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昆明新機場鋼屋蓋胎架滑移施工技術

作者:傅新芝 徐綱 吳文平 徐文秀 楊國松    
時間:2012-12-12 13:26:19 [收藏]
介紹了昆明新機場鋼屋蓋的胎架滑移技術,并對胎架滑移施工過程進行模擬計算,重點闡述了滑移軌道的設置、胎架的設計等關鍵技術,實踐證明該施工技術保證了昆明新機場鋼屋蓋的順利安裝就位,取得了顯著的工期
    關鍵詞:

    [摘 要]:介紹了昆明新機場鋼屋蓋的胎架滑移技術,并對胎架滑移施工過程進行模擬計算,重點闡述了滑移軌道的設置、胎架的設計等關鍵技術,實踐證明該施工技術保證了昆明新機場鋼屋蓋的順利安裝就位,取得了顯著的工期效益和經濟效益,可供此類工程參考。          
    [關鍵詞]:大跨度;鋼屋蓋;胎架;滑移
     
    1  引  言
          昆明新機場建設項目是國家“十一五”期間的重點建設工程,也是云南省特大型城市基礎設施建設工程。其定位是中國面向東南亞,南亞和連接歐亞的國家門戶樞紐機場,因此國家和云南省都對此給予高度重視,確定了“建世紀工程,立千秋偉業(yè),創(chuàng)中國一流”的項目目標,建設“節(jié)約型,環(huán)保型,科技型和人性化的現代化綠色機場”。建成后,昆明將成為繼北京,廣州,上海之后全國第四個擁有國家大型門戶樞紐機場的城市。
          昆明新機場航站樓,目前是我國單體投影面積和建筑面積最大的航站樓,其屋蓋為雙曲面外形,南北方向長約850m,東西方向寬約1120m,投影面積約17.828萬平米。在航站樓南端入口處有22m~32m的室外懸挑屋頂、北端局部區(qū)域設有11m的懸挑屋頂。屋蓋結構設有6道溫度縫,將整個航站樓屋頂分為七部分,其中核心區(qū)(A區(qū))屋蓋面積最大,其東西長約328m,南北方向寬約277m,屋蓋面積約8.5萬平米。屋蓋主體采用曲面空間網架結構,為四角錐網架和正交桁架系結合的網架形式。核心區(qū)(A區(qū))是屋蓋支承在彩帶結構、懸臂鋼管柱、鋼管混凝土柱和搖擺柱柱頂,其他區(qū)域的屋蓋支承在懸臂鋼管柱和搖擺柱柱頂。網架通過三向固定鉸支座與下部支承結構連接,整體效果圖如圖1所示。為了達到“彩帶”的建筑效果,建筑師將A區(qū)中心屋蓋支承結構布置的十分簡潔流暢,各拱頂將作為屋頂網架支承點,如圖2所示。整個結構線條流暢,造型新穎,但同時給施工帶來很大難度。
     

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    圖1.昆明新機場效果圖
     
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    圖2.A區(qū)彩帶軸測圖
     

    2  施工方案
          大跨度鋼屋蓋的安裝方法主要有高空散裝法、分條分塊吊裝法、高空滑移法、頂升法及整體吊裝法等[1-4]。考慮到本工程A區(qū)的結構特點、場地條件以及施工工期等要求,最后采用高空滑移法中的設置滑移裝置,每次拼裝完一個單元后,滑移至下一位置組拼。
          鑒于象征“七彩云南”的七根彩帶中,(與滑移直接有關的是4#~7#彩帶),均各以中心SO1軸東西對稱。而在東西半區(qū)的彩帶拱頂高度均為從邊向中由“較高——較低——最高”呈馬鞍形變化。為此,折線式滑移軌道,也應按“較高——較低——最高”而變化。這樣在滑移時,網架結構下口不會碰到彩帶拱頂。因此,滑移軌道就簡化為在邊上初始位置的拼裝區(qū)一段距離平行抬高一段高度,以讓開彩帶沿邊上一段為較高的拱頂;然后通過一段傾斜的過渡軌道,再與+10.20m樓層面上的水平軌道相連接。相反,如果是直接在+10.20m樓面上的水平軌道上滑移,那么就只能按該滑移分塊滑移至其真實位置前,能通過的邊上彩帶拱頂和中心彩帶拱頂而定下滑移胎架的高度。這樣滑移胎架就要做得足夠高,否則網架結構就要與彩帶初始位置相碰無法滑移。雖然軌道的做法簡易,卻給滑移分塊到位后,往下降至網架真正位置高度時帶來巨大的麻煩:需將滑移胎架頂上的頂升油泵(其行程只允許≤300mm)多次下降,則相應要將滑移胎架頂部結構逐步割去。這樣工作繁瑣,且增加了大量極不安全的高空作業(yè),還會大大影響工程的周期和質量。

     
          2.1 滑移分塊及滑移軌道布置
          由于A區(qū)屋蓋為對稱結構,取1/2模型進行分析,如圖3所示。
     

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    圖3.滑移分塊圖
     

    滑移分塊總共分為10塊,以6#彩帶所在的12軸對稱分兩區(qū),每區(qū)各分5塊,編號為A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8、A9、A10?;栖壍拦?條,分別位于3、4、7、8、11、13、15、18/5、軸上。其中滑移分塊A5、A10所在位置為安裝區(qū)域,即在該處對各個滑移分塊進行拼裝,然后沿著滑移軌道滑到鋼屋架結構的設計位置,A9分塊直接吊裝,A5、A10分塊在其設計位置進行現場拼裝即可。在布置滑移軌道時,充分利用原有建筑結構的混凝土梁作為軌道支撐,盡量避免對原有建筑結構進行加固,減少臨時結構費用支出。選取原混凝土框架第三層結構梁鋪設八條滑移軌道,網架的滑移分塊下弦焊接球節(jié)點支承在滑移胎架上,通過液壓爬行器牽引胎架沿著軌道滑動。滑移胎架重復利用,每次滑到位后用臨時支撐換撐,滑走胎架,根據原建筑結構,滑移分區(qū)及軌道布置如下圖4所示。
     

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    圖4.軌道布置圖
     

    特別注意的是,滑移分塊A1~A5跨過5#彩帶,滑移分塊A6~A10跨過7#彩帶,故而在設計滑移軌道時需綜合考慮施工的可行性、以保證各滑移分塊可以順利通過彩帶。
          2.2 滑移胎架設計
          滑移胎架系統由格構柱、聯系桁架組成(圖5),底部通過滑移箱梁與胎架連接,滑移箱梁上焊接耳板與液壓爬行器連接?;葡淞簲R置在滑移軌道上,在滑移箱梁與軌道接觸的兩側設置擋板,以便于適當調節(jié)不同步的狀況。胎架尺寸及構造如圖6所示。由于各分塊的安裝高度不統一,將胎架設計成標準節(jié)和非標準節(jié),通過組合調整,使胎架高度滿足各分塊的安裝要求?,F場胎架及液壓爬行器如圖7所示。
     

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    圖5.滑移胎架圖
       
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    圖6.胎架構造圖

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    圖7.現場胎架及液壓爬行器
     

    整個滑移結構體系(網架、聯系桁架和滑移胎架)是一個剛性體?;七^程中,在通過滑移軌道的變坡時,剛性體在斜坡上傾斜將會使上部網架重心前傾,增加施工不安全系數,且這樣的結構無法自適應變形,因此在軌道平衡梁下設置轉鉸機構,如下圖8:
     

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          滑移胎架底部采用此機構后,過斜坡時,滑移體系的自適應過程如下:
     

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    圖8.滑移胎架底部自適應體系及在斜坡軌道處的自適應過程
     

    對于這種高空的鋼結構在斜坡上滑移時,結構是否會傾覆是必須考慮的問題,為此通過sap2000的計算,得出了滑移體系在斜坡滑移時并不會出現傾覆的結論;但是后排滑移胎架的雙軌鉸點反力中,存在一個為負的反力,即此鉸滑移過程中會出現上翹,這對于滑移施工是很不利的。對于這種高空結構,防傾覆也應該作為一種安全保障。綜合考慮現場條件最后采用如下設計見圖9:

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    圖9.軌道處防傾覆裝置
     

    該反鉤機構安裝在后排胎架的平衡梁底部,用于防止結構的傾覆,通過計算后鉸點的上翹力并不大,此反鉤機構完全能夠滿足抗彎要求。
          不過經過滑移的實踐,可以對此機構進一步優(yōu)化,使其在滑移過程中不僅可以防傾覆,而且可以起導向作用,防止滑移體系跑偏;結構形式如下圖10所示:
     

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    圖10.防傾覆裝置改進型
     

    此結構的局部放大圖11如下:
     

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    圖11.改進型詳圖
     

    此機構的安裝位置也是后排胎架的軌道平衡梁下部。工作原理如下:當滑移體系有傾覆或一個鉸翹起時,該機構的輪子和軌道上翼緣下部接觸,防止結構傾覆,且機構的抗彎能力要明顯好于前面的反鉤機構。而當滑移體系跑偏時,輪子將和軌道腹部接觸防止跑偏,并可以很好的起到導向作用。
    滑移胎架底部安裝的轉鉸機構雖然解決了結構過斜坡的問題,但由此產生了局部結構的傾覆問題,下圖12分別為后排胎架和前排胎架在斜坡滑移時,轉鉸下部結構的受力圖:
     

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    圖12.在斜坡軌道處的滑移胎架下部轉鉸結構受力圖
     

    通過受力分析可知,N和Fy產生的力偶為抵抗局部翻轉的力偶,對于防止該結構的翻轉是有利的,為了增大此力偶,可以從增加力臂的長度考慮,設計如下圖13:
     

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    圖13.下部轉鉸處結構改進型
     

    此滑撬結構可以很好的增加力臂的長度,防止結構繞轉鉸翻轉,但此時滑撬結構受彎,為了提高結構的抗彎能力,滑板上面采用工字鋼,在滑板與平衡梁連接處焊后進行打磨平滑,這樣既可以很好的起到導向作用,而且避免出現滑板卡切軌道的情況。
          當然,受滑雪用的雪橇啟發(fā),可以將結構優(yōu)化設計如下圖14:
     

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    圖14.轉鉸結構改進型的優(yōu)化
     

    這種結構不僅可以很好的起到局部抗翻轉作用,而且可以很好的起到滑移導向的作用。
          3  滑移過程有限元分析
          為了保證胎架系統在滑移過程中的整體穩(wěn)定性和安全性,有必要對滑移過程作模擬有限元分析,驗算在各種工況下的結構承載力和變形。本文采用SAP2000有限元軟件做滑移分析,并取最重的分塊1作滑移計算。
          3.1 荷載工況
          3.1.1荷載(D)
          滑移胎架和網架自重。
          3.1.2風荷載(W):考慮X向和Y向風荷載,具體 
          風荷載計算如下:
     

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          3.1.3荷載組合:
          1.0D+1.0WX,1.0D+1.0WY——驗算滑移軌道上部支撐點反力、滑移分塊下油缸反力、滑移分塊變形;
          1.2D+1.4WX,1.2D+1.4WY——滑移結構整體應力分布
          計算模型如圖15所示,其中軌道和滑移胎架接觸處為鉸接。

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    圖15.滑移分塊1計算模型
    3.2 油缸反力:
          滑移分塊1油缸編號如下:
     
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    圖16.滑移分塊1油缸編號

          各工況下,油缸反力如下表1所示:
    表1. 滑移分塊A1油缸反力
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    3.3 滑移整體變形及應力比
          各工況下的滑移整體變形如圖17和圖18,兩種工況下的豎向變形分別為29.8mm、31.4mm。由于計算過程中出現部分桿件應力不滿足要求情況,需進行換桿處理,換桿方案如下:HG1:φ114x5替換為φ133x6,HG2:φ89×4替換為φ159×6;HG3:φ89×4替換為φ159×6;HG4:φ133×6替換為φ159×10;HG5:φ133×6替換為φ159×10;HG6:φ133×6替換為φ159×6;HG7:φ114×5替換為φ159×6,桿位置圖如圖19所示。桿件替換后,結構的應力水平分布如圖20所示,構的最大應力比為0.87,滿足要求。且從應力分布圖可以看出,應力比較大的桿件主要分布在各油缸附近。
     
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    圖17.工況1.0D+1.0WX下整體結構變形
     
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    圖18.工況1.0D+1.0WY下整體結構變形
     
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    圖19.分塊1換桿位置圖
     
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    圖20.滑移分塊1整體應力比
     
    4  結 論
          昆明新機場為大型樞紐機場,航站樓屋蓋為雙曲面外形,結構復雜,采用多軌道、變高度胎架、分組滑移施工方案,成功解決了空間復雜鋼屋蓋的安裝就位難題,整個施工過程順利完成,取得了良好的工期效益和經濟效益。本文系統介紹了該工程滑移施工技術、滑移分塊、滑移胎架的設計以及滑移前的模擬分析,可為類似工程提供借鑒。
          參考文獻:
          [1] 陳安英.大跨度鋼結構胎架整體滑移法施工技術[J].鋼結構,2008,23(9):75-76.
          [2] 李志剛,楊蔚彪.大跨度鋼屋架整體滑移方案有限元分析[J].鋼結構,2006,21(1):72-74.
          [3] 郭彥林.澳門綜合體育館主桁架整體提升及提升塔架分析[J].建筑結構學報,2005,26(1):17-24.
          [4] 郭彥林,郭宇飛,劉學武.大跨度鋼結構屋蓋落架分析方法[J].建筑科學與工程學報,2007,24(1):52-58.
          作者簡介:傅新芝(1973-),江蘇滬寧鋼機股份有限公司,工程師、一級建造師,
          傅新芝 徐綱 吳文平 徐文秀 楊國松  江蘇滬寧鋼機股份有限公司


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