高聳超大跨度雙環(huán)試驗塔架鋼結構施工技術

范銳釗，邢 偉，趙東生，黃 科，李朝陽

(1.北京市機械施工集團有限公司，北京 100045；2.北京特種工程設計研究院，北京 100028)

1 工程概況

低重力模擬試驗平臺是我國向火星發(fā)射探測器前地面模擬試驗的重要試驗平臺，主要用來在地面模擬完成“天問一號”探測器懸停、避障、緩速下降及觸火關機等驗證試驗，以滿足各試驗工況技術指標要求，并獲取試驗數據。

低重力模擬試驗平臺為高聳塔架構筑物(見圖1)，由塔架和頂部雙環(huán)桁架組成(見圖2),總用鋼量約為7 000t。塔架由鋼管混凝土柱、水平腹桿、斜腹桿和鋼梯組成，鋼管混凝土圓柱直徑為680，630mm，壁厚20，22m，水平腹桿按7m/層布置，斜腹桿呈八字形布置。

圖1 低重力模擬試驗平臺效果

圖2 高聳塔架整體示意

6個格構式塔架內接于1個內徑152m的圓上，5號塔架共31層，每層高7m。在標高140.000m以下，平面尺寸為18m×12m，共11根鋼管柱；標高140.000m以上，平面尺寸變?yōu)?2m×9m，鋼管柱9根。1～4，6號塔架共20層，每層高7m，外形呈梯形立方體，底部平面尺寸為18m×12m，頂部收縮為12m×12m，共6根鋼管柱。

頂部雙環(huán)桁架包括外環(huán)桁架和內環(huán)桁架(見圖3)。外環(huán)桁架共6榀，均勻分布在6個塔架之間，每榀桁架跨度約57m，重約100t，頂面標高為140.000m；內環(huán)桁架跨度為116m，重約1 000t，頂面標高為140.000m。

圖3 140.000m標高平面布置

2 鋼結構總體施工流程

施工準備→第1節(jié)塔架安裝→第1節(jié)塔架鋼管混凝土澆筑→第2節(jié)塔架安裝及混凝土澆筑→第(i+1)節(jié)塔架安裝(i=2)及混凝土澆筑→外環(huán)桁架拼裝和提升→內環(huán)桁架拼裝和提升→拆除5臺塔式起重機→5號塔架第11節(jié)塔架安裝及混凝土澆筑→5號塔架第(i+1)節(jié)塔架安裝(i=11)及混凝土澆筑→拆除5號塔式起重機。

3 超高塔架鋼結構施工技術

3.1 群塔作業(yè)

為完成塔架鋼結構吊裝任務，在塔架外側布置6臺外附著自升塔機(見圖4)，即每個塔架各1臺。6臺塔式起重機分為3層高度，1，5號塔式起重機為最高層，2～4號塔式起重機為中間層，4號塔式起重機為最低層。

圖4 現場塔式起重機布置

塔式起重機高度為149.9～227m，共附著2～5道，頂升2～5次(見表1)。

表1 群塔作業(yè)控制

由于塔式起重機周圍有障礙物、頂部外環(huán)桁架完工后對塔式起重機拆除的影響、外環(huán)桁架提升時需臨時拆除1根附著桿等因素，造成塔式起重機附著結構成為異形附著結構，附著角度不佳，因此，采用多桿體系，對附著框和附著桿進行加強設計，然后通過可調式抱柱圈附著在塔架鋼管柱上。

繪制塔式起重機附著頂升動態(tài)全圖，模擬塔式起重機初裝、附著、頂升、吊裝等全流程，采用塔式起重機防碰撞系統(tǒng)，防止塔式起重機之間的碰撞、塔式起重機吊鉤鋼絲繩與大臂的碰撞、塔式起重機與主體結構的碰撞等。

3.2 吊裝

塔架在高度方向按每2層1節(jié)(14m)進行分段，在平面上分成3個吊裝單元，吊裝單元最重45t，采用地面拼裝、分片吊裝的方法進行平行施工。

每節(jié)塔架施工流程為：地面拼裝塔架單元→吊裝塔架單元→操作架第1次升高→安裝第1層腹桿→焊接→操作架第2次升高→安裝第2層腹桿→焊接→澆筑鋼管柱內混凝土→進行下節(jié)塔架施工。

3.3 超高塔架多操作面施工平臺

塔架超高且無樓板，均為超高空懸空作業(yè)，且存在多工種交叉作業(yè)、立體作業(yè)等情況，極易發(fā)生高空墜落、物體打擊、火災等，防護難度大，施工風險高。經過詳細比選，設計了超高塔架多操作面施工平臺，具有自重小，安裝、升高、拆除等簡單靈活的特點。

施工平臺包括外施工平臺和內施工平臺，采用槽鋼、角鋼、鋼管及花紋板等焊接而成，高度為15.3m。外施工平臺設置了5層操作平臺，為塔架外側鋼結構吊裝、焊接、檢測和防腐施工等提供操作面，同時其外側安裝安全網、內部設置爬梯，分別作為塔架外防護和垂直通道。外操作架通過雙層錨固支腿外附于塔架上、下2層水平腹桿上(見圖5)，錨固支腿由橫梁和限位立柱組成，間隔3m，限位立柱間距略大于水平腹桿外徑。為防止架體向外傾覆，利用索具將架體頂部與塔架結構連接牢固，利用塔式起重機爬升，形成流水施工。

圖5 外施工平臺錨固

內施工平臺共有3層操作平臺，可同時進行吊裝、焊接作業(yè)，利用塔式起重機升高，形成流水施工，底層平臺為封閉式，可存放施工器具；中層及上層平臺中間鏤空，可將施工器具利用塔式起重機裝卸于底層平臺上。利用底部4個錨固支腿擱置于塔架結構上，通過U形抱箍與塔架結構內部水平桿固定，錨固支腿由橫梁及U形抱箍組成(見圖6)。

圖6 內施工平臺錨固

3.4 測量技術

1)采用GPS和高精度全站儀布置測量控制網，使用全站儀和垂準儀測放施工基準點，在塔架外側設置多個測量控制點。

2)塔架鋼結構安裝采用全站儀坐標法進行測量校正，精確定位每節(jié)柱，必要時通過2個測點互相測校。

3)為規(guī)避日照效應和風的影響，測量校正盡量選擇日出前及太陽落山后氣溫較均勻時段或陰天且風力小于5級時。

4)在固定時間進行停塔測量校正。

5)同步監(jiān)測施工，建立測量數據庫，分析測量數據，找出結構變形規(guī)律，指導現場測量工作。

3.5 焊接

1)選用CO2氣體保護焊為主、手工電弧焊為輔的焊接方法，對焊工進行專門的高空焊接培訓，適應現場環(huán)境的需要，提高焊接質量。

2)采用結構對稱焊、節(jié)點對稱焊、分段焊等來控制焊接變形，嚴格控制焊接質量，及時進行焊縫的無損檢測。

3)做好焊接過程中的跟蹤監(jiān)測，總結焊接變形規(guī)律[6]，優(yōu)化焊接順序，指導后續(xù)施工。

4)嚴格控制剖口形式、尺寸及表面清潔等，同時做好施工防風、預熱、焊后保溫等措施。

3.6 鋼管混凝土澆筑

塔架C40自密實鋼管混凝土采用高拋澆筑法進行施工，塔架42m以下鋼管混凝土采用泵車泵送，42m以上鋼管混凝土采用塔式起重機吊運吊斗澆筑,同一節(jié)管內的混凝土要連續(xù)澆筑。

4 超高大跨度雙環(huán)桁架提升技術

4.1 外環(huán)桁架分塊

采用地面原位拼裝、液壓千斤頂提升就位的施工方法分別將6榀外環(huán)桁架提升就位。

桁架提升高度約133m，每榀布置4個提升點，采用40t液壓千斤頂進行提升，在每個塔架頂部平臺設置1臺液壓泵站，控制對應提升點的千斤頂。在塔架頂部平臺布置1臺計算機控制柜進行提升同步控制。

4.2 內環(huán)桁架

內環(huán)桁架懸臂桁架端部設有7m高下弦三角區(qū)(見圖7)，根據內環(huán)桁架結構類型和作業(yè)環(huán)境，采用地面分步拼裝、下弦三角區(qū)自旋轉就位、累積提升的方法施工。

圖7 內環(huán)桁架下弦三角區(qū)

待外環(huán)桁架全部卸載完成且內環(huán)桁架第1次拼裝完成后，安裝內環(huán)桁架提升上錨點；然后進行整體提升設備的安裝及調試，調試完成后進行內環(huán)桁架第1步提升的試提升；將內環(huán)桁架整體提升7m，當內環(huán)桁架固定后拼裝內環(huán)桁架下弦三角區(qū)剩余桿件；將內環(huán)桁架整體提升126m就位；最后進行內環(huán)桁架合龍和卸載。

桁架提升高度為133m，布置12個提升點(見圖8)，采用200t液壓千斤頂進行提升，提升上錨點設置在塔架鋼管混凝土柱頂，提升下錨點設置在上弦桿端部。

圖8 內環(huán)桁架提升點布置

下弦三角區(qū)自旋轉提升的施工流程如下。

1)步驟1 當內環(huán)桁架中弦和上弦拼裝完成后，進行下弦三角區(qū)單片桁架的地面拼裝(見圖9)。

2)步驟2 安裝U形懸掛件，將拼裝好的下弦三角區(qū)單片桁架分別可動地連接在中弦桿上。

3)步驟3 進行內環(huán)桁架第1次提升，提升高度為8m，提升過程中，掛在中弦桿上、下弦三角區(qū)的單片桁架單元隨之以其所掛的桿件為軸進行旋轉。

4)步驟4 繼續(xù)提升，單片桁架繼續(xù)隨之旋轉，直至下弦三角區(qū)單片桁架均離開地面變?yōu)榇怪睜顟B(tài)，停止提升，鎖緊提升設備，同時采用防風措施臨時固定內環(huán)桁架，然后采用調節(jié)設備將下弦三角區(qū)單片桁架調整至設計位置。

圖9 下弦三角區(qū)單片桁架地面拼裝

5)步驟5 安裝下弦三角區(qū)散桿(見圖10)，桁架外觀尺寸檢查合格后，進行焊接作業(yè)。

圖10 下弦三角區(qū)散桿安裝

6)步驟6 下弦三角區(qū)焊縫經探傷檢測合格后，繼續(xù)進行第2次提升，即提升至設計標高。

4.3 施工模擬計算

結合現場實際施工條件和環(huán)境因素，充分考慮風荷載、塔式起重機附著荷載、施工荷載及提升不同步性等影響，施工前建立整體結構模型，采用MIDAS，ABAQUS軟件進行全過程工況的仿真模擬，包括外環(huán)桁架提升、內環(huán)桁架提升、提升時塔架、上錨點、下錨點、合龍和卸載等驗算。

外環(huán)桁架提升驗算工況包括同步提升和某一提升點超提；內環(huán)桁架提升驗算工況包括同步提升、某一提升點超提、某一懸挑桁架超提和某一提升點失效。

4.4 外環(huán)桁架提升過程中塔式起重機附著桿拆裝

采用BIM技術模擬桁架提升通道是否通暢。在外環(huán)桁架提升過程中，遇到塔式起重機附著桿前，采用對應塔式起重機吊至地面，然后由履帶式起重機吊運至其投影位置，當外環(huán)桁架提升通過附著桿的位置后，采用塔式起重機將該附著桿垂直吊至安裝位置并安裝就位。

4.5 桁架合龍

1)為保證桁架結構提升就位后與塔架結構順利對接，在連接處預留調整桿件，以調節(jié)施工偏差，最終保證桁架整體尺寸，確保施工質量，調整構件待桁架校正就位后再進行安裝焊接。

2)為確保合龍口在施工過程中因溫度變化而自由伸縮,合龍口處弦桿用連接件臨時連接，腹桿暫不進行焊接。

3)6榀外環(huán)桁架全部校正后進行合龍焊接，先與1，3，5號塔架連接的外環(huán)桁架焊接，再與2，4，6號塔架連接的外環(huán)桁架焊接，單榀外環(huán)桁架一端由下弦向上弦進行合龍焊接。

4)內環(huán)桁架與塔架結構連接的6個端部全部校正后，6道合龍部位同時進行焊接。每道合龍部位按中弦→上弦→下弦的順序進行焊接。

5)為確保合龍口施工過程中的安全，調整桿件安裝就位后,及時將合龍?zhí)幷{整桿件與塔架柱之間的焊縫焊接完畢；然后在同一時間、同一溫度區(qū)間內同時焊接弦桿連接件；最后焊接調整桿件與就位后的桁架焊接，并確保焊接過程中鋼結構本體溫度處于設計要求的合龍溫度范圍內。

4.6 桁架卸載

提升點合龍桿件焊接完畢后，經質量檢驗驗收合格且桁架整體穩(wěn)定后開始卸載。按同步分級、均衡緩慢的原則進行卸載，利用上提液壓千斤頂逐級減荷載的方法進行卸載，每次卸載量取為5mm/10mm。

4.7 反變形措施

桁架地面拼裝時，根據仿真模擬驗算結果進行預起拱，內環(huán)桁架最大下?lián)现等?94mm，桁架拼裝時最大起拱值取200mm。

4.8 風荷載作用下穩(wěn)定性控制措施

根據施工地區(qū)氣候，經過驗算，在8級風的情況下，單榀外環(huán)桁架受水平推力約為80kN，內環(huán)桁架受水平推力約為350kN。

因桁架結構距塔架結構較近，在外環(huán)桁架結構內側上、下弦桿端部設置限位，以控制提升過程中桁架結構過大幅度擺動。內環(huán)桁架自重大，提升過程中擺動較小，無須設置限位。

桁架提升離地前，在其靠近塔架的位置預先掛好鋼絲繩，根據天氣情況，當風力較大時，停止提升，將桁架結構與塔架結構用鋼絲繩、倒鏈連接牢固，防止其水平擺動。

5 結語

1)通過內、外施工平臺協(xié)調配合，在塔架作業(yè)面形成具有視覺屏障作用的作業(yè)環(huán)境，既可作為水平通道和垂直通道，又可作為高空隔離設施，避免人、物下落造成的傷害和損失，使用情況良好，經受住了大風天氣的考驗，并順利通過了塔式起重機附著桿，保證了施工順利進行。

2)超高塔架鋼結構安裝技術大大減少了高空作業(yè)量，既減少了高空吊次，又確保了工程質量；通過采取有效的測量控制措施，消除了溫度效應對結構施工的影響，最終保證了塔架結構的垂直度和頂點水平位移偏差。

3)外環(huán)桁架采用分段提升、分段合龍、分級卸載的方案分別提升就位，提升高度為133m，每榀桁架提升用時10～14h。

4)內環(huán)桁架通過采用大跨度環(huán)形雙層管桁架自旋轉累積提升技術，減少了拼裝胎架的用量，縮短了桁架空中停留時間，減少了高空作業(yè)，節(jié)約施工成本50余萬，取得了較好的經濟效益。

低重力模擬試驗平臺通過采用超高塔架鋼結構安裝技術和超高大跨度雙環(huán)桁架提升技術，成功克服了結構形態(tài)復雜、安裝高度高、體量大、跨度大、結構鏤空及作業(yè)環(huán)境惡劣等多方面困難，歷時3個月完成了塔架鋼結構施工，用時2個月順利完成了超高大跨度雙環(huán)桁架施工。經過頂部桁架端部靜荷載變形檢測，試驗平臺各項指標均滿足設計要求，確保了火星探測器地面模擬試驗的順利進行，充分驗證了施工方案的可靠性和高效性，為類似高聳鋼結構施工提供了借鑒和參考，具有重要的指導意義。