某會展中心登錄廳大跨度鋼屋蓋施工技術研究

王宇安,孫守吉,黃樂洋

(中國建筑第八工程局有限公司西北分公司,陜西 西安 710065)

1 工程概況

西安國際會展中心二期展覽中心項目包括1個登錄廳、2個標準展廳、4個重型展廳、中央廊道及地下車庫(見圖1),建筑面積約19.5萬m2。登錄廳頂部為鋼桁架結構,寬91.5m、長108m,屋面標高38.700m,最大跨度為54m,最大懸挑17.75m。登錄廳鋼結構底部為獨立十字混凝土柱支撐,桁架外圍為懸挑結構,中間為大跨度交叉異形桁架且形狀特異(見圖2)。

圖1 展覽中心項目效果Fig.1 Effect of the exhibition center

圖2 登錄廳鋼結構效果(單位：m)Fig.2 Effect of login hall steel structure(unit：m)

2 施工難點及方案

2.1 施工難點

1)登錄廳鋼結構采用2臺260t履帶式起重機進行雙機抬吊,起重機需在地下室頂板上行走作業,對既有結構影響較大,確?；仨斀Y構在承擔上部荷載時形變量處于絕對安全可控的區間是施工難點。

2)由于場地受限,鋼結構拼裝采用場外小拼、場內整拼施工工藝,整體安裝精度要求高,需采取對應措施控制拼裝精度。

3)大跨度鋼結構采用雙機抬吊,如何確保吊裝過程中同步起吊、桁架應力及應變在可控范圍內是施工難點。

4)結構外圍為懸挑桁架,確保在高懸挑桁架安裝、卸載時的施工可靠性是施工難點。

2.2 施工方案

1)針對履帶式起重機行走在地下室頂板問題,采用回頂支撐+路基箱的加固方式。地下室頂板底部采用圓管回頂鋼支撐,頂板上部輔助加固措施采用路基箱,進行仿真分析確定圓管及路基箱規格型號是否滿足荷載要求。

2)針對場外小拼、場內整拼安裝精度控制,利用BIM建模、高精準測量技術,對鋼桁架結構、下部支撐結構進行建模,合理分段、劃分小單元,確定節點,根據建模提供的數據,通過高精準測量儀器標記節點,吊裝時進行精準對接。

3)針對雙機抬吊過程中同步起吊、桁架應力及應變,采用BIM,MIDAS等對鋼桁架結構吊裝進行仿真模擬,確定合適吊點,分析應力、應變,確?？煽?。

4)針對外圍懸挑桁架,安裝時采用標準節支撐架技術,使用仿真模擬進行受力分析,檢驗各施工工況安全可靠性。

3 施工技術

3.1 工藝流程

工藝流程為：地下室頂板加固→樓板鋪設路基箱、大型履帶式起重機進入樓板內→場外小拼單元拼裝→場內整體拼裝→安裝兩側臨時支撐架→安裝柱頂埋件及抗震球形支座→安裝格構柱→主桁架拼裝、雙機抬吊安裝就位→次桁架、懸挑桁架分單元吊裝→桁架吊裝完成→整體卸載→登錄廳桁架安裝完成。

3.2 地下室回頂加固技術

登錄廳地下室頂板采用回頂支撐+路基箱加固方式(見圖3,4)。地下室頂板底部加固措施采用φ273×16、材質Q355B圓管回頂鋼支撐,回頂支撐底端支撐于筏板,頂端支撐于混凝土梁底,鋼支撐底部設置基板立于筏板上,利用錨栓固定,頂部設柱頂板與混凝土梁接觸。地下室頂板上部輔助加固措施采用9 000mm×1 950mm×400mm,6 000mm×1 800mm×400mm路基箱,保證荷載沿梁向基礎傳遞,路基箱鋪設時,下部墊設木方,確保路基箱不與樓板面接觸。

圖3 地下室頂板加固示意Fig.3 Reinforcement of basement roof

圖4 節點詳圖Fig.4 Joint details

為確保地下室頂板底部鋼支撐回頂滿足要求,通過液壓千斤頂將調節端端頭板與混凝土梁底頂緊,達到緊密貼實。根據施工前模擬數據,施加回頂預應力,回頂鋼支撐加固完成后,將傳感器(壓力傳感器、位移傳感器)等裝置通過傳輸線與智能控制器連接,使兩者間完成數據對接,便于正式施工時全程監測數據及對液壓千斤頂進行頂升及回落調節。

3.3 場外小拼、場內整拼技術

1)單元劃分及分段分塊 建立BIM模型,根據施工順序進行單元劃分,主要劃分為5個類別：桁架柱、主桁架、連系桁架、次桁架、懸挑桁架(見圖5)。登錄廳共分為62個吊裝單元,最重吊裝單元重80t,如表1所示。

表1 單元體分塊Table 1 Unit blocks

圖5 單元體劃分Fig.5 Unit division

2)場外小拼單元拼裝 因施工場地限制,登錄廳施工階段在場外繼續小拼單元拼裝,在場內進行立拼及整體拼裝。拼裝流程為：①場外胎架拼裝 使用全站儀將桁架主管邊線放樣于地面,作為桁架拼裝基準線,同時將構件與操作胎架刀板接觸點的標高投放至立柱并做標識,將刀板安裝在對應位置;②弦桿上胎 上弦桿、下弦桿上胎,焊接固定前,使用全站儀進行測量,確保定位尺寸滿足要求;③腹桿拼裝 依據腹桿端部坐標,在弦桿上標識出就位控制線,由中間向兩端依次拼裝腹桿并進行焊接,完成次桁架小拼單元拼裝。

3)場內整體拼裝 ①整拼胎架。做法同場外胎架,胎架操作底座和立桿采用HW150×150×7×10,刀板采用20mm×300mm,20mm×350mm鋼板,嚴格控制胎架精度;②拼裝完成的小拼單元上立胎固定;③由中間向外側依次進行小拼單元間連系桿件拼裝、焊接,完成吊裝單元整體拼裝。

3.4 主、次桁架雙機抬吊技術

1)柱頂埋件及抗震球形支座安裝 登錄廳支座埋件共12個,在混凝土十字柱柱頂鋼筋綁扎完成前,將埋件吊裝至對應位置;混凝土澆筑完成后安裝抗震球形支座,安裝時反復檢查支座底座與柱頂鋼板位置,確認無誤后將支座底座與柱頂鋼板焊接,支座與柱頂鋼板間不得有空隙。

2)安裝格構柱 十字柱頂安裝操作平臺,桁架柱安裝臨時支撐;格構柱吊裝就位后,先與支撐焊接固定,再進行桁架柱與抗震球形支座間的焊縫焊接,如圖6所示。

圖6 格構柱安裝示意Fig.6 Installation of lattice column

3)主桁架安裝 主桁架采用2臺260t履帶式起重機雙機抬吊安裝,吊點位置安裝高精度反射片,利用2臺智能全站儀對各自反射片進行監測,數據反饋至電腦同步系統進行模擬分析,做到動態監測、動態調整,確保2臺履帶式起重機同步抬吊。桁架就位后,使用臨時碼板固定,主焊口焊接完成后方可松鉤,如圖7所示。

圖7 雙機抬吊安裝主桁架示意Fig.7 The main truss installation by double-crane lifting

4)次桁架安裝 次桁架分單元進行安裝,使用260t履帶式起重機4點綁扎吊裝,桁架就位后,接口位置采用碼板臨時固定后進行焊接作業,依次安裝登錄廳次桁架。

3.5 懸挑桁架拼裝技術

1)安裝懸挑臨時支撐架 懸挑桁架施工前,在左右兩側及南側懸挑桁架位置搭設14組標準節支撐架,標準節規格為1.6m×1.6m×2.5m,支撐架間使用HW250×250×9×14型鋼連接,支撐架與混凝土十字柱間使用HW250×250×9×14型鋼通過埋件焊接固定,如圖8所示。

圖8 懸挑臨時支撐架示意Fig.8 Cantilevered temporary support frame

2)懸挑桁架吊裝 懸挑桁架采用260t履帶式起重機4點綁扎吊裝,桁架吊裝至安裝位置后,先固定桁架根部接口,再緩慢松鉤使桁架圓管與支撐架緊密接觸并臨時固定,支撐點采用剛性連接,且連接節點易拆除。

依次安裝后續主、次、懸挑桁架,桁架安裝完成達到卸荷要求后進行支撐架卸載,登錄廳安裝完成,如圖9所示。

圖9 吊裝完成效果Fig.9 Effect of hoisting completion

4 安裝過程模擬分析

4.1 地下室回頂模擬分析

1)工況及傳力 登錄廳鋼結構施工時,260t履帶式起重機需在地下室頂板行走完成吊裝作業。為保護地下室頂板,對地下室頂板進行回頂加固,樓板上鋪設路基箱,并在路基箱與混凝土梁間墊設木方。起重機荷載通過路基箱傳遞至兩端木方,木方荷載通過混凝土鋼梁傳遞至回頂支撐,依次向下傳遞。

2)荷載取值 地下室回頂全部荷載由回頂支撐傳遞;履帶式起重機履帶長7.5m、寬1.2m,最大起重量為320t?？紤]2組履帶間荷載1.4倍不均衡分配系數,單履帶荷載為2 195kN。采用MIDAS軟件對路基箱進行模擬仿真分析。

3)行車工況及路基箱模擬分析 起重機從駛入路基箱至駛出路基箱,共分6種荷載工況,行車過程中考慮路基箱1.1倍分項系數。根據路基箱各工況反力值進行對比,在工況1行車狀態中,在其下部產生的壓力荷載最大,最大值為2 250kN。

4)登錄廳回頂結構計算 根據最大傳遞荷載進行回頂結構模擬計算分析。分析結果表明,回頂結構最大應力38.71MPa(見圖10a),最大變形1mm(見圖10b),應力比0.17(見圖10c),滿足施工要求。

圖10 登錄廳回頂結構計算結果Fig.10 Calculation results of the roof structure for the login hall

4.2 主、次桁架吊裝模擬分析

1)主桁架吊裝 采用2臺260t履帶式起重機雙機抬吊,進行雙機抬吊工況分析。單臺起重機吊重55.5t,履帶式起重機采用主臂工況,作業半徑14m,主臂長度75m,每臺起重機額定起重量為79.5t>55.5t,負載率69.8%,滿足吊裝需求。吊點設置在上弦1/3處,采用MIDAS模擬分析,經計算,最大應力22.02MPa(見圖11a),最大位移6.6mm(見圖11b),模擬計算結果滿足應力、位移要求,桁架吊點設置及桿件性能均滿足施工要求。

圖11 主桁架吊裝模擬結果Fig.11 Simulation results of main truss hoisting

2)次桁架吊裝 最重次桁架重22t,采用260t履帶式起重機75m主臂工況,在回轉半徑32m時,額定起重量為28.2t,負載率為78%,滿足吊裝需求。吊點根據尺寸樣式確定,設置4處吊點。采用MIDAS模擬分析,經計算,最大應力15.25MPa(見圖12a),最大位移4.71mm(見圖12b),模擬計算結果滿足應力、位移要求,桁架吊點設置及桿件性能均滿足施工要求。

圖12 次桁架吊裝模擬計算結果Fig.12 Simulation calculation results of secondary truss hoisting

4.3 懸挑桁架吊裝模擬分析

最重懸挑桁架重21.37t,采用260t履帶式起重機75m主臂工況,在回轉半徑32m時,額定起重量為28.2t,負載率為75.78%,滿足吊裝需求。設置4處吊點,采用MIDAS模擬分析,經計算,最大應力27.42MPa(見圖13a),最大位移8.07mm(見圖13b),模擬計算結果滿足應力、位移要求,桁架吊點設置及桿件性能均滿足施工要求。

圖13 懸挑桁架吊裝模擬計算結果Fig.13 Simulation calculation results of cantilevered truss hoisting

4.4 桁架安裝模擬分析

根據安裝順序,對登錄廳不同安裝工況進行施工模擬驗算。

1)以第1塊懸挑桁架安裝為例,考慮1.2倍自重分項系數。經計算,最大應力-94.71MPa(見圖14a),最大位移-17.84mm(見圖14b),模擬計算結果滿足施工要求。

圖14 第1塊懸挑桁架安裝完成后模擬計算結果Fig.14 Simulation calculation results after the first cantilevered truss installation are completed

2)以次桁架安裝為例,考慮1.2倍自重分項系數。經計算,最大應力-123.13MPa(見圖15a),最大位移-27.02mm(見圖15b),模擬計算結果滿足施工要求。

圖15 次桁架安裝完成后模擬計算結果Fig.15 Simulation calculation results after secondary truss installation are completed

5 關鍵技術原理分析

5.1 地下室頂板回頂支撐監測應對措施

1)通過液壓千斤頂調節端頭板支撐梁底,采用與格構柱鋼支撐配套的液壓千斤頂,其內置位移傳感器、壓力傳感器、均載閥等裝置,工作時,傳感器通過傳輸線將相關數據實時傳輸至智能控制器,使兩者間完成數據對接。

2)履帶式起重機上頂板前,智能控制設備根據施工前模擬數據,調整千斤頂,給結構梁底施加回頂初始預應力,回頂鋼支撐加固到位。

3)履帶式起重機上頂板后,產生實時壓力通過結構梁反饋至千斤頂上傳感器,傳感器實時監測,并通過傳輸線將相關數據實時傳輸給智能控制器,控制器根據應力、位移進行頂升及回落的調節。

通過對比,模擬與實際監測應力、位移規律基本相符,應力對比曲線如圖16所示,位移對比曲線如圖17所示。

圖16 應力對比曲線Fig.16 Stress comparison curves

圖17 位移對比曲線Fig.17 Displacement comparison curves

5.2 雙機抬吊桁架平衡應對措施

采用雙機抬吊進行主桁架吊裝,但面臨的問題是雙機抬吊時如何做到主桁架平衡。為解決上述問題,采用雙全站儀控制標高法進行桁架平衡監測。通過在2處主桁架吊點位置固定自粘式全站儀高精度反射片,吊裝時使用2臺全站儀全過程對反射片進行動態監測,控制標高,從而指揮履帶式起重機進行操作,隨時調整履帶式起重機提升高度。

主要原理為高精度反射片在短距離測量方面能夠達到和棱鏡同等精度的效果,2臺智能全站儀對各自的反射片進行監測,數據反饋至計算機同步系統進行模擬分析,做到動態監測、動態調整,確保主桁架平衡吊裝。

6 結語

本文對西安國際會展中心二期展覽中心項目登錄廳大跨度鋼屋蓋施工關鍵技術進行介紹,包括地下室回頂、場外小拼、場內整拼、雙機抬吊等施工工藝。通過對回頂、胎架支撐、懸挑支撐受力,桁架吊點設置、桁架吊裝等進行仿真模擬分析,大幅度提高了施工速度,在確保安全、質量的情況下,大大縮短了工期,降低了成本。