(shè)定為爬行主令點A；邊滑道的各一臺設(shè)定為爬行從令點B，滑移控制點平面布置見下圖2。

圖2 滑移控制點布置圖

滑移速度的標(biāo)準(zhǔn)值設(shè)置在基準(zhǔn)點位置上的三臺液壓爬行器，作為同步控制過程中速度和位移的標(biāo)準(zhǔn)值。以計算機同步程序控制下的從令點B位移量來對比跟蹤主令點A，計算兩點之間位移量的差值ΔL，按照中值ΔL/2進(jìn)行分別動態(tài)調(diào)整，確保每臺液壓爬行器在工作過程中保持同步進(jìn)行。通過兩點之間確定一條直線的公理，保證桁架滑移單元及輔助支撐結(jié)構(gòu)體系在整個累積滑移過程中的安全可靠。

（3）泵源系統(tǒng)配置:根據(jù)鋼屋蓋結(jié)構(gòu)的滑移頂推點之間距離很遠(yuǎn)的特點，泵源系統(tǒng)采用就近配置的原則，每套泵源系統(tǒng)配置的液壓爬行器數(shù)量控制在1～3臺，基準(zhǔn)點滑移軌道上的3套液壓爬行器并聯(lián)，主令點滑移軌道上的2臺液壓爬行器并聯(lián)，每條軌道上的液壓爬行器共用1個泵源控制系統(tǒng)。一個泵源系統(tǒng)由1臺TJD-15型泵站及其液壓傳輸回路設(shè)備組成。

2.4.4 滑移施工工藝

（1）分級加載滑移。液壓爬行器及泵源設(shè)備系統(tǒng)安裝完成后接入計算機同步控制軟件，聯(lián)試無誤后開始滑移。根據(jù)計算結(jié)果，調(diào)試液壓爬行器分配的伸缸壓力和縮缸壓力。在開始滑移階段，液壓爬行器伸缸壓力逐級上調(diào)，依次上調(diào)到總壓力的20%，40%，然后檢查滑移系統(tǒng)是否正常，檢查滑移系統(tǒng)安全可靠后，繼續(xù)加載到總壓力的60%，80%，90%，100%，保持推進(jìn)系統(tǒng)壓力，完成所需要的滑移過程[3]。

（2）滑移梁卸載與屋架就位：屋架的支座滑移到設(shè)計位置上空后，通過液壓千斤頂頂升桁架下弦桿，對滑移梁及軌道卸載，移出滑移梁及軌道。然后桁架支座落位與預(yù)埋地腳螺栓連接。桁架支座就位過程按照同步等值的步驟逐級進(jìn)行。

1）在中間、兩側(cè)、邊緣軸線各個卸載點分別設(shè)置50噸、32噸、10噸液壓千斤頂；2）在桁架支座另一側(cè)下弦桿底部加七塊鋼墊板；3）將液壓千斤頂置于屋架下弦桿下部頂升屋架，而后移除滑移梁、軌道；4）千斤頂下降，屋架落在鋼墊板上；5）再次頂起，所有支座處同時抽調(diào)一塊墊片，千斤頂再次回落；6）循環(huán)3）、4）、5）步驟，直至鋼墊板抽盡，屋架就位與地腳螺栓連接。

3 施工過程質(zhì)量監(jiān)控

3.1 桁架地面組裝誤差控制

（1）總長測量。總長的選定：由于工程地點施工時間橫跨秋冬兩季，因此組裝時不可避免的涉及到溫度變形的問題。經(jīng)過與設(shè)計單位的討論，最終設(shè)計單位確認(rèn)，溫度變形的參考溫度為最終的合攏溫度，此合攏溫度選取15℃。合攏時的桁架尺寸應(yīng)為設(shè)計圖尺寸，根據(jù)溫度變形計算公式（1）(2)求得組裝總長，正負(fù)值不能省略，正值表示增長，負(fù)值表示縮短。如果組裝時間的溫度低于合攏溫度，“組裝總長”就小于實際長度；如果高于合攏溫度，“組裝總長”就大于實際長度。

（2）誤差控制。地面組裝測量放線要按照屋架圖紙尺寸測量放線，由于連接完成后的尺寸為溫度變形后的“組裝總長”，以溫差20度情況為例說明將36m調(diào)整為36-的方法：溫差20度時，經(jīng)過對桁架主弦桿焊縫收縮量的估算，取焊縫收縮量為2mm（與溫差無關(guān)），還有30-2=28mm長度差，此28mm長度，在地面組裝時，對焊口進(jìn)行擴大，高空對接時，按照原焊縫尺寸焊接，焊縫收縮變形后即為“組裝長度”，并且該長度能滿足規(guī)范允許誤差要求。

焊接后的焊縫收縮進(jìn)行實測，并且總結(jié)經(jīng)驗，對以后拼裝進(jìn)行控制調(diào)整。

3.2 屋蓋滑移加載跟蹤監(jiān)控和測量

（1）桁架累積滑移過程中，應(yīng)密切觀察滑移軌道、液壓爬行器、液壓泵源系統(tǒng)、計算機同步控制系統(tǒng)、傳感檢測系統(tǒng)等的工作狀態(tài)；每個系統(tǒng)都配備相應(yīng)的技術(shù)負(fù)責(zé)人員對滑移進(jìn)程全程監(jiān)控；（2）滑移過程應(yīng)隨時檢查擋板與軌道的卡位狀況以及液壓爬行器夾緊裝置與軌道之間的夾緊狀況；（3）桁架跨度大，滑移距離長，通過對滑板中心進(jìn)行標(biāo)記并測量監(jiān)測，隨時準(zhǔn)確掌握滑移狀態(tài)并記錄滑移速度的數(shù)據(jù)。

4 結(jié)語

本文基于大跨度桁架施工問題，就選用同步累積滑移施工方案展開分析，桁架通過工廠合理分段，現(xiàn)場精確組裝，現(xiàn)場采用有限元模型分析法，驗算各滑移施工階段工況，對整個廠房屋蓋系統(tǒng)分單元同步累積滑移施工，證明了大跨度桁架同步累積滑移施工方案有效性。本工程累積滑移過程安全、平穩(wěn)，順利完成整個屋蓋系統(tǒng)的施工，為同類型的結(jié)構(gòu)體系施工提供參考。