王洽親, 張其林, 羅曉群, 蘇芳洲

(1.重慶機場集團(tuán)有限公司,重慶 401120; 2.同濟(jì)大學(xué),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(qū),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(gòu)型(見圖1),象征鯤鵬展翅,與T3A航站樓兩相呼應(yīng),充分體現(xiàn)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(xiàn)澆混凝土框架+屋蓋鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。

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

圖2 鋼結(jié)構(gòu)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(wǎng)架結(jié)構(gòu),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(cè)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(guī)格為φ1 600×35(40),φ(800～1 500)×50,φ1 300×45(50),材質(zhì)主要為Q420B;搖擺柱主要規(guī)格為φ(600～900)×40,材質(zhì)主要為Q355B。網(wǎng)架桿件規(guī)格為φ159×8～φ600×40,節(jié)點焊接球規(guī)格為WS3014～WSR8050;天窗部位弦桿采用矩形管□300×200×12～□450×250×30,節(jié)點采用相貫焊接;材質(zhì)主要為Q355B。屋蓋結(jié)構(gòu)整體三維軸測圖如圖3所示。

圖3 屋蓋結(jié)構(gòu)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(dǎo)致大型履帶式起重機不能直接吊裝屋蓋鋼結(jié)構(gòu),給本工程大跨度屋蓋復(fù)雜空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)安裝帶來很大挑戰(zhàn)。結(jié)合現(xiàn)場情況和結(jié)構(gòu)特點,施工前邀請相關(guān)參建單位及業(yè)界鋼結(jié)構(gòu)專家對大廳屋面鋼結(jié)構(gòu)施工方案進(jìn)行多輪探討及論證,綜合考慮鋼屋蓋造型尺寸、工期成本、結(jié)構(gòu)變形等因素后,確定將整個大廳鋼屋蓋分為7個區(qū)(見圖4),采用樓面原位拼裝、分區(qū)分步提升、全程健康監(jiān)測方法施工。即每個分區(qū)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(shù)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(tǒng)卸載,實現(xiàn)鋼屋蓋整體成型。針對鋼屋蓋提升技術(shù)特點,提前運用BIM技術(shù)進(jìn)行工序預(yù)演,并采用MIDAS Gen,3D3S軟件建立三維模型進(jìn)行數(shù)值分析,確定大廳屋蓋鋼結(jié)構(gòu)整體施工方案的合理性、可行性、安全性。

圖4 屋蓋鋼結(jié)構(gòu)安裝分區(qū)劃分Fig.4 Division of installation zones for roof steel structures

由于大廳屋蓋造型復(fù)雜,結(jié)構(gòu)高差達(dá)18m,為優(yōu)化拼裝胎架高度、減少高空嵌補量、利于高空作業(yè)安全性控制,每個分區(qū)再劃分為若干小分塊,進(jìn)行累積提升。其中,1～4區(qū)分2次累積提升,5,6區(qū)分3次累積提升,7區(qū)分2次累積提升;每個施工分區(qū)可單獨提升作業(yè),根據(jù)具體土建工作面移交情況分別作業(yè)。屋蓋鋼結(jié)構(gòu)提升小分塊劃分如圖5所示,提升工況預(yù)演如圖6所示。

圖5 屋蓋鋼結(jié)構(gòu)提升小分塊劃分Fig.5 Small block division for roof steel structure lifting

圖6 提升工況預(yù)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(wǎng)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(jìn)行網(wǎng)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(wǎng)架拼裝過程精度,應(yīng)用BIM技術(shù)對網(wǎng)架拼裝過程進(jìn)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(hù)焊由中心向四周分散對稱施焊,按從下向上順序進(jìn)行,焊后進(jìn)行探傷。

圖7 拼裝胎架示意Fig.7 Assembly bed-jig

圖8 應(yīng)用BIM技術(shù)模擬網(wǎng)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(shè)計

提升支架設(shè)置原則為盡可能在原屋蓋支撐結(jié)構(gòu)鋼柱上架設(shè)提升架及相應(yīng)吊點,使鋼屋蓋提升過程中受力盡可能接近設(shè)計狀態(tài)。提升吊點應(yīng)使鋼屋蓋整個提升過程中應(yīng)力及變形處于設(shè)計及相關(guān)規(guī)范可控范圍內(nèi);當(dāng)分區(qū)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(shè)置在臨時支架中心,避免支架在豎向荷載作用下偏心。

根據(jù)鋼屋蓋整體提升方案,共設(shè)置84組提升支架(見圖9)。其中,1～4區(qū)各布置7組提升架,5,6區(qū)各布置16組提升架,7區(qū)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(jìn)行有限元分析,確保整個施工過程中結(jié)構(gòu)均滿足設(shè)計及規(guī)范要求,最終確定提升支架及吊點設(shè)計。

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

根據(jù)提升支架布置及鋼屋蓋結(jié)構(gòu)特點和數(shù)值模擬分析結(jié)果,提升支架及吊點設(shè)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(jié)構(gòu)相互干擾,運用BIM技術(shù)對整個提升過程進(jìn)行模擬分析,預(yù)判提升支架與鋼屋蓋等其他結(jié)構(gòu)形式間的對應(yīng)關(guān)系,避免提升過程中發(fā)生碰撞。

整個提升支架及吊點設(shè)計主要包括提升油缸、提升梁、提升吊點、鋼牛腿、轉(zhuǎn)換鋼梁及提升支架等的規(guī)格、尺寸布置與連接等。經(jīng)過相應(yīng)分析計算,在滿足工期進(jìn)度及保證安全質(zhì)量的前提下,提升支架及吊點盡量設(shè)計為統(tǒng)一規(guī)格。其中類型3的φ609×8主管材質(zhì)為Q235B,其余材質(zhì)均為Q355B。

1)類型1提升支架及吊點設(shè)計(見圖10) 鋼柱頂部加設(shè)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(shè)置提升油缸,對應(yīng)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(jié)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(shè)計(見圖11) 柱頂部加設(shè)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(shè)置2個提升油缸,對應(yīng)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(jié)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(shè)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(shè)置1臺提升油缸,提升支架頂部設(shè)置轉(zhuǎn)換平臺,對應(yīng)下吊點與屋蓋鋼結(jié)構(gòu)連接,支架底部設(shè)置轉(zhuǎn)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(yù)先設(shè)置埋件,同時支架立桿對應(yīng)部位型鋼轉(zhuǎn)換梁處設(shè)置相應(yīng)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(wǎng)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(guī)格為φ114×5,φ140×5,φ159×8,φ180×10,換桿加固后對應(yīng)規(guī)格為φ140×5,φ159×8,φ180×10,φ219×12,材質(zhì)均為Q355B?；驹瓌t為在原設(shè)計規(guī)格上提高1個級別,深化設(shè)計階段按換桿加固后桿件進(jìn)行設(shè)計,并在工廠加工,現(xiàn)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(shù),通過具有毫米級微調(diào)功能的主控計算機,實現(xiàn)提升系統(tǒng)全自動化。設(shè)置總控制室進(jìn)行統(tǒng)一指揮調(diào)配,通過提升系統(tǒng)實現(xiàn)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(tǒng)主要由鋼絞線及提升油缸集群(承重部件)、液壓泵站(驅(qū)動部件)、傳感檢測及計算機控制(控制部件)和遠(yuǎn)程監(jiān)視系統(tǒng)等組成。整個提升工藝流程為：提升支架安裝→提升系統(tǒng)安裝調(diào)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(tǒng)拆除。為確保鋼屋蓋按設(shè)計要求順利提升成功,提升前及提升過程中應(yīng)做好相應(yīng)準(zhǔn)備工作。

1)提升支撐結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)驗收需滿足要求,尤其是主要預(yù)埋件與轉(zhuǎn)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(shè)計,主要包括支架材質(zhì)、規(guī)格、尺寸及節(jié)點構(gòu)造等。

3)全面排查提升系統(tǒng),包括臨電系統(tǒng)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(wǎng)架結(jié)構(gòu)相關(guān)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(shù)據(jù),前后宜采用統(tǒng)一控制點及設(shè)備。

6)檢查清除提升通道及其他障礙物。

7)參與人員進(jìn)行安全技術(shù)交底及明確崗位職責(zé)。

8)根據(jù)提升點設(shè)計荷載值按比例分級加載,直至結(jié)構(gòu)全部脫空,排查無異常后脫空25cm,并保持0.5d以上進(jìn)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(jiān)測,并利用智能全站儀及時進(jìn)行采集分析。

10)正式提升到位進(jìn)行空中懸停,通過計算機控制單臺油缸實現(xiàn)精準(zhǔn)網(wǎng)架調(diào)整。

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

12)提升及卸載前進(jìn)行天氣預(yù)判,避開大風(fēng)、冰雪天氣。

3.5 數(shù)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(jìn)行數(shù)值模擬分析,均滿足要求。以最大提升分區(qū)7為例：該分塊提升時,鋼屋蓋換桿后最大應(yīng)力比為0.447(見圖14),提升支架最大應(yīng)力比為0.533。綜上,整個提升過程結(jié)構(gòu)強度和剛度均滿足要求。

圖14 提升分區(qū)7鋼屋蓋應(yīng)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(wǎng)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(dǎo)致嵌補桿件無法后裝,故需提前預(yù)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(tài),需預(yù)留部分嵌補桿件(見圖15),在設(shè)計截面基礎(chǔ)上更換高于原設(shè)計桿件1個級別。預(yù)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(zhǔn),且對應(yīng)單鋼管不出現(xiàn)2個及以上接頭。根據(jù)設(shè)計要求,鋼結(jié)構(gòu)合龍溫度為15～25℃,為更好地控制嵌補桿件質(zhì)量,合龍前,鋼構(gòu)件表面實測溫度應(yīng)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(guān)節(jié)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(jié)構(gòu)提升,搖擺柱待對應(yīng)分區(qū)屋蓋提升到位后及時嵌補安裝,使整個鋼屋蓋形成穩(wěn)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(tài)變?yōu)闊o荷狀態(tài),而結(jié)構(gòu)則由安裝狀態(tài)過渡至設(shè)計受力狀態(tài)。整個卸載過程要使結(jié)構(gòu)變形最小,桿件應(yīng)力比變化不大,支架受力均勻不失效。經(jīng)方案比選,提升區(qū)鋼屋蓋對應(yīng)嵌補安裝、焊接、檢測完畢且經(jīng)驗收合格后,通過計算機控制提升支撐架頂部油缸系統(tǒng)逐級減荷的方式進(jìn)行卸載。根據(jù)施工方案,采用有限元分析軟件MIDAS Gen進(jìn)行建模分析,為卸載過程的安全穩(wěn)定提供有力的數(shù)據(jù)支撐。其中,鋼屋蓋卸載后最大變形為42mm,桿件最大應(yīng)力比0.28(見圖17),整體均處于可控狀態(tài)。

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

6 健康監(jiān)測

采用健康監(jiān)測系統(tǒng),對主受力點及撓度最大點位進(jìn)行實時監(jiān)控。健康監(jiān)測系統(tǒng)在鋼屋蓋提升前安裝并調(diào)試完成,應(yīng)變計和監(jiān)測點主要布置于屋蓋支座周邊主受力桿件、跨中桿件等關(guān)鍵部位,用于監(jiān)控提升、卸載全過程主要桿件應(yīng)力、應(yīng)變,當(dāng)達(dá)到預(yù)警值后系統(tǒng)自動報警,以便現(xiàn)場應(yīng)急處置,達(dá)到正常狀態(tài)后方可進(jìn)行下一步作業(yè)。鋼屋蓋提升及卸載健康監(jiān)測數(shù)據(jù)采集如圖18所示。

7 結(jié)語

重慶江北機場T3B航站樓鋼屋蓋造型復(fù)雜、面積大、跨度大、桿件規(guī)格數(shù)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(jīng)研討,最終大廳鋼屋蓋劃分7個區(qū),采用樓面原位拼裝、分區(qū)累積提升、分區(qū)分批卸載施工技術(shù),此方法不僅可有效地將網(wǎng)架高空拼接、焊接等作業(yè)轉(zhuǎn)移至樓面,還更好地控制了安全質(zhì)量和工期、成本,減少對周邊施工環(huán)境的影響。同時,全程采用健康監(jiān)測方案,為安全實施提供了有力支撐。