重庆江北机场航站楼巨型钢结构整体平移安装技术.doc

重庆江北机场航站楼巨型钢结构整体平移安装技术出处： 作者：吴欣之，王云飞，朱伟新，陈晓明，倪洪革 时间：2004年10.12 15点4分重庆江北机场航站楼巨型钢结构整体平移安装技术 吴欣之，王云飞，朱伟新，陈晓明，倪洪革 （上海市机械施工公司） 1工程概况 重庆江北国际机场航站区及配套设施扩建项目是重庆市和民航总局的重点建设项目，是重庆市的形象工程和窗口工程见图1。该工程的钢结构包括航站楼主楼、指廊、连廊和登机桥等，总吨位约8000t。其中主楼钢结构逾5000t，指廊钢结构近2000t，连廊及其它配套结构为1000余t。 航站楼主楼跨距为90m、柱距为45m，由4榀主桁架、36榀副桁架和若干悬挑梁组成，形成一个171m90m的大空间。整个屋盖结构由八组巨型柱支承，其东侧为人字柱，西侧由四根钢柱组成的四棱锥形的组合柱，见图2。主桁架状似恐龙，高低起伏，全长117m(柱外侧均外伸13.5m)，其上下弦为1200mm800mm的焊接箱形结构，最大板厚40mm；腹杆与弦杆等宽1200mm、高600mm，亦为焊接箱形结构，单榀主桁架重约500t。 副桁架亦高低起伏，呈不规则状，其上弦为500mm600mm的焊接方钢管，下弦为直径406mm、壁厚15mm的钢管，腹杆直径320mm、壁厚10mm，部分节点采用铸钢节点，单榀重22t。 东侧人字柱为1200mm40mm钢管，西侧四肢柱为1000mm30mm钢管，其上部由铸钢节点连接，下部由铸钢球铰与支座相连，柱顶通过圆柱面钢支座支承于主桁架上弦下侧（平面外为固接，平面内为铰接）。 主桁架、副桁架及状如飘带的I字形檩条所组成的屋盖结构构成了波浪起伏的外貌，追求的或许是长江波翻浪涌，奔腾向前的意境吧。 整个航站楼主楼由8组组合柱通过柱基支承于移山填平的泥岩之上，其跨内为已建的地下室、设备管廊以及+7.500m一层、局部二层的砼框架平台。东侧是停机坪，施工阶段有20m左右宽的施工便道；西侧紧邻拟建高架桥(结构安装期间要进行基础施工)，中部有一设备管廊将其阻断；南北两侧距候机指廊相距约70m，由连廊将主楼和指廊连接起来，南北侧并各有一个进入地下室的车行坡道。根据业主的要求，航站楼主楼的钢结构安装应在五个月内完成。 2主楼钢结构特点及其对施工的影响 综上所述，重庆江北机场航站楼主楼除建筑造形别具一格外，钢结构也是有其鲜明个性的。 1）为了在建筑上追求大空间，跨距和柱距均很大，特别是柱距为45m，这较为罕见。由此每榀主桁架承受的荷载面积为117m45m，即5265m2，使主桁架的自重达500t左右。 2）组合柱的形式较为特殊，尤其是组合柱通过专用支座支承在主桁架的上弦。这虽对于结构构成是有利的，但主桁架的下弦穿入组合柱的腹中，换句话说，组合柱须斜插入主桁架腹中，如果组合柱和主桁架均事先组成完整的构件，则无法安装。 3）跨内密布地下室、管廊及满布砼框架，无法利用跨内进行结构安装。采用跨外安装，起重机的作业半径达70m左右，主桁架的重量又达500t，难以就位；即使是副桁架每榀重量也达22t，起重力矩为1500tm以上，非常规起重设备所能胜任。另外跨外施工在主楼西侧还会与高架桥基础施工相冲突。 3施工方案的比较及结构安装技术路线的确定 对于特殊结构安装来说，一个优秀施工方案的形成必须综合结构特点、现场条件、技术手段和进度、经济等众因素来考虑，并通过多方案的比较来实现优化,而特殊的结构形式以及特定的现场施工条件始终是我们制定结构安装技术路线的首要依据。根据该工程的特点，施工方案有如下几种选择. 3.1满堂支架，分段高空原位拼装 即在+7.5m砼平台上主桁架投影位置设置满堂承重支架，选用两台300t履带起重机或2000tm左右的起重机在东、西侧跨外进行分段高空拼装，分段重量在20t左右。该方案为常规作业，问题是业主不准在砼平台上搭设支架，因为这将涉及到砼框架平台的加固和影响+7.5m平台以下其它工序的施工；其次，由于起重能力的限制，主桁架分段过多，高空定位难度高，且高空焊接工作量大，质量不易保证。 3.2主桁架楼面立拼，整榀提升安装 由于主桁架单榀重达500t，目前的建筑起重机械均无法实现整榀起吊安装，而近年兴起的液压千斤顶组合提升工艺则不受起重量的限制。考虑主桁架在+7.5m砼平台面上立拼组成整体，然后通过液压千斤顶组合同步提升来解决主桁架的安装，使主桁架在楼面组拼条件比高空有所改善，质量较易保证。但是构件或分段的划分仍受起重机械性能的限制，楼面施工荷载虽较前者为小，但由于柱与桁架节点的特殊性，须另行设置重型提升架，待桁架提升到位再进行组合柱的安装，工艺较复杂，且施工成本较高。 3.3跨端单榀主桁架与柱组合平移安装 为了解决主桁架的安装，拟在跨端适当位置设置平拼胎架和立拼胎架，在平拼胎架上形成较大分段(80t左右)并完成整体预拼装，然后用起重机在立拼胎架上进行主桁架总体组装及组合柱的安装。完成以后用卷扬机或液压千斤顶牵引，进行单榀主桁架与柱的平移，直至设计位置，再进行副桁架与檩条等的节间综合安装。如此再三完成整个结构的安装。该方案解决了在砼框架平台上不准设承重支架的矛盾，主桁架分段可适当扩大，使大量的焊接可在地面完成，且实现了主桁架整体平面预拼装，对安装质量的控制大为有利。同时利用立拼胎架进行桁架和立拼同时组拼，只要分段及组拼顺序得当，柱和桁架难以安装的矛盾也可顺利解决。单榀主桁架及相应的两组组合柱平移只要在平移过程中确保平面外的稳定，技术上应不成问题，且牵引设备较简单，同步控制要求不高。但该方案的缺点是，副桁架及檩条等仍需采用1500tm以上的大吨位起重机进行原位安装，平移施工的优点尚未充分利用，跨外施工与西侧高架桥的矛盾依然存在。 3.4跨端结构整体组合，逐间累积平移安装 根据我公司具有计算机同步控制、液压千斤顶集群作业进行大型结构整体平移或提升安装的专项技术和经验，有可能实现所有结构在跨端组合安装，然后整体平移至设计位置。经过现场踏勘及航站楼结构总平面的研究，发现利用航站楼主楼北侧与指廊之间70m的场地(连廊上部结构及车行坡道后施工)，进行适当的施工平面布置即可实现上述方案。这就是在紧邻指廊侧布置一主桁架平拼胎架，将工厂制作分段在该胎架进行总体预拼，并完成部分节点的焊接，形成80t左右的吊装分段；在距砼框架跨端外侧27m处设立立拼胎架，立拼胎架与平拼胎架间留有12m宽的起重机开行道路，以便进行主桁架自平胎架至立胎架的就位和组拼；同时在立拼胎架与砼框架之间亦留有12m左右宽的起重机作业通道，可跨端进行副桁架和檩条的综合安装，创造了跨内安装的条件；另外在A、C、P三列轴处设置三根滑移轨道，在计算机控制下采用成组液压千斤顶多点同步顶推(最多为十二点)，逐间累积平移180m，使整体结构就位至设计位置。 该方案不仅能适应航站楼主楼结构特点、现场条件，并充分利用我公司的技术优势，而且对施工质量控制和进度控制也极为有利。采用该方案后，可采用两台常规的150t履带起重机，起重力矩最大仅需400tm，施工成本上也相对合理。特别是该方案技术含量较高，重达5000余吨的巨型钢结构整体平移，突破了以往的施工记录(上海浦东国际机场单体平移重量1400t，广州国际会展中心单体平移1300t)，激发了我们的创新和迎接挑战的欲望。 经过多方案比较，我们主郑重推出第四方案，即跨端结构整体组合，逐间累积平移安装（简称跨端组合、累积平移）施工方案。经过激烈的竞标，该方案终于为业主和专家所认可并进而中标。这样航站楼主楼（扩建）的钢结构安装技术路线最终确定了，各工况如图4所示。 4有关技术难题 尽管经过慎密分析和反复比较，工程施工技术路线被确定了，但这只解决了战役问题，而尚有众多的战术问题有待逐一解决。 1）结构在平移过程中的变形、内力和反力计算，包括结构在平移过程中的稳定，特别是第一榀主桁架（单榀）平移过程中的平面外稳定。 2）结构整体平移的各种参数，如平移速度、加速度、顶推步长、同步控制精度设定及顶推力的计算等。 3）承受多组垂直集中荷载(Rmax=250t)、横向水平荷载(20t)及纵向顶推力的平移轨道及轨道梁的设计，包括局部已开挖地基的回填处理。 4）承受三向荷载的滑移支承座的设计，包括滑移材料的选择和不同材料配合性能的确定。 5）集群作业的液压系统的参数、形式选择，包括液压千斤顶分组布置及泵源、油路的设置等。 6）顶推配套装置及反力系统的设计。 7）计算机控制系统的控制策略、程序设计，总线布置包括行程传感器的选择、研制和考核。 8）施工总平面详细设计和起重机械、起重工艺的选择，包括吊装单元的分段和吊装顺序等。 只有经过认真研究，逐一解决上述难题，才能使总体施工技术路线顺利实施。 5技术创新和技术改进 将重逾5000t、高30m、宽117m、长153m的庞然大物整体累积平移180m，这本身就是一项极具挑战性的工作。为了使新工艺、新设备能一举成功，我们贯彻了一贯坚持的大胆设想，小心求证的科学精神，在总结以往施工经验的基础上经过多学科、多工种的积极合作，计算机的施工阶段结构验算和实时控制技术的开发运用，长达半年的重复数千次的模拟试验和测试，于下述方面有所突破和创新。 5.1根据施工步骤进行计算机多工况结构计算和分析 一个方案的顺利实施，进行定量分析和计算是最基础的工作。我们利用计算机和相应的结构计算程序，根据方案规定的施工顺序，各个工况逐一进行了结构验算以及动力效应分析(水平加速度取0.1g)，掌握了内力、变形和反力的变化情况，为整个顶推系统的设计提供了依据。特别是对单榀主桁架平移过程中的平面外稳定作了计算，并对采取的临时加强措施的有效性进行了分析。 5.2改以往的牵引平移为顶推平移 以往我们曾将整体结构提升安装用的“计算机同步控制，液压千斤顶集群作业，钢绞线成束承重”的工艺作改进后，运用于浦东国际机场一期航站楼主楼和广州国际会展中心大跨度钢结构长距离整体平移安装的工程实践中，并获得成功。但实践中发现，采用穿心式千斤顶卧置，通过数百米长的钢绞线来牵引钢结构平移，结构在克服平移阻力时往往出现脉动现象，使结构在平移过程中附加的水平加速度较大，出现不利的振动。而钢绞线与结构是柔性连接，象长弹簧一样，不仅不能阻止上述现象发生，而且往往成为结构振动的成因。这就促使我们采用顶推法来代替牵引法，使反力系统、千斤顶和平移结构实现刚性连接，通过控制千斤顶的升缸速率来控制结构的平移加速度，从而实现平稳滑移，将振动减小到最低限度。在这次顶推平移的过程中，我们实现目标了，结构在平移过程中的状态大为改善，附加振动几乎觉察不到。 5.3三向承力滑移支承座、轨道及轨道梁的设计 本工程在顶推平移过程中，柱底竖向反力最大达250t，如果轨道梁发生变形沉降，不仅会使结构产生附加应力，而且会大大增加了顶推阻力，影响工程顺利实施。在确定平移方案前，我们即对现场的地基条件进行调查和了解，轨道梁所处的A、C、P轴部位绝大部分为原状泥岩，经测试，地基极限承载力达122t/m2（经雨水侵入其强度会显著降低），支承条件极为有利。故我们决定轨道梁采用垫梁形式，将集中荷载扩散至60t/m2左右，较经济地解决了竖向荷载的承载问题。 由于人字柱一侧向内倾斜，使柱底产生水平反力。经计算，每根立柱处的水平反力约20t左右，我们在设计支承座(滑块)与槽钢滑道时考虑侧向接触以抵抗水平荷载。水平荷载通过滑道传递至轨道梁，故轨道梁采用埋入方式，嵌在泥岩地基中。 轨道梁还承受顶推时的纵向顶推力。由于顶推时由12组千斤顶同时作业，将总顶推力分解至12个不同部位，每个千斤顶顶推力小于100t，我们在轨道梁上设立了方钢管反力座插孔，并设置了抗剪埋件来传递纵向顶推力，实践证明轨道梁的设置是可靠的。 5.4滑移摩擦副的材料优选 由于滚动支承座难以承载250t的竖向荷载，也较难处理三向荷载，故采用滑动摩擦副来设计支承座和轨道。为了满足承载条件、减少摩擦系数，我们采用多种不同的减摩材料进行模拟试验和工艺性考核，经过近半年多种材料的往复带载试验，最终选用一种新型减摩材料和不锈板及镀锌钢板配合，构成摩擦副。其设计压强120kg/cm2,在润滑良好时静摩擦系数为0.07、动摩擦系数为0.05，与滚动摩擦相当。 5.5计算机同步控制及姿态调节技术 对钢结构顶推平移的计算机同步控制包括集群控制、偏差控制、操作控制和安全控制。集群控制是控制液压千斤顶集群的同步作业，包括行程控制、时序控制和启停控制等。偏差控制是控制顶推施工中可能发生的各项偏差，主要是位移偏差控制、负载偏差控制、行程匹配控制和定位控制等。操作控制的功能、主要是顶推操作、运行监控、参数设置、调整修正等。安全控制的功能、主要是故障的检测与处理、防止误操作措施、抗干扰措施备份和备用设施，以及对所有顶推点的监测等。 钢结构顶推平移中可能出现的偏差是位移、负载、方向、加速度等多方面的，这些偏差的变化方向和趋势往往不同，甚至相反，而且常常互相影响，因此要有正确合理的控制策略。由于本工程的顶推对象是大体量、高重心、支承于8组巨型钢柱的钢构架，柱底反力各不相同，而顶推点位于钢柱脚，顶推中如果各点顶推同步位移偏差大、负载超限，将影响钢结构的稳定和安全。同时，由于12个顶推点呈34的矩阵分布，顶推点之间存在点、线、面等群体效应和动态效应，钢结构的姿态变化不仅是位移上的变化，而且会改变各点负载分布的变化，因此在位移偏差控制范围内对顶推姿态的调节可以作为负载控制的重要手段。为此，我们研究开发了钢结构姿态分析软件，操作人员根据姿态分析，通过合理的姿态调节达到负载动态控制的目的。同时在控制系统中设置了一系列由操作员选择、由计算机执行的动态调节功能，可以根据不同情况实行不同调节，取得很好效果。 5.6动力效应的检测 为了检验牵引改为顶推后结构在平移过程中动力效应的改善情况，为今后相同工艺实施提供依据，我们聘请总后工程兵学院对结构各测点的加速度和主桁架跨中位移进行了跟踪测试，见图5。测试结果是，位于千斤顶直接作用的柱脚部位平均水平加速度约为0.17g，主桁架跨中加速度为0.05g，其相对于组合柱参照系的相对位移为1/900，这与我们在结构计算中采用0.1g作为水平加速度法基本相符。 图5第榀桁架顶推时平面外跨中测点的加速度曲线 6实施情况 航站楼主楼钢结构的累积顶推平移共4次，每次顶推距离45m、顶推速度5m/h。