柔性大跨度索桁架结构整体提升技术鲁班奖总结

柔性大跨度索桁架结构整体提升技术一、工程概况****大厦索桁架屋盖长43.2m，宽40.5m，是由两榀HJ2和31榀SHJ组成。其中HJ2单重约200t，SHJ单重约6吨，总重约600t，加上31根索及索头，中庭屋面结构总重约650t。屋盖安装就位标高为53.5m。针对提升重量大、安装标高较高的结构，一般有两种施工方法：高空组拼式或地面拼装后整体提升。结合****现场实际情况，高空组拼式安装方法需要在中庭范围内由地面到53.5m高空搭设“满堂红”脚手架，地下室还需要支顶，工作量大，工期长，工作效率低。经过计算分析决定采用地面散拼，整体提升就位的安装方法。地面拼装，整体提升的方法是先将散件在地面胎架上拼装，难度相对空中散拼大大降低，最后整体提升到设计标高，具有工作量小，工期短，工作效率高等特点。本工程提升工作的难度在于控制柔性屋面的变形，避免吊点提升不同步给HJ2和索桁架屋面之间的支座造成损伤。二、整体提升计算分析1.结构计算模型图4-3-1HJ2及屋顶张弦梁结构整体提升渲染图2.荷载计算（1）中庭恒载：屋面恒载（0.9kN/㎡，不包括结构自重），结构自重由软件自动生成。活载：0.5kN/㎡风载：根据风洞试验报告得到风荷载取值如下：风振系数：βz=1.2负风压：ωk=βzμsμzωo=βzrCpωo=1.2×（0.77＋0.2）×1.619×0.45=0.848kN/㎡（2）雨棚恒载：屋面恒载（0.7kN/㎡），结构自重由软件自动计算活载：0.5kN/㎡风载：根据风洞试验报告，雨棚风压标准值，正风：0.5kN/㎡，负风：1.0kN/㎡（3）吊桥恒载：桥面恒载（3.0kN/㎡）,结构自重由软件自动计算活载：3.5kN/㎡（4）玻璃幕墙恒载：玻璃自重恒载（0.6kN/㎡）,结构自重由软件自动计算风荷载：根据根据风洞试验报告得到风荷载取值如下：风振系数：正风压取1.31，负风压取2.42。50年一遇的风荷载值如下：正风压：ωk=（0.58＋0.2）×1.619×0.45＝0.78kN/㎡负风压：ωk=（0.53＋0.2）×2.42×0.45＝1.29kN/㎡100年一遇的风荷载值如下：正风压：ωk=（0.58＋0.2）×1.619×0.5＝0.87kN/㎡负风压：ωk=（0.53＋0.2）×2.42×0.5＝1.43kN/㎡其中0.58，0.53是试验报告中的索幕面的风压系数平均值，0.2为根据规范叠加的内压值。计算中按50年一遇的风压计算变形，100年一遇风压计算承载力。（5）水平地震荷载计算抗震设防烈度：8度影响系数：0.16（6）温度荷载：温度荷载考虑±343.施工过程模拟计算（1）HJ2、顶棚上弦整体拼装计算先在地面拼装顶棚张弦梁结构上弦与HJ2桁架，在顶棚上弦中部设置六处支撑点，两侧与楼房的连接处每8.1米处设置一个支撑。由于在地面拼装，结构荷载仅有结构自重，荷载小，支撑点在满足结构拼装要求的情况下，上弦结构变位和应力很小，说明张弦梁结构是安全的。（2）HJ2、顶棚钢结构整体提升(施加最终预应力的100％)在地面拼装完HJ2和顶棚上弦的构件，安装下弦的索，并施加预应力，施加到最终预应力的100%。顶棚整体提升时，保证张弦梁结构两侧提升点在提升过程中各提升点的同步性，尽可能控制各提升点提升高度差异，这样保证了整体结构在提升过程中的内力的分配均匀和结构的整体稳定。在地面安装下弦的索，并施加预应力到最终预应力的100%，顶棚结构中部最大起拱值为88mm。X向水平的最大位移为3.78mm，Y向水平最大位移为1.5mm。整体提升时HJ2在结构自重下的挠度为13.62mm。图4-3-2顶棚提升过程中整体变位图图4-3-3顶棚提升过程中整体变位图最大值Uz=88mm最大值Ux=3.78mm图4-3-4顶棚提升过程中整体变位图图4-3-5HJ2提升过程中HJ2的变位图最大值Uy=1.5mm最大值Uz=-13.62mm在提升过程中，张弦梁结构中部起拱最大,约88mm，约1/450的挠度,基本满足施工过程中结构的挠度要求。两侧的HJ2由于刚度较大，所以竖向位移较小，约14mm的位移，完全能保证提升过程中的刚度要求。各支座间最大位移差为6.4mm。（3）HJ2及屋顶张弦梁结构整体提升部分各杆件应力图4-3-6图4-3-7桁架及张弦上弦梁最大等效应力在45Mp（同步）索应力在28~300Mp之间（同步）图4-3-8图4-3-9桁架及张弦上弦梁最大等效应力在61Mp桁架及张弦上弦梁最大等效应力在50Mp（不同步+20mm）（不同步-20mm）4.提升支承牛腿的计算（1）HJ2提升支承牛腿的计算图4-3-10HJ2提升牛腿整体模型图图4-3-11牛腿处荷载及变位图（钢构件自重标准值）竖向位移最大值Uz=1.7mm设计弯距为M=2405KN·M,剪力V=1726KN弯曲应力为(安全)剪应力为(安全)（2）张弦梁结构提升支承牛腿计算依据主中庭提升施工过程的模拟计算分析结果，中部提升各支座提升力的最大标准值为Vk=397KN。提升牛腿的截面：提升力设计值为：支座伸臂长度为，e＝1.1m偏心弯矩：截面抗弯模量：弯曲应力为(安全)剪应力为(安全)Fz=330KNKNFz=352KNKNFz=950KNFFz=330KNKNFz=352KNKNFz=950KNFz=580KNFz=907KNFz=397KNKNFz=565KNKN图4-3-12各提升点的提升力包络值三、提升体系的设计和布置1.提升吊点及同步观测点的布置根据中庭整体受力值计算出了屋面各点的受力情况，具体数值见下图：Fz=110KNKNFz=195KNKNFz=481KNKNFz=750KNFz=275KNKNFz=110KNKNFz=195KNKNFz=481KNKNFz=750KNFz=275KNKNFz=753KNFz=478KN图4-3-13各吊点反力情况示意图根据图1各提升点的提升力标准值情况，以及结构自身特点共设置14个提升吊点，位置及编号如图所示：76314131211109=45.6mm8=45.6mm吊桥侧HJ25=45.6mm4=45.6mm2=45.6mm1=45.6mm76314131211109=45.6mm8=45.6mm吊桥侧HJ25=45.6mm4=45.6mm2=45.6mm1=45.6mm图4-3-14提升吊点布置图在提升过程中，我们除了监控提升的14个点以外，对于屋面中间还设置了五个观测点。14mm10mm11mm12mm6=45.6mm19181716151=45.6mm2=45.6mm3=45.6mm4=45.6mm5=45.6mm14mm10mm11mm12mm6=45.6mm19181716151=45.6mm2=45.6mm3=45.6mm4=45.6mm5=45.6mm8=45.6mm7=45.6mm9=45.6mm图4-3-15测量监控点布置图2.提升牛腿的确认在加工主中庭HJ2桁架时，我们已经考虑到提升时需要牛腿支撑，因而将HJ2桁架牛腿上弦杆加长到1800mm，既可以承重千斤顶，又可以易于从下往上安装HJ2。利用被提升桁架结构本身的一部分作为提升牛腿的方案，这种方案的优点是，不用另做提升牛腿，省时、省力、省料、提高了安装效率，降低安装成本。具体牛腿形式如图所示：图4-3-16提升牛腿立面示意图（HJ2外侧）图4-3-17提升牛腿立体示意图（HJ2内侧）对于HJ2牛腿及其余六个点的提升牛腿，****机施公司提供牛腿节点形式，我方根据节点图绘制完成了一套加工图并复核牛腿强度。3.提升油缸的选择与布置根据现有的设备能力及本工程的实际情况，经过选择后采用了40吨提升油缸。图4-3-18最初确定提升设备平面布置图根据各个提升吊点的受力情况以及结构本身的特点，我们将在图中2、6、9、13号提升点各布置3台LSD40，其它各个提升吊点各布置2台LSD40。4.提升平台及下吊点支架的设计（1）提升平台的设计HJ2提升平台形式如图所示：图4-3-19图4-3-201、7、8、14号提升点上提升平台示意图2、6、9、13号提升点上提升平台示意图从提升同步性和结构本身点的反力来考虑，需要放置3个千斤顶，但考虑到一侧放置1台，而另一侧放置2台，会产生扭矩的不平衡，从而使HJ2上弦梁受扭，所以设计时使2台千斤顶一侧的力臂是另外一侧放置1台千斤顶的力臂的一半，这样就使上弦梁两侧所受扭矩平衡。图4-3-21HJ2提升上平台安装位置示意图（2）提升下锚点支架的设计提升下锚点支架示意图：图4-3-22下锚点支架示意图图4-3-23HJ2提升下锚点支架安装位置示意图5.液压系统的选择与布置为满足提升油缸驱动数量的要求、提升速度的要求、提升过程中同步调节性能的要求、控制模式要求等几个原则，结合本工程提升油缸的布置，共准备6台液压泵站，流量为40L/min，两侧主结构上各布置3台。该规格的泵站为双泵、单比例阀和双路液压泵站。根据上述液压泵站配置，提升速度可达3米/小时。6.计算机控制系统的选择与布置为满足控制能力强、传感器检测手段齐全、安全性、可靠性高的要求，我公司选用了以CAN-BUS总线技术开发的现场实时网络控制系统。这种计算机控制系统来源于国外的高级汽车技术，更能够适应恶劣的工作环境。相比传统的集中控制系统，这种分散式的实时网络控制系统，具有如下优点：本控制系统配备先进的传感器，以检测提升过程中的系统状况。分别为油缸行程传感器和锚具传感器。锚具状态传感器：检测提升油缸的锚具状态（锚具“松”或锚具“紧”），通过现场总线将锚具状态信号传递给主控计算机。油缸行程传感器：用于实时测量提升油缸在0～300mm内的行程，测量误差为0.25mm；本传感器主要元件为日本进口。报警保护与显示功能：在控制软件中，设置载荷和位置超差报警、自动停机等功能，确保提升的安全；同时对载荷、位置等重要参数进行显示，便于操作与监控。完备的应急措施：停电对策；超差、超载停机；误操作保护；电缆断线保护；电磁干扰；强制紧停。自检能力强：配备各种传感器，实时监控各项数据，及时发现故障。7.整体提升示意图图4-3-24提升前屋面桁架在脚手架上1图4-3-25提升前屋面桁架在脚手架上2本工程整体提升不同于其它提升项目，并且也是工程中的难点部分的是液压同步提升。简单的说就是根据提升点的不同受力值，通过计算机控制油泵行程同步，从而保证整体屋面同步提升。对于这一点，我们协同各方专家共召开了五次专家论证会，仔细讨论是否能保证计算机控制液压同步提升。北京机施对此制定了专项方案。我们先对计算机控制液压同步提升系统进行介绍：四、计算机控制液压同步提升系统1.系统介绍计算机控制液压同步提升技术是一项新颖的构件提升安装施工技术，它采用柔性钢绞线承重、提升油缸集群、计算机控制、液压同步提升新原理，结合现代化施工工艺，将成千上万吨的构件在地面拼装后，整体提升到预定位置安装就位，实现大吨位、大跨度、大面积的超大型构件超高空整体同步提升。计算机控制液压同步提升技术的核心设备采用计算机控制，可以全自动完成同步升降、实现力和位移控制、操作闭锁、过程显示和故障报警等多种功能，是集机、电、液、传感器、计算机和控制技术于一体的现代化先进设备。计算机控制液压同步提升系统由钢绞线及提升油缸集群（承重部件）、液压泵站（驱动部件）、传感检测及计算机控制（控制部件）和远程监视系统等几个部分组成。钢绞线及提升油缸是系统的承重部件，用来承受提升构件的重量。用户可以根据提升重量（提升载荷）的大小来配置提升油缸的数量，每个提升吊点中油缸可以并联使用。本工程采用的提升油缸采用40吨一种规格，为穿芯式结构。 液压泵站是提升系统的动力驱动部分，它的性能及可靠性对整个提升系统稳定可靠工作影响最大。在液压系统中，采用比例同步技术，这样可以有效地提高整个系统的同步调节性能。 传感检测主要用来获得提升油缸的位置信息、载荷信息和整个被提升构件空中姿态信息，并将这些信息通过现场实时网络传输给主控计算机。这样主控计算机可以根据当前网络传来的油缸位置信息决定提升油缸的下一步动作，同时，主控计算机也可以根据网络传来的提升载荷信息和构件姿态信息决定整个系统的同步调节量。2.同步提升控制原理及动作过程（1）同步提升控制原理主控计算机除了控制所有提升油缸的统一动作之外，还必须保证各个提升吊点的位置同步。在提升体系中，设定主令提升吊点，其它提升吊点均以主令吊点的位置作为参考来进行调节，因而，都是跟随提升吊点。 主令提升吊点决定整个提升系统的提升速度，操作人员可以根据泵站的流量分配和其它因素来设定提升速度。根据现有的提升系统设计，最大提升速度不大于3米/小时。主令提升速度的设定是通过比例液压系统中的比例阀来实现的。 主控计算机可以根据跟随提升吊点当前的高度差，依照一定的控制算法，来决定相应比例阀的控制量大小，从而，实现每一跟随提升吊点与主令提升吊点的位置同步。（2）提升动作原理 提升油缸数量确定之后，每台提升油缸上安装一套位置传感器，传感器可以反映主油缸的位置情况、上下锚具的松紧情况。通过现场实时网络，主控计算机可以获取所有提升油缸的当前状态。根据提升油缸的当前状态，主控计算机综合用户的控制要求（例如，手动、顺控、自动）可以决定提升油缸的下一步动作。提升系统上升时，提升油缸的工作流程如下： 首先上锚紧，下锚停，油缸伸缸，张拉钢绞线，将负载通过钢绞线作用于上锚；当油缸伸到底以后，下锚紧，油缸缩缸，上锚松，将负载由上锚转换至下锚；油缸缩缸到底，上锚紧，下锚停，油缸伸缸，将负载由下锚转换至上锚，并且通过油缸伸缸将重物提升； 当油缸伸到底，一个行程结束，提升重物也随油缸伸缸提升一个油缸行程； 下锚紧，油缸缩缸，上锚松，将负载由上锚转换至下锚；油缸缩缸到底，上锚紧，下锚停，油缸伸缸，将负载由下锚转换至上锚，开始新的一个行程，通过油缸伸缸将重物提升；这样通过上下锚具负载的转换，油缸的伸缩，将重物随着油缸的伸缸动作逐步提升至规定高度。 集群油缸系统通过计算机控制系统对所有油缸的动作统一控制、统一指挥，动作一致（同时进行锚具的松紧，同时进行伸缩缸动作等），完成构件的提升作业。3.为保证整体提升同步制定了一系列控制措施（1）同步控制参数：相邻两提升点位移高差不超过2cm。每个提升点的力不超过该点设计标准值的10%。（2）首先我们在液压系统总体布置思路上根据本工程各个提升吊点的受力情况作出了相应变化，总共设置了6台液压泵站，每榀HJ2两侧各布置1台泵站，张弦梁部分，两侧各布置一台泵站，这样实现了对刚度较大的HJ2和刚度较小的张悬梁可以单独控制。（3）张弦梁每个提升点放置两台LSD40千斤顶，提升能力80吨，两侧张弦梁的六个提升吊点的反力相对于80吨的提升能力来说，受力比较小，相差也比较悬殊，为了达到整体提升较高的同步性，除了现有的液压系统外，另在反力相对较小的四个点安装4个减压阀以及4块压力表，这样通过调节泵站溢流阀压力与调节减压阀的压力相结合来平衡控制各个点千斤顶的提升力，实现了对每个提升点的压力都可以单独调节,从而保证了系统的同步性。4.正式提升过程经过几次专家论证，模拟现场计算，对已有结构测量定位，提升牛腿安装等准备措施，中庭整体屋面于07年10月27日试提升。设计、监理、业主及各方专家亲临现场指挥。提升单位对现场提升牛腿，泵站、钢铰线等进行最终检查，确保无误。测量公司配合在二层及四层架设两台经纬仪、两台水准仪，对桁架四个点及屋面中间两点进行监控。第一次试提升，准备一次提升300mm（300mm是一个油缸行程）。但提升最初桁架出现了扭转，由于设计提供屋面各点的受力值与实际值有出入，初步认为可能是桁架外侧点受力值偏大或内侧点受力偏小，所以桁架本身出现了外高内低的情况。图4-3-26第一一次提升的桁桁架发生扭转转1图4-3-27第一次提提升的桁架发发生扭转2为尽快找到准确的的屋面各点受受力值，并能能随时控制提提升十四个点点的油缸流量量及压力大小小，我们在每每个点增加截截流阀，南、北北各两个减压压阀。要求测量全程监控控，每提升225mm测量量一次整体标标高，然后单单点调整水平平度，保证整整体基本水平平后再继续提提升。第一次次6号提升25mmm，9号点提升200mm,此时以14号点为坐标标原点（0，0），最大偏偏差是6号点（0，-59）。随后再再单提6号点40mmm，9号点提升200mm，以14号点为坐标标原点（0，0），最大偏偏差是13号点（0，-39）。经过一天的提升，以14号点为坐标原点（0，0），最大偏差是6、13号点（0，-9），为保证整体能保持稳定的趋势上升，我们决定调整油泵位置和油路连接形式。图