1 工程概况
东航西安维修基地新机库建成后成为空客系列在西北地区功能最完善的大修中心.其建筑面积约13 000 m2,机库大厅平面呈长方形,长度为155 m,宽度为85 m,其屋盖由大厅部分的钢网架和大门钢桁架组成,形成三面支承、门架侧一面敞开的钢结构组合体系(图1).该结构最大的特点是大门桁架部分形成大吨位大跨度的空间悬挑结构,施工采用液压控制同步提升的方案.
2 结构概况
机库大厅采用3 层正交斜放焊接球网架,网格尺寸6 m×6 m,矢高为3 m+3 m,网架结构质量为1 380 t,网架在东、南、西三面共由28 个设置在钢筋混凝土排架柱上的固定球铰钢支座支承.北面敞开设机库大门,大门桁架采用焊接箱型梁及焊接H型钢组成,外桁架HJ-1呈悬挑状,水平悬挑5 m,质量580 t,内桁架HJ-2两端通过万向球铰支座支承,桁架下弦标高22 m,高度为14 m,高度上相对网架上弦平面垂直悬挑7 m(图2).桁架部分总质量约1 180 t,跨度155 m.钢结构材质均为Q345B.
3 施工难点[1-3]
(a)大门桁架悬挑结构呈现大吨位及大跨度的特点,这种结构设计上在国内尚属少见,该结构也堪称"西北第一跨",对设计施工、组织管理等方面综合技术的应用提出了较高要求.
(b)整体屋盖钢结构由钢网架和钢桁架组成,网架和桁架的结构覆盖面积比为16∶1,但质量比为1.17∶1,整体重心显着偏向悬挑端.
(c)根据整体有限元模型计算结果,桁架的单个吊点提升反力达到8 805 kN,2 个桁架吊点总的反力达到了整个提升重量的1/2以上.
(d)桁架相对网架上弦平面垂直悬挑7 m,在提升过程中对整体稳定性有一定影响,需要分析提升不同工况下连接杆件的应力变化情况,保证结构安全.
4 总体方案
(a)共设16 个结构提升点,每个提升点在柱顶设置格构式提升架,安装液压提升器(图3),将大门钢桁架和网架在投影位置地面拼装成型,用液压提升器将钢屋盖整体提升到安装位置,再补空安装周边支座和杆件,最后结构成型并整体卸载.
(b)根据结构的实际提升方案,建立整体有限元模型,采用MIDAS/GEN 8.0进行空间分析和计算,根据各提升点的反力值进行提升架设计、提升器配置及加固设计.
(c)桁架的提升点设在桁架HJ-2两侧共2 个,上吊点用集群液压提升器提供该点8805kN的提升力,下锚点设在桁架下弦的钢托梁底部.
(d)网架部分共设置14 个提升点,上吊点提升油缸设置在排架柱顶的提升架上,提供最大827 kN的提升力,下吊点利用增加的临时杆件和节点,在高空补空杆件安装以后将其拆除.
5 配套设计及技术措施[4-8]
5.1 桁架提升体系
(a)由于桁架的单个吊点提升反力达到8 805 kN,为了解决大吨位级提升力的需要,桁架吊点设计采用4 个3 500 kN液压提升器共同作用,经过2 个并列的格构柱型式提升架使支承柱受载.通过钢绞线连接上、下吊点,提升器的提升力通过上吊点-钢绞线-锚具-支承结构-桁架(网架)的途径传递,实现结构的整体提升.同时设置后侧预拉力锚点,预拉力点采用2 台2 000 kN提升器,提升过程中与主吊点按比例同步加载,预拉力均预紧到1500kN.
(b)桁架支承柱柱顶标高为+21.08m,在土建施工的同时安装提升架预埋件,实现提升体系与土建混凝土柱之间承载力的有效传递.
(c)桁架提升架主体结构由箱型梁和箱型立柱组成,侧面为π字形,高度5m(图5).构造设计既要考虑承载力要求,也要考虑杆件空间位置的要求,即不能出现提升架与补空构件干涉的情况.经计算,得出施加预拉力对提升架结构受力有明显效果.
(d)桁架下吊点处将HJ-2端部断开,提升受力点设在下弦,形成型钢扁担梁形式,并增加加固杆件对下弦补强加固.
(e)桁架提升架预拉力由设在桁架混凝土柱承台内的地锚提供,地锚承载力由预埋侧板与混凝土之间的摩擦力和粘结力、下部横向锚板的锚固力及横销的锚固力3 部分组成.
该方案的提升预拉力设置有效解决了提升重量平衡力的问题,根本性地改善了混凝土柱的偏心受力状况.
5.2 网架提升体系
(a)网架提升架采用三角形格构柱,3 个立柱呈品字形布置,前1 根立柱轴心受压,后2 个受拉,高度为2.5 m.其优点在于保证提升架受拉侧强度的同时提高了稳定性,也便于提升到位后周边网架杆件的高空补空.
(b)下吊点按柱轴线与网架吊点的位置关系设置,吊点相对网架下弦下移500 mm,使5 根辅助杆件同时受力.
5.3 排架柱受力校核
(a)提升时,网架排架混凝土柱处于偏心受力状态,需要对柱的强度及稳定性进行校核验算,保证排架柱体系安全.
(b)混凝土柱的验算内容有:柱体受压强度验算、柱顶预埋件的验算、柱顶局部受压承载力验算.桁架、网架的提升点混凝土柱按最不利的工况取荷载值,计算结果均应在允许范围内.
(c)在正式提升前,将排架柱之间的连系杆件和柱间支撑都安装完成,使排架柱形成整体受力体系,以提高提升受力体系的安全度和可靠度.
5.4 提升状态模拟分析
结构提升过程中,16 个提升点之间所有可能的最大位移差的组合很多.从这些组合中针对桁架结构处于大吨位水平和垂直悬挑的结构特点,选择较为不利的16 种工况对结构变形和应力进行分析,对于应力比大于0.9的杆件进行截面替换,对于网架与桁架交界处的连接杆件重点对待.
5.5 同步度控制
工程实施采用了先进的流量分配控制系统,即计算机控制系统构成"传感器-计算机-泵源比例阀-液压提升器-提升架结构"的闭环系统,提升过程由传感器实时采集位移检测信号、计算机计算其差值、系统自动均衡液压流量,从而控制整个提升过程的同步性.
6 提升过程
6.1 结构预提升
(a)液压油缸按20%、40%、60%、80%、100%的比例分级加载,直到使结构整体离地,提升高度约300 mm时,悬停≥8h.
(b)检测提升点的位置和标高,与初始标高的理论值进行比较并调整,确定同步提升的标高初始值.
(c)用经纬仪在侧面观测地面上主桁架和上部桁架之间的对接口位置情况,如有偏差要调整吊点预处理,确保一次性提升到位对接成功.
6.2 同步提升
(a)整个屋盖大厅钢结构质量2 560 t,提升系统对每个提升吊点的液压提升器施以均恒的油压,吊点以恒定的载荷力将结构向上提升,保持初始状态直至提升到预定高度.
(b)采取位移同步控制措施,通过位移传感器实时向系统控制中心传递提升位移的数据信息,数据处理一旦发现超差则自动进行调整,对桁架悬挑端重点监测同步度、垂直度及挠度变化值,使提升过程各吊点之间标高不同步偏差控制在15mm以内.
(c)整体提升的速度取决于液压泵站的流量、锚具切换和其他辅助工作所占用的时间.经实际测算,提升速度约200~250 mm/min,在液压油缸往复运动的过程中,启动和制动时各点的载荷会增加2%,在计算中考虑了1.1的动载系数,启动和制动加速度为0.2 m/s2,加速度极小,保证了整体悬挑结构的同步平稳提升.
6.3 高空补空安装
结构整体提升至设计位置后,各吊点微调使桁架和网架精确提升到达设计位置,然后补充安装周边杆件,完成后,网架及桁架整体卸载落位于球铰支座上,最后拆除提升系统设备和提升支架,完成整个提升施工的过程.
7 结语
该工程顺利完成大吨位大跨度钢结构整体同步提升,对比桁架提升架体系计算值与实测值:悬挑结构提升的技术指标在可控范围内.施工安装完成后钢网架、钢桁架纵横向长度偏差、支座中心偏移、挠度值等指标均符合设计要求.施工方案在技术先进、质量保证、缩短工期、经济性合理之间取得了最佳结合,为同类型工程积累了施工技术方面的经验.
参 考 文 献
[1] 陈志阔.超大体量钢结构屋盖整体提升技术的研究与应用[J].建筑施工,2010(3):237-239.
[2] 李建全,陈至诚,匡礼毅,等.浦东机场波音机库钢屋盖结构液压整体提升施工技术[J].钢结构,2010(8):65-67,82.
[3] 郭彦林.郭宇飞,刘学武.大跨度钢结构屋盖落架分析方法[J].建筑科学与工程学报,2007(1):52-58.
[4] 张弓,李旻,张福川.大跨度钢桁架拼装技术[J].建筑技术,2010(6):497-499.
[5] 余士奇,张卓阳.钢屋盖主桁架球形支座应用技术[J].建筑技术,2010(6):500-502.
[6] 吴轶群,巢斯.同济大学游泳馆张弦钢屋盖施工技术[J].施工技术,2007(10):22-24.
[7] 张同波,周伟桥.青岛国际会展中心钢结构施工技术[J].建筑施工,2007(4):242-244.
[8] 葛倩如,刘成清.钢结构屋盖加固方法与施工注意事项[J].安徽建筑,2011(4):143-144,148.
