张明亮1,4 李谟康2 王少华3 李述旺3 朱文峰1
(1.湖南省第六工程有限公司, 长沙 410015； 2.湖南长顺项目管理有限公司, 长沙 410114；
3.长沙三远钢结构有限公司, 长沙 410114； 4.吉首大学城乡资源与规划学院, 湖南张家界 427000)
摘 要：以张家界荷花机场航站楼工程为背景,结合工程的技术难度大、施工周期短等特点及施工现场的实际情况,对航站楼主楼屋顶网架拔杆提升施工法的安装工艺流程、安装要点、整体验算分析等进行了较为详细的阐述,并提出了施工中应注意的关键问题。同时对网架关键节点的挠度进行施工过程与围护结构施工后监测,监测结果均满足相关规范要求。实践证明：该网架工程采用提升施工技术进行安装,达到了结构稳定、经济指标合理、施工安全等要求,减少了施工现场脚手架搭设的工作量,为航站楼工程其他专业交叉施工赢得了时间,同时减少了大量的高空焊接作业,取得了良好的综合效益。
关键词：提升技术； 钢网架； 拔杆装置； 工程应用
第一作者：张明亮,男,1983年出生,工学博士,结构工程师,国家一级注册建造师。
Email：hn6jzml@163.com
由于网架结构具有空间刚度大、整体稳定性好、抗震性能强、自重轻、节约钢材等优点,可适用于跨度较大和平面形状不规则的建筑,因此被广泛应用于各类工业、民用建筑,特别是大型体育场、航站楼、会展中心等大跨度屋盖结构。
目前,大跨度空间网架结构施工方法主要有满堂红脚手架施工法、高空散装法、分条或分块安装法、高空滑移法、整体吊装法、提升法及液压顶升法等[1-6]。从施工工期、经济性指标及施工安全性等方面各施工方法均有其优缺点,不同网架结构形式、不同场地条件应分别进行施工方案的选择与优化。针对具体网架工程,应根据其工程实际情况进行综合对比,选取最为科学合理的施工方法。
张家界荷花机场新航站楼由候机楼和主楼组成,平面布置呈“U”字形 (西侧候机楼暂缓施工)。其中主楼屋面最高处标高39.900 m,屋面面积约1.96万m2,屋盖采用双层焊接球网架,网格形式为正放四角锥,最大跨度为48 m,厚度为2.5 m,网格尺寸为(3.0～4.5) m×(3.0～4.5) m,局部为异形网格,支撑在20个四分叉钢斜立柱之上,杆件数为16 191根,焊接球共4 044个,最大焊接球直径达1.2 m,结构造型复杂,呈水晶体结构,屋盖钢结构最大高差达20 m,施工难度大。候机楼屋脊处建筑标高为27.500 m,屋面面积约8 000 m2,屋盖结构采用三角形空间焊接球钢网架形式,网架跨度为32 m,厚度为2.5 m,网格尺寸为(2.5～3.0) m×(2.5～3.0) m,支撑在16个四分叉钢斜立柱之上,杆件数为10 941根,焊接球共2 789个,最大焊接球直径为0.8 m,屋面为连续三角形折板面。航站楼屋盖支座均采用万向抗震球铰支座。航站楼工程示意见图1。
a—鸟瞰；b—平面。
图1 航站楼工程立体示意
1.1 工程主要技术特点及难点
1) 屋盖为多折线、多坡面焊接球网架,多棱、多角,造型复杂。
2) 建筑物为双层结构,局部为3层,夹层内设房中房,网架安装工作面在2层楼面上进行,但吊车、运输车不能上楼面,楼面作业不能使用工程机械施工,施工效率低。
3) 柱网尺寸比较大,有45 m×48 m、45 m×29.5 m、45 m×29 m、48 m×21 m、36 m×32 m等多种。
4) 网架杆件数量多,但同规格和同长度的杆件数量却很少。候机楼杆件种类有764种,主楼杆件种类多达6 427种,现场找杆需要耗费大量的工作时间。
5) 均为焊接球,焊接工作量大,且全部集中在冬雨季施工,需要采取防风、防雨雪、防冰冻措施。
6) 正常的施工周期被严重压缩,且施工周期跨越春节,不能正常采用流水作业。
1.2 网架施工方法比选
由于本工程工期比较紧张,为了在屋盖施工过程中尽可能早地给场内其他专业施工提供作业面, 主楼、候机楼必须同时施工。综合考虑到候机楼高度较主楼低以及安装单位现有的施工机具设备,候机楼采用分片原位液压顶升法,主楼采用分片原位拔杆提升法,悬挑部位均采用三角单元高空散拼装进行施工。采用上述两种施工方法具有如下优点：1)网架的拼装、焊接工作基本可以在现有已施工完的楼面进行,减少高空焊接作业频次和工作量。2)可利用网架坡度大的特点,采用分层交叉作业的方式,构件组拼装在第1层,焊接在第2层,根据焊接进度情况可在第3层进行构件表面的防腐防锈处理,主檩条施工在第4层,可达到缩短工期的效果。3)网架顶(提)升到一定高度后,在网架下方搭设相应防护措施,而后可开展与其他专业的交叉作业。4)节约施工机具设备的投入。因文章篇幅有限,本文仅对主楼网架工程的拔杆提升施工技术进行介绍。
主楼东西长196 m,南北长度达128.4 m,网架结构三维轴测示意如图2所示。
图2 主楼网架轴测示意
施工平面分区见图3,其中 C1—C3区为主楼室内屋面,C4区属于室外悬挑屋面。
图3 网架施工分区示意
根据网架材料加工供应周期及施工现场提升机具设备的数量,网架分3个片区进行提升,先进行C2—C3区的施工,待支座斜撑杆安装完形成整体后,将拔杆拆除至C1、C4区进行施工,各片区在高空补杆连成整体,四周悬挑部分采用汽车吊进行三角单元高空散拼。其中C1—C3区在标高8.000 m层楼面进行组装后再逐步提升,C4区在地面组装后再整体提升。
2.1 网架安装流程
网架安装工艺流程如图4所示。
图4 网架安装工艺流程
2.2 拔杆提升装置
拔杆提升装置由拔杆底座、标准节、十字头、电动倒链、缆风绳、地锚等主要部件组成。提升装置底座放置在混凝土柱与混凝土梁节点上,拔杆四肢与混凝土梁、柱采用化学锚栓固接,标准节之间用法兰螺栓连接,十字头固定在标准节四肢之上,如图5所示。施工时拔杆的固定优先采用自身稳定方式,可减少缆风绳张拉对施工场地的干扰；当楼面无法埋设化学锚栓时,采用缆风绳方式进行固定。
a—拔杆头立面;b—拔杆头俯视;c—拔杆脚部俯视;
d—拔杆脚部立面。
1—十字头H350×250×6×12;2—辍杆
根据网架拔杆提升点的位置,计算各拔杆支点在分区网架提升到结构标高时的最大反力,然后采用同济大学3D3S 12.0钢结构设计软件对拔杆进行强度、稳定性验算。经验算,采用图5所示中的构件组合满足结构对安全性能的要求。
2.3 楼面拔杆布置及安装
根据施工现场的实际情况以及拔杆提升装置的承载能力,在主楼共设置40组刚性拔杆,其中C1—C3区拔杆安装在8.000 m楼面上,考虑到集中荷载比较大,宜优先布置在混凝土梁、柱顶部,C4区拔杆安装在地面。拔杆平面布置如图6所示。
图6 拔杆装置布置
土建施工时,在C1、C3区各设有1台塔吊,拔杆构件运输到现场后,采用塔吊吊到楼面上,先在楼面上组成标准节；在塔吊限重限高的允许范围内,组合成3～5节组,利用塔吊立起来,并吊到安装位置,用螺栓连接紧固；当拔杆高度超出塔吊的限高部分,利用标准节自身附带的提升装置,采用分件吊装,高空散装至各拔杆施工所需高度。拔杆现场组装情况见图7。当拔杆的安装高度大于15 m时,为避免顶部摇晃,减少安全隐患,用缆风绳进行临时性张拉固定。
a—标准节楼面组装;b—标准节吊装拼装。
图7 拔杆现场组装
对无法布置在混凝土柱顶的拔杆,为提高混凝土结构的安全性,在8.000 m层与地面之间加设竖向传力支撑,将拔杆轴力传到混凝土地面。同时为使竖向传力装置受力的连贯性,在传力支撑底部用千斤顶施加预应力,预应力不宜小于20 kN,也不宜大于顶升架轴力的50%。
2.4 网架提升验算
网架整体提升前,采用MST 2014软件对其进行验算分析,主要验算步骤如下：1)建立结构力学模型；2)按照结构设计施工图将网架的杆件截面配置进行模型定义；3)按提升点设置定义网架支座约束；4)对网架提升支点进行验算,可得到网架杆件的应力分布情况、提升支点的反力、网架挠度等结果。如计算结果中有超应力杆件出现,则必须进行相应杆件的加固或置换处理。经验算,航站楼主楼网架在提升过程中有部分杆件呈现超应力,经原设计院审批,现场采用加大杆件截面的方式进行处理。考虑到施工后更换杆件工作难度大、施工繁琐,该部分杆件替换后不再换回原设计杆件,替换后杆件的位置及型号规格在深化设计图中标明。
3.1 材料转运
网架构件运输到现场后,利用塔吊将构件从材料运输车上直接吊到8.000 m楼面,并按网架安装顺序进行平铺,节约了材料的二次转运时间。此外,由于楼面只堆放有网架材料,有利于材料的现场管理及施工阶段材料的查找,材料现场布置如图8所示。当网架材料备齐后,为减少塔吊高空作业对拔杆的影响,将塔吊予以拆除。
a—杆件;b—焊接球。
图8 网架材料现场布置
3.2 构件组装与提升
3.2.1 放样与组拼
主楼网架施工采用楼面(地面)原位提升法,基准网格的定位为屋面锥顶处下弦球节点坐标的投影位置。采用全站仪进行定位,标出节点中心线,选取具有代表意义的几个焊接球的垂直投影中心位置,钻一个6 mm直径小孔作为基准点,同时,作为网架提升过程控制垂直偏差的监测点。网架安装作业面为楼面(C4区为地面),平整度较好,有利于施工放线和复核。利用土建工程的控制网线,在楼面上按网架的网格尺寸进行精确放线,并弹出焊接球定位十字线。但楼面混凝土浇筑时难免高低不平,同时为现场焊接操作的方便以及为控制挠度而进行预起拱的操作,将焊接球整体抬高0.4～0.6 m进行拼装,同一平面的基准网格节点球保持在同一水平面上,用水准仪近距离测量,使其不平度偏差控制在±2 mm内。
网架网格拼装从中间的屋面锥顶开始,先拼下弦网格,然后拼装腹杆和上弦球,形成稳定的空间结构体系后,再向四周展开。当网架向外扩展没有达到拔杆提升工作范围内时,采用三角支撑架手动倒链提升法进行提升,如图9所示。当扩展达到拔杆提升工作范围内时,再采用拔杆提升法进行施工。
图9 手动倒链三角支撑提升架
网架安装时无法避免会存在初始几何偏差、焊接收缩变形、结构温差变形等现象,因此,在安装过程中会产生安装误差。为减小误差的积累,在每安装完一个工作面层的构件后,立即进行复测,一旦有某项指标超出控制范围,在安装下一个工作面层时,则采用反误差的方式进行消除,即逐层调整,消除安装累积误差,这是该工程网架安装精度控制的关键技术之一。
3.2.2 网架提升前工作
网架提升前应对拔杆装置的垂直度进行测量,检查电动倒链的型号、规格是否一致以及空载时工作性能是否正常；检查缆风绳的张拉固定系统是否牢靠；检查参与同步提升的全部电动倒链是否一机一闸,且要接到一个总电闸下,实现倒链的同步启停或单个启停。
3.2.3 网架预提升
将网架提升约0.2 m,对网架杆件、拔杆装置、缆风绳及地锚进行全面检查,主要检查网架边杆的受力情况,有无压弯失稳和凹陷等现象,并及时做好记录,如有失稳杆件,则应进行加固处理；检查节点连接焊缝是否开裂或脱落,如有异常则应按焊接工艺要求及时补焊后方可继续提升。同时检查拔杆的4台电动倒链是否已全部张紧,且承载力值是否基本相同。
3.2.4 网架正式提升
网架每提升0.5～0.6 m后,应停机检查一次,如监测到不平度不满足相关规范[7-10]要求,应及时停机调整,并查明原因。同时调整网架下弦的不平度,当不平度超出10 mm时,对个别拔杆的提升高度进行微调,将不平度控制在10 mm以内。在拔杆附近的下弦球上吊挂30 m钢盘尺。提升前,将盘尺调成统一尺寸数值,且下部悬重应一样,并在吊挂标尺下方设置等标高的参照物。在提升过程中,应密切观察每座拔杆的提升高度,用水平仪监测参照点的标高,将网架在提升过程中的不平度控制在20～30 mm以内。
当网架提升到四周底部可以安装一排上、下弦杆时,停止提升,锁定倒链,进行网架杆件、焊接球的楼面焊接工作；待焊接工作完成,按钢结构施工技术相关要求[7-10]进行焊缝的探伤检测,满足要求后再进行提升,依此循环。提升高度达到结构设计高度时缓慢释放牵引倒链的应力,使网架缓慢回位,直至支座位置和支撑柱预埋件重合。同时锁定倒链,保持网架的空中姿态,分多组安装支座斜撑杆,尽快使网架结构形成整体稳定受力体系。四周悬挑部分采用高空散装法时,应将预散装的网架杆件及球拼成小三角单元,按顺序依次放置在平整地面上,以便吊车的吊装。网架提升施工过程如图10—图12所示。
a—C2、C3区锥顶组拼;b—C2、C3区连成整体；c—C2、C3区整体
提升；d—C1区锥顶组拼；e—C1区提升；f—C1—C3区连成整体。
图10 网架施工过程示意(C1—C3区)
网架提升过程中应观察缆风绳与拔杆、缆风绳与地锚的连接卡是否有松动现象。
3.3 施工监测与纠偏
网架在提升过程中应加强同步监测与纠偏、校正工作,电动倒链必须同步提升,保持网架的整体水平。各提升点的允许差值为顶升间距的1/400,且不应大于30 mm,否则会引起网架杆件内力和拔杆轴向压力的变化。在网架提升到结构设计标高时,根据网架支座球与支座的实际距离,采用手动葫芦与钢丝绳或缆风绳对网架进行平面调整,使支座球坐标达到设计要求。
3.4 高空补杆
在各分区网架提升到设计标高后,区间上、下弦杆、腹杆各剩一排,采用高空补杆施工法进行,利用已完网架为支点,用卷扬机将杆件吊拉到位进行焊接。
a—地面组拼;b—整体提升;c—C1—C4区连成整体。
图11 网架施工过程示意(C4区)
3.5 卸载及拔杆拆除
由于主楼网架支座杆件比较多,而且杆件直径比较大,网架提升到位以后,分多组安装支座杆件,支座杆件从中间的支座开始安装,向两端或向周边方向延伸,支座杆件全部安装固定以后,提升系统设备同步卸载。拔杆卸载分三步进行,首次下降不宜超过5 mm,停顿时间不宜少于3 min,在卸载过程中出现异常响声时,应停止卸载,及时查明原因；第二次下降不宜超过10 mm,停顿时间不宜少于1 min；第三次下降不宜超过15 mm；当下降累积量达30 mm时,拔杆卸载基本完成。
本工程拔杆为组合式可拆分单一杆件,利用网架球作支点,逐一拆除,转移到其他待施工片区重新安装。拔杆拆卸到网架下弦球高度时,在拔杆上铺设木板,并用铁丝捆牢,在临边搭设挡脚板及防护网作为操作平台,填补抽空的杆件和球。
a—锥顶处下弦网格组拼;b—锥顶组拼;c—网架拔杆提升;d—正视;e—侧视;f—C4区地面提升;g—四周悬挑处三角单元散装。
图12 网架现场安装
4.1 质量标准
网架工程施工质量标准严格按照相关规范规程[7-10]执行。
4.2 质量控制措施
1) 严格按工程结构设计图纸、钢结构相关规范[7-10]规程组织施工和质量检查,确保工程质量。
2) 拔杆的垂直度和稳定性是提升施工的关键,应反复测量,并实时监控。
3) 网架提升过程中,必须由专人现场指挥,专业吊装人员操作,测量人员同步配合控制,同步顶升。
4) 网架全部提升到位后,按相关施工技术要求进行焊缝超声波探伤检验和网架挠度监测,并做好记录。本工程在1/4跨中等网架关键部位设置控制点进行挠度监测,监测记录数据见表1,测点布置如图13所示。
从表1中可以看出,网架主体安装就位后的最大挠度为29 mm,檩条安装完后的最大挠度为41 mm,屋面板安装完后的最大挠度为47 mm,均出现在6号节点(C1区锥顶位置),但各测点的挠度值均满足GB 50205—2001《钢结构工程施工质量验收规范》[7]的允许值。并且通过监测网架在屋面檩条、屋面板等围护结构安装完后的挠度值可知,各测点挠度值均满足结构安全性要求,为工程使用阶段的结构安全性提供了较为科学的依据。
表1 网架关键控制点挠度监测数值 m
控制点球心标高安装高度网架自重工况(网架自重+主檩)工况(网架自重+主檩+屋面板)工况高度测量值挠度值高度测量值挠度值高度测量值挠度值结果121.09220.89220.8770.01520.8610.03120.8560.036满足232.30032.12532.1090.01632.0920.03332.0820.043满足323.22523.02523.0090.01622.9900.03522.9810.044满足436.20036.00035.9810.01935.9770.02335.9620.038满足522.24522.07022.0440.02622.0340.03622.0280.042满足632.30032.12532.0960.02932.0840.04132.0780.047满足720.17520.02520.0090.01619.9980.02719.9950.030满足820.87520.72520.7110.01420.7020.02320.6970.028满足920.17520.02520.0120.01320.0010.02419.9960.029满足
注：表中高度值为相对于原结构设计标高。
注：图中监测点均位于网架下弦球节点。
图13 网架关键监测点平面布置
4.3 提升施工安全措施
1) 在施工组织和管理上,采取一系列安全措施,如明确指挥系统、定岗定员,编制岗位责任制等。
2) 高空焊接作业时,操作人员必须佩戴好安全帽、安全带和工具袋。
3) 网架在提升过程中,严禁放置其他物品,以防顶升过程中跌落伤人。
4) 确保电动倒链等提升系统的安全可靠。
5) 遇五级以上大风时应停止提升工作。
结合工程的特点及施工现场的实际情况,采用
提升施工法对张家界荷花机场新航站主楼焊接球屋顶网架工程进行安装,省去了高空脚手架的搭设,节约了施工成本,缩短了工期,减少了安全隐患,在楼(地)面焊接网架构件便于质量控制,减少了大量的高空焊接作业,且为航站楼工程其他专业交叉施工赢得了时间,取得了良好的综合效益,值得推广应用。
参考文献
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APPLICATION OF LIFTING CONSTRUCTION TECHNOLOGY IN THE STEEL GRID OFZHANGJIAJIE HEHUA AIRPORT TERMINALZhang Mingliang1,4 Li Mokang2 Wang Shaohua3 Li Shuwang3 Zhu Wenfeng1
(1. Hunan No.6 Engineering Co.Ltd, Changsha 410015, China； 2. Hunan Changshun Project Management Co.Ltd,
Changsha 410114, China； 3. Changsha Sanyuan Steel Structure Co.Ltd, Changsha 410114, China；
4. College of Resources and Planning Sciences, Jishou University, Zhangjiajie 427000, China)
ABSTRACT：Taking Zhangjiajie Hehua airport terminal project as research background, based on complicated technique, short construction period and the actual situation of construction site, the installation process, main points and calculation analysis of pulling-bar lifting construction method for the roof grid of main building were elaborated in detail, some key problems during construction were also proposed. The key node monitoring of the deflection deformation during the construction process and after palisade structure construction were carried out, the monitoring results could satisfy the requirements of relevant specifications. The results showed that the stability of structure, reasonable economic indicator, construction safety were realized by using lifting construction method. In addition, the erection workload of scaffold construction was also reduced. The time was saved for other majors' cross-operation construction, welding operation above the ground was reduced greatly and good comprehensive benefits were achieved.
KEY WORDS：lifting technology; steel grid; rocker device; engineering application
收稿日期：2015-10-08
DOI:10.13206/j.gjg201601018
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