重慶江北機場T3B航站樓大廳屋蓋鋼結構提升施工技術*

王洽親, 張其林, 羅曉群, 蘇芳洲

(1.重慶機場集團有限公司,重慶 401120; 2.同濟大學,上海 200092;3.江蘇滬寧鋼機股份有限公司,江蘇 宜興 214231)

1 工程概況

重慶江北機場T3B航站樓位于重慶市渝北區,即原重慶江北國際機場T3A航站樓北面。建筑面積約36.3萬m2,建筑物最大高度約37.6m。T3B航站樓整體呈X構型(見圖1),象征鯤鵬展翅,與T3A航站樓兩相呼應,充分體現重慶的地方文化及山地機場特色。T3B航站樓由主樓大廳及4條指廊組成(見圖2),其中,主樓大廳地下2層、地上4層,主體為現澆混凝土框架+屋蓋鋼結構網格結構。

圖1 T3B航站樓建筑效果Fig.1 Effect of terminal T3B

圖2 鋼結構整體三維軸測示意Fig.2 Overall three-dimensional axonometric drawing of steel structure

T3B航站樓大廳屋蓋為異形三維曲面造型,主要采用四角錐焊接球網架結構,被12道立體天窗桁架分隔為13個立面單元,每個單元呈陡坡狀由南北兩側向中央傾斜。屋蓋支撐柱采用鋼管混凝土柱,大廳中部部分鋼管混凝土柱采用上下鉸接的搖擺柱。大廳鋼屋蓋重約5 470t,平面投影面積約7.56萬m2,最大平面尺寸522m×280m,最大跨度90m。大廳鋼屋蓋采用64根鋼管柱和20根搖擺柱支撐,鋼管柱主要規格為φ1 600×35(40),φ(800～1 500)×50,φ1 300×45(50),材質主要為Q420B;搖擺柱主要規格為φ(600～900)×40,材質主要為Q355B。網架桿件規格為φ159×8～φ600×40,節點焊接球規格為WS3014～WSR8050;天窗部位弦桿采用矩形管□300×200×12～□450×250×30,節點采用相貫焊接;材質主要為Q355B。屋蓋結構整體三維軸測圖如圖3所示。

圖3 屋蓋結構整體三維軸測示意Fig.3 Overall three-dimensional axonometric drawing of roof structure

2 施工方案選擇

T3B航站樓處于正在運營的第2跑道和第3跑道之間,距第2跑道最近510m、第3跑道最近540m。施工期間周邊飛機不停航,航空限高加上場地限制導致大型履帶式起重機不能直接吊裝屋蓋鋼結構,給本工程大跨度屋蓋復雜空間網格結構安裝帶來很大挑戰。結合現場情況和結構特點,施工前邀請相關參建單位及業界鋼結構專家對大廳屋面鋼結構施工方案進行多輪探討及論證,綜合考慮鋼屋蓋造型尺寸、工期成本、結構變形等因素后,確定將整個大廳鋼屋蓋分為7個區(見圖4),采用樓面原位拼裝、分區分步提升、全程健康監測方法施工。即每個分區鋼屋蓋在投影樓面上首先采用汽車式起重機拼裝成提升小分塊,利用計算機控制液壓同步提升技術完成二次及多次提升到位,最終在高空嵌補對接及安裝搖擺柱,最后通過提升油缸系統卸載,實現鋼屋蓋整體成型。針對鋼屋蓋提升技術特點,提前運用BIM技術進行工序預演,并采用MIDAS Gen,3D3S軟件建立三維模型進行數值分析,確定大廳屋蓋鋼結構整體施工方案的合理性、可行性、安全性。

圖4 屋蓋鋼結構安裝分區劃分Fig.4 Division of installation zones for roof steel structures

由于大廳屋蓋造型復雜,結構高差達18m,為優化拼裝胎架高度、減少高空嵌補量、利于高空作業安全性控制,每個分區再劃分為若干小分塊,進行累積提升。其中,1～4區分2次累積提升,5,6區分3次累積提升,7區分2次累積提升;每個施工分區可單獨提升作業,根據具體土建工作面移交情況分別作業。屋蓋鋼結構提升小分塊劃分如圖5所示,提升工況預演如圖6所示。

圖5 屋蓋鋼結構提升小分塊劃分Fig.5 Small block division for roof steel structure lifting

圖6 提升工況預演Fig.6 Preview of lifting working conditions

3 鋼屋蓋提升施工分析

3.1 拼裝

鋼屋蓋網架在投影位置樓面上拼裝成提升小分塊。拼裝過程中采取胎架二次定位法：通過拼裝胎架(見圖7)在樓面完成第1次定位,在胎架頂鋼板上進行網架下弦球二次精測定位。典型小拼單元工藝流程為：胎架制作→下弦球安裝→下弦桿安裝→腹桿及上弦球安裝→上弦桿安裝→分散焊接→馬道安裝→典型小拼單元完成。為更精確地控制網架拼裝過程精度,應用BIM技術對網架拼裝過程進行模擬演示(見圖8)。為減少焊接收縮及溫度等不平衡影響,拼裝定位后采用CO2氣體保護焊由中心向四周分散對稱施焊,按從下向上順序進行,焊后進行探傷。

圖7 拼裝胎架示意Fig.7 Assembly bed-jig

圖8 應用BIM技術模擬網架拼裝典型工藝流程Fig.8 Typical process flow of grid assembly simulated by BIM technology

3.2 提升支架及吊點設計

提升支架設置原則為盡可能在原屋蓋支撐結構鋼柱上架設提升架及相應吊點,使鋼屋蓋提升過程中受力盡可能接近設計狀態。提升吊點應使鋼屋蓋整個提升過程中應力及變形處于設計及相關規范可控范圍內;當分區分塊累積提升或原支撐鋼柱提升點不能完全滿足提升過程中控制要求時,需另外增加臨時提升支架和吊點;臨時提升吊點位置盡量設置在臨時支架中心,避免支架在豎向荷載作用下偏心。

根據鋼屋蓋整體提升方案,共設置84組提升支架(見圖9)。其中,1～4區各布置7組提升架,5,6區各布置16組提升架,7區布置24組提升架。采用MIDAS Gen,3D3S軟件建立整體三維模型,對整個提升過程中鋼屋蓋、提升支架和吊點進行有限元分析,確保整個施工過程中結構均滿足設計及規范要求,最終確定提升支架及吊點設計。

圖9 提升支架平面布置Fig.9 Plan layout of lifting support

根據提升支架布置及鋼屋蓋結構特點和數值模擬分析結果,提升支架及吊點設計共分3種類型：類型1為鋼柱頂單吊點提升支架,類型2為鋼柱頂雙吊點提升支架,類型3為3個單管組合臨時支架。為避免提升支架及吊點與鋼屋蓋等結構相互干擾,運用BIM技術對整個提升過程進行模擬分析,預判提升支架與鋼屋蓋等其他結構形式間的對應關系,避免提升過程中發生碰撞。

整個提升支架及吊點設計主要包括提升油缸、提升梁、提升吊點、鋼牛腿、轉換鋼梁及提升支架等的規格、尺寸布置與連接等。經過相應分析計算,在滿足工期進度及保證安全質量的前提下,提升支架及吊點盡量設計為統一規格。其中類型3的φ609×8主管材質為Q235B,其余材質均為Q355B。

1)類型1提升支架及吊點設計(見圖10) 鋼柱頂部加設鋼牛腿(HW488×300×11×18)并焊接提升架(立桿φ219×12,弦桿φ180×8),頂部提升鋼梁設置提升油缸,對應下吊點采用3根臨時提升加固吊桿(φ180×8)和1根短管(φ219×16)作為提升節點。

圖10 類型1提升支架及吊點示意Fig.10 Lifting support and lifting point of type 1

2)類型2提升支架及吊點設計(見圖11) 柱頂部加設鋼牛腿(HN700×300×13×24)并焊接提升架(立桿φ325×12,弦桿φ180×8),頂部提升鋼梁設置2個提升油缸,對應下吊點采用3根臨時提升吊桿(φ180×8)和短管(φ219×16)作為提升節點。

圖11 類型2提升支架及吊點示意Fig.11 Lifting support and lifting point of type 2

3)類型3提升支架及吊點設計(見圖12) 上部采用單片相連(主桿φ219×12,弦桿φ180×6),提升梁上設置1臺提升油缸,提升支架頂部設置轉換平臺,對應下吊點與屋蓋鋼結構連接,支架底部設置轉換鋼梁(雙拼HW580×300×12×20),鋼梁坐落于混凝土梁上,混凝土梁上預先設置埋件,同時支架立桿對應部位型鋼轉換梁處設置相應勁板。

圖12 類型3提升支架及吊點示意Fig.12 Lifting support and lifting point of type 3

3.3 換桿加固

部分提升支架吊點部位鋼屋蓋網架及桁架桿件需增強截面替換原桿件。主要涉及換桿桿件原規格為φ114×5,φ140×5,φ159×8,φ180×10,換桿加固后對應規格為φ140×5,φ159×8,φ180×10,φ219×12,材質均為Q355B?；驹瓌t為在原設計規格上提高1個級別,深化設計階段按換桿加固后桿件進行設計,并在工廠加工,現場安裝作為永久桿件。換桿桿件位置如圖13所示。

圖13 換桿桿件位置示意Fig.13 Position of rod replaced

3.4 提升工藝

采取計算機控制液壓同步提升技術,通過具有毫米級微調功能的主控計算機,實現提升系統全自動化。設置總控制室進行統一指揮調配,通過提升系統實現鋼屋蓋提升同步性、一致性和安全性,確保一次順利到位。整個提升系統主要由鋼絞線及提升油缸集群(承重部件)、液壓泵站(驅動部件)、傳感檢測及計算機控制(控制部件)和遠程監視系統等組成。整個提升工藝流程為：提升支架安裝→提升系統安裝調試→提升前驗收→試提升→正式提升→空中懸?！鷹U件嵌補→整體驗收→卸載→提升系統拆除。為確保鋼屋蓋按設計要求順利提升成功,提升前及提升過程中應做好相應準備工作。

1)提升支撐結構基礎驗收需滿足要求,尤其是主要預埋件與轉換鋼梁連接強度、混凝土強度等。

2)提升支架安裝驗收需滿足方案設計,主要包括支架材質、規格、尺寸及節點構造等。

3)全面排查提升系統,包括臨電系統和泵站等,原則上每4～6個相鄰提升點配置1臺泵站。

4)被提升的鋼網架結構相關資料、報告等齊全有效且通過驗收。

5)提升前采集鋼屋蓋觀測點原始數據,前后宜采用統一控制點及設備。

6)檢查清除提升通道及其他障礙物。

7)參與人員進行安全技術交底及明確崗位職責。

8)根據提升點設計荷載值按比例分級加載,直至結構全部脫空,排查無異常后脫空25cm,并保持0.5d以上進行整體排查,無異常后正式提升。

9)提升過程中采取全過程跟蹤健康監測,并利用智能全站儀及時進行采集分析。

10)正式提升到位進行空中懸停,通過計算機控制單臺油缸實現精準網架調整。

11)桿件嵌補完成后應通過整體驗收后方可采用計算機控制提升油缸系統逐級減載方式進行卸載。

12)提升及卸載前進行天氣預判,避開大風、冰雪天氣。

3.5 數值模擬分析

采用MIDAS Gen,3D3S軟件建立三維模型對鋼屋蓋整個提升過程及施工全過程進行數值模擬分析,均滿足要求。以最大提升分區7為例：該分塊提升時,鋼屋蓋換桿后最大應力比為0.447(見圖14),提升支架最大應力比為0.533。綜上,整個提升過程結構強度和剛度均滿足要求。

圖14 提升分區7鋼屋蓋應力比Fig.14 Stress ratio of steel roof in lifting zone 7

4 嵌補桿件安裝

屋蓋提升臨時加固桿件需待柱頂網架嵌補桿件安裝完畢后方可拆除。由模型放樣可知,部分嵌補桿件相貫至臨時加固桿件導致嵌補桿件無法后裝,故需提前預留安裝1段嵌補桿件用于臨時加固桿件相貫安裝?？紤]到嵌補桿件受力狀態,需預留部分嵌補桿件(見圖15),在設計截面基礎上更換高于原設計桿件1個級別。預留桿件長度宜控制為桿件長度的1/4～1/3,具體以實際放樣為準,且對應單鋼管不出現2個及以上接頭。根據設計要求,鋼結構合龍溫度為15～25℃,為更好地控制嵌補桿件質量,合龍前,鋼構件表面實測溫度應為15～20℃。

圖15 柱頂嵌補桿件示意Fig.15 Column top embedded rod

大廳中部搖擺柱與鋼屋蓋上弦通過關節軸承相連(見圖16),由于上端為鑄鋼件支座,不宜作為提升支架?？紤]屋蓋鋼結構提升,搖擺柱待對應分區屋蓋提升到位后及時嵌補安裝,使整個鋼屋蓋形成穩定體系。

圖16 搖擺柱上、下接頭Fig.16 Upper and lower joints of rocking column

5 卸載

卸載過程中,提升支架由承載狀態變為無荷狀態,而結構則由安裝狀態過渡至設計受力狀態。整個卸載過程要使結構變形最小,桿件應力比變化不大,支架受力均勻不失效。經方案比選,提升區鋼屋蓋對應嵌補安裝、焊接、檢測完畢且經驗收合格后,通過計算機控制提升支撐架頂部油缸系統逐級減荷的方式進行卸載。根據施工方案,采用有限元分析軟件MIDAS Gen進行建模分析,為卸載過程的安全穩定提供有力的數據支撐。其中,鋼屋蓋卸載后最大變形為42mm,桿件最大應力比0.28(見圖17),整體均處于可控狀態。

圖17 鋼屋蓋整體卸載完成后模擬結果Fig.17 Simulation results after the overall unloading of the steel roof is completed

6 健康監測

采用健康監測系統,對主受力點及撓度最大點位進行實時監控。健康監測系統在鋼屋蓋提升前安裝并調試完成,應變計和監測點主要布置于屋蓋支座周邊主受力桿件、跨中桿件等關鍵部位,用于監控提升、卸載全過程主要桿件應力、應變,當達到預警值后系統自動報警,以便現場應急處置,達到正常狀態后方可進行下一步作業。鋼屋蓋提升及卸載健康監測數據采集如圖18所示。

7 結語

重慶江北機場T3B航站樓鋼屋蓋造型復雜、面積大、跨度大、桿件規格數量多,施工期間周邊飛機不停航,航空限高且周邊場道配套工程同步開展,經研討,最終大廳鋼屋蓋劃分7個區,采用樓面原位拼裝、分區累積提升、分區分批卸載施工技術,此方法不僅可有效地將網架高空拼接、焊接等作業轉移至樓面,還更好地控制了安全質量和工期、成本,減少對周邊施工環境的影響。同時,全程采用健康監測方案,為安全實施提供了有力支撐。