大跨度拱形焊接球網(wǎng)殼單側液壓頂升施工技術分析與應用

申新華,王 鵬

(山西四建集團有限公司,山西 太原 030012)

0 引言

網(wǎng)殼結構具有安全性好、覆蓋面積大、結構自重小、充分發(fā)揮材料性能、建筑形態(tài)靈活等優(yōu)勢,被廣泛應用于各種民用和公用建筑。常用網(wǎng)殼安裝方法包括滑移法、提升法和頂升法。滑移法所需勞動力較少,場地要求小,但高空作業(yè)多,施工進度慢;提升法施工速度快,對機械要求低,但對場地要求較高,不適于場地緊張項目;頂升法分為單側頂升法和雙側同步頂升法,其中雙側頂升施工速度快,但易整體傾覆,單側頂升將高空作業(yè)轉移至地面工作,結構穩(wěn)定性和安全性較好。

1 工程概況

本工程為封閉煤場鋼結構網(wǎng)殼,采用正放四角錐焊接球節(jié)點。網(wǎng)殼跨度90m、長度250m、厚度3.048m,支座標高4.700m。上弦層恒荷載0.25kN/m2,活荷載1.5kN/m2,基本風壓0.4kN/m2,基本雪壓0.35kN/m2。

該工程施工周期緊張,須在100d內(nèi)完成A,B區(qū)共250m長網(wǎng)架拼裝,并且場地兩邊設置圍墻,施工場地緊張。通過方案比選、模擬計算分析和BIM film動畫模擬過程控制,創(chuàng)新性地使用液壓頂升施工工藝,將網(wǎng)架一端與支座鉸接連接,另一端通過頂升支架,向外延伸拼裝網(wǎng)殼,進而實現(xiàn)網(wǎng)架拼裝。該方法受場地限制較小,且極大地縮短了工期,該工藝為山西省首例。

2 網(wǎng)殼頂升施工技術應用

2.1 工藝流程

網(wǎng)殼頂升工藝流程如圖1所示。

圖1 工藝流程

2.2 施工方法

1)對起步跨網(wǎng)殼進行地面拼裝,拼裝完成后吊裝至支座位置。

2)網(wǎng)殼就位后,在下弦球位置布置頂升支架,通過液壓頂升進行續(xù)拼,拼裝過程中,通過拉結鋼絲繩控制網(wǎng)殼線形。

3)拼裝至就位位置,將網(wǎng)殼頂升至設計標高,就位跨網(wǎng)殼采用地面拼裝后吊裝就位。

2.3 網(wǎng)殼頂升技術

2.3.1起步跨吊裝

首先起步跨網(wǎng)殼地面分塊拼裝,拼裝完成后吊裝就位于臨時支座(見圖2)。每個分塊最前端下弦球節(jié)點處間隔設置支架,分塊間預留嵌補段,相鄰分塊采用相同方法就位后,矯正標高、線形后,嵌補2個分塊間網(wǎng)格,按此方法類推,直至完成起步跨安裝。

圖2 臨時支座

2.3.2網(wǎng)殼單側頂升

1)頂升點布置 根據(jù)施工特征及計算分析,對網(wǎng)殼頂升點進行合理布置(見圖3),從第5個網(wǎng)格開始采用頂升裝置,沿縱向?qū)ΨQ設置10個頂升點;續(xù)拼至1/3跨度,增加頂升點數(shù)量,與支座數(shù)量相同。

圖3 網(wǎng)殼頂升點平面布置

2)頂升系統(tǒng) 工程選用100t自鎖式千斤頂作為動力裝置,配備有頂升支架、集成控制臺等。頂升支架就位如圖4a,開始頂升時,通過油缸將支架頂升至下方空間>1.2m(見圖4b),安裝標準節(jié)至支架下部(見圖4c),然后油缸回落,使支架落于基座上,千斤頂繼續(xù)回落,取下千斤頂和頂升承壓板,換至倒數(shù)第2個標準節(jié)上,如此往復,直至將網(wǎng)殼頂升至設計標高。

圖4 頂升支架標準節(jié)安裝

3)頂升施工 將液壓頂升支架設在下弦球節(jié)點處,油缸同步頂升,向前續(xù)拼網(wǎng)格,當下一個下弦球節(jié)點頂升至能放入油缸高度,保持前一個下弦球油缸不動,下一個下弦球節(jié)點布置油缸,油缸受力后,移除前一個下弦球節(jié)點油缸,逐步完成網(wǎng)殼拼裝。所有工作均在地面完成,避免高空作業(yè)。拼裝過程中為防止網(wǎng)殼前傾,拉結鋼絲繩。

2.3.3網(wǎng)殼就位

頂升點設在下弦第30個球節(jié)點處(見圖5),先安裝第30個下弦球頂升點,待頂升點安裝完成后,拆除第26個下弦球頂升點;16個油缸同步頂升至設計標高;將剩余桿件與球節(jié)點在地面拼裝成塊體,使用起重機吊裝至就位標高,與頂升部分網(wǎng)殼進行對接,待桿件節(jié)點全部對接完成且整體驗收合格后,16個油缸同步卸載,直至網(wǎng)殼落在軸支座位置,最后拆除液壓千斤頂與頂升支架。

圖5 網(wǎng)殼就位

3 頂升質(zhì)量控制

3.1 偏移控制

單側頂升過程中,已拼裝完成的球節(jié)點,隨頂升高度增加,節(jié)點以臨時鉸支座為軸旋轉,球節(jié)點向臨時支座方向偏移,故頂升一定行程后,油缸頂部存在一定偏移量。隨著跨度增大,網(wǎng)殼球節(jié)點旋轉偏移量呈遞減趨勢。處理措施如下。

1)頂升點數(shù)量少于支座數(shù)量時,網(wǎng)殼頂升高度相對較低,偏移量較大,采用每續(xù)拼1個網(wǎng)格向前倒換1次頂升支架的措施。續(xù)拼1個網(wǎng)格后,頂升網(wǎng)殼至前端網(wǎng)格下弦球節(jié)點能放入油缸高度,之后頂升前端下弦球節(jié)點,完成頂升點轉換,如圖6所示。

圖6 提升點轉換

2)續(xù)拼至1/3跨時,頂升點頂升至能向前續(xù)拼1個網(wǎng)格高度后,保持其余油缸處于鎖定狀態(tài),單油缸卸載向支座偏移一定距離,按此方法調(diào)整所有頂升油缸,使網(wǎng)殼在續(xù)拼工況下,油缸垂直受力,如圖7所示。

圖7 偏移量控制原理

3.2 網(wǎng)殼強度、穩(wěn)定性、線形控制

1)強度控制 采用軟件計算分析得出不同工況下網(wǎng)殼撓度、桿件應力(見圖8a,8b)。將強度應力比超限桿件更換后再次復核驗算,確保整個頂升過程無強度應力比超限桿件。針對穩(wěn)定應力比超限桿件,采用周轉式桿件臨時加固器加固(見圖8c),網(wǎng)殼整體就位后,拆除臨時加固器。臨時加固器采用等邊角鋼對扣,外側采用快拆夾具固定。在最后一個頂升工況下,網(wǎng)殼自重、頂升高度最大,原設計圖中空心焊接球強度無法滿足頂升反力,通過分析計算,將球節(jié)點更換為帶肋焊接球,肋板厚度同球節(jié)點壁厚,有足夠強度、剛度完成頂升作業(yè)。頂升過程中,對網(wǎng)殼進行健康監(jiān)測。根據(jù)各工況分析計算結果,識別在頂升過程中應力變化較大桿件,設置應變計,實施采集數(shù)據(jù),將實際工況與計算工況對比分析,確保頂升過程無超應力桿件。

圖8 網(wǎng)殼強度控制

2)網(wǎng)殼穩(wěn)定性 網(wǎng)殼單側液壓頂升油缸通過智能同步頂升系統(tǒng)實現(xiàn)同步頂升,保證網(wǎng)殼每個頂升點均勻受力。頂升點底部采用預制混凝土基礎,基底處于統(tǒng)一標高的同時,提供足夠地基承載力。

3)網(wǎng)殼線形控制 線形控制通過坐標測量法、尺量法相互校核。①坐標測量法:選取縱向?qū)ΨQ軸線為線形監(jiān)測軸線,在前端網(wǎng)格頂升到位后,采用鋼絲繩在支座軸線下弦球節(jié)點與頂升點下弦球節(jié)點拉通線,找到兩球節(jié)點最小距離(即在表皮找出球節(jié)點法向切點),做好標記后,粘貼反光標靶,靶心與標記重合。將全站儀架設于兩點之間,測量兩點坐標后,建立自由坐標系即可確定已拼裝網(wǎng)格線形。提取頂升點z向高程,將設計網(wǎng)格線形在軟件中旋轉相同角度,比選2個球節(jié)點外表皮中點距離,之后通過調(diào)整倒鏈控制線形,如圖9所示。②尺量法:通過CAD測量最前端下弦球節(jié)點與支座球節(jié)點球心距離,選取球節(jié)點兩側桿件作為測量實體,測量桿件與球節(jié)點焊縫點凈距。將計算數(shù)值減去桿件半徑、焊縫余高得到的理論數(shù)值與實測數(shù)值比對,通過張緊倒鏈調(diào)整線形。

圖9 通過張拉鋼絲繩控制線形

3.3 頂升支架穩(wěn)定性控制

在頂升和續(xù)拼過程中,沿縱向及跨度2個方向,將下弦球節(jié)點與頂升支架拉結纜風繩,形成倒三角結構,控制支架穩(wěn)定性,每3個標準節(jié)拉結1組纜風繩。支架頂部與網(wǎng)殼下弦球兩側桿件采用U形箍拉結。

4 結語

單側頂升施工工藝改變了原有網(wǎng)架拼裝高空作業(yè)多、時間久缺點,使高空作業(yè)變成地面作業(yè),減少了安全隱患,極大地提高了施工速度,通過地面作業(yè),更好地控制網(wǎng)架施工質(zhì)量,降低了成本,提高了項目綜合效益。

但采用該方法可能會導致網(wǎng)架整體傾覆或偏移量過大使跨度超過設計值,因此在過程中,應做好模型計算并增加相應監(jiān)測措施,通過位移計、應變計等對頂升階段變形進行實時監(jiān)測,進而控制施工質(zhì)量。