大跨度钢结构施工技术的研究与应用

1大跨度空间钢结构施工技术的研究与实践鲍广鑑深圳建升和钢结构建筑安装工程有限公司资料21.前言随着建筑业的蓬勃发展，工业厂房、大会堂、体育馆、展览馆、影剧院、机场航站楼、飞机库、汽车库等屋盖的结构已不仅仅满足于一般的功能要求，而是在满足功能要求的前提下，逐步地向美观、新颖、独特的方向发展，跨度也越来越大，外形也由单一的平面规则形状向复杂的三维空间造型迈进，大跨度空间结构体系在我国迅猛发展，给结构施工提出了新的课题，传统的施工工艺已逐渐无法满足施工的需要，新的施工工艺、设备、技术也就应运而生。近几年，我公司作了一批大工程，从中也总结了一些成功的施工经验，希望能与同行们进行交流。2.工程实例2.1机场类沈沈阳阳桃桃仙仙国国际际机机场场深深圳圳机机场场航航站站楼楼工工程程广广州州新新白白云云国国际际机机场场3广州新白云机场飞机维修设施工程2.2会展类厦厦门门国国际际会会展展中中心心哈尔滨国际会展体育中心天津市滨海国际汽车城42.3体育场馆深圳会议展览中心中心沈沈阳阳博博览览中中心心广州新体育馆52.4文化设施类深深圳圳市市文文化化中中心心深深圳圳市市少少年年宫宫澳澳门门文文化化中中心心63.施工工艺和技术目前国内的大跨度空间结构施工工艺，归结起来不外乎分为三大类：高空分段拼装、滑移、整体提升，我公司在近六年来的工程实践中，结合每个工程的特点，在原有工艺的基础上大胆创新、有所发展，使每一个大型工程的施工工艺都作到科学、安全和充分保证质量。因此在以往的几年中，我公司成功施工了国内多个高难度的大型工程，未出现过一次重大质量事故，无一例重大伤亡事故。并在此基础上总结了多项技术成果，积累了丰富设计、施工的经验，形成了包括高空分段拼装；滑移；整体提升；施工计算机仿真技术；施工阶段的结构验算；施工措施的设计与验算；厚板、管结构全位置、异种钢材焊接；空间定位及测控技术；结构及变形试验、测试技术；钢结构主承建管理等关于大跨度钢结构施工成套技术。其中有两项施工技术获省部级科技进步奖，两项已成为国家级工法，五项技术经专家鉴定达到“国际先进水平”，其中一项达“国际领先水平”。以下将结合工程实例，简要介绍3.1高空分段拼装工艺高空分段拼装是将整体结构按照一定的规则，分成可以吊装的若干分段，在分段处搭设可用于承重和作为操作台的支撑平台，将分段在高空合拢为独立的稳定体系，之后，拆除支撑。依次进行结构的组装直至完成全部结构安装的施工工艺。该工艺的优点是：施工工艺简单，操作方便，结构受施工影响小。缺点是：方案受起重设备影响，局限性大，施工措施费用高。代表工程：厦门会展中心、沈阳博览中心、深圳会展中心73.1.1厦门国际会展中心工程简介：厦门国际会展中心位于福建厦门前浦开发区，主体钢结构总高度42.6米，31.8米标高以下为五层大柱距钢框架结构，31.8米以上部分为21米和35米双向大悬臂空间桁架结构。悬臂桁架为H型钢组合空间结构，桁架最大高度10m，单榀最大重量81t。主体顶部为当时国内最大的双悬臂空间桁架结构。施工工艺介绍：施工双向大悬臂空间桁架结构屋盖采用的是高空块体扩大单元无支托组装技术，将整榀行架分六个单元地面拼装、吊装，无需搭设支撑胎架直接在高空组拼，利用桁架自身刚度并通过相临单元的水平梁、水平撑、垂撑使桁架组成空间刚体，桁架成三角形顺次退吊。采用本方案确能保证结构的整体稳定、受力合理，减少了施工投入，加快了施工进度，为下部空间交叉施工创造了作业面。本施工技术是大悬臂空间结构施工技术的创新。经专家鉴定本工程综合施工技术达到“国际先进水平”。3．1．2沈阳博览中心沈阳博览中心位于沈阳市浑河大市场东，是一座全钢结构的8全封闭体育场馆建筑，屋盖面积144×204㎡，横向144米跨桁架共35榀，桁架高度10m，屋盖结构通过40个双向滑动的盆式支座支撑在四周的钢框架结构裙楼上，屋盖结构自重5500。本工程桁架安装采用分段制作、高空拼装、双塔吊分榀顺次退吊、整体释放的安装方案。在屋盖桁架下部，根据桁架的安装高度，布设安装塔架和纵横支撑桁架，形成了屋盖的整体拼装平台。横向144m跨35榀桁架为主受力桁架，等份为8段，在地面拼装成型。纵向桁架组件散装。两台行走式塔吊行走退吊桁架高空拼装。平台在屋盖形成整体受力体系，即安装完成后，一次性拆除。本工程近3万平方米的屋盖结构整体释放胎架，是目前国内整体释放的最大屋盖。3.1.3深圳会议展览中心工程简介：深圳会议展览中心位于深圳市中心区主体东西长540m，南北长280米，高60米，总用钢量31244t，由展厅、会议厅、入口三部分组成，展厅位于地面一层，平面为280m×540m长方形，屋盖结构由35榀巨型箱梁及联系檩条、支撑组成，箱梁每一榀跨度126m，一端与地面铰接，另一端与标高约30m处混凝土柱牛腿铰接，双梁体系，9由两个单梁通过6m间距的1000mm×500mm的檩条连接，梁为变截面梁，单箱梁截面2600mm×1000mm，梁下设有实心钢拉杆，通过腹杆与箱梁连接；施工工艺：本工程施工采用胎架原位拼装法，桁架在吊杆附近分段吊装，126m长桁架分为7段。双梁在连接梁中心位置断开，形成两边带牛腿的单梁。选择150t、100t履带吊就近行走吊装。在单梁分段的对接拼装节点和钢棒吊杆节点处搭设超过梁顶标高的7组型钢塔架。进行整榀桁架的原位高空拼装，包括：双梁组合、吊杆和钢棒的安装、连接。安装完两榀胎架之间所有构件，包括檩条斜撑等，释放起始榀桁架胎架，倒运至下榀进行拼装。目前该工程正在顺利施工中，预计将比合同工期提前1个月完成。3.2滑移工艺滑移工艺：是利用能够控制同步的牵引设备，将分成若干个稳定体的结构沿着一定的轨道，由拼装位置水平移动到设计位置的施工工艺。该工艺的优点是：可解决大量吊装设备无法辐射位置的结构安装难题，节约施工场地，对吊装设备要求低。缺点是：要求结构平面外刚度大，需要铺设轨道，同步控制难度大。10滑移工艺是我公司在大型工程施工中使用率非常高的施工工艺，采用该工艺到目前为止，我公司已成功施工了四项大型工程：深圳机场二期扩建航站楼、沈阳桃仙机场扩建航站楼、广州新白云机场航站楼、哈尔滨体育会展中心。这四个工程均为管桁架体系，虽均采用滑移工艺，但从施工原理、工艺特点、施工设备等方面均有很大的不同，下面将按照施工的时间顺序一一介绍。3．1．3深圳机场二期扩建航站楼工程简介：深圳机场二期扩建工程是国家计委确定的九七年度十大工程项目之一，总投资12.5亿人民币，其主体工程包括航站楼主楼、指廊、卫星厅、陆侧高架桥，另有13个机位的站坪及650个车位的停车场。屋盖投影总面积26325m2，由16榀135m长曲线钢管空间桁架组成，通过四叉钢管柱支撑在下部的混凝土柱顶。桁架的基本截面为底、高均为3m的倒置等腰三角形，上弦最大标高25.436m，下弦最低标高13.800m，节点形式全部采用钢管相贯焊接连接，每榀桁架重量为55吨，总用钢量约2800吨。施工工艺：鉴于本工程的特点，根据施工场地及施工工期的要求，工程采用高空分榀组装、单元整体11滑移、累积就位的施工方法进行桁架钢屋盖的安装。将每榀分为6段制作和吊装，桁架分段在地面制作，由布置在屋盖结构一侧行走式塔吊按顺序吊装至高空拼装胎架上。一次拼装二榀桁架，通过四叉支撑柱帽杆及檩条的连接使之成为稳定体，之后落放到两混凝土柱顶之间安装临时滑移轨道支撑架上，由三台改装10t卷扬机牵拉进行等标高滑移，每次滑移一个柱距，依次累计，直到形成第一个滑移单元，然后长距离滑移到设计位置。接着重复第一滑移单元的步骤进行第二、三单元的拼装及滑移。直到所有主桁架安装到设计位置。3．2．2沈阳桃仙机场扩建航站楼工程简介：沈阳桃仙国际机场航站楼工程是国家重点项目，辽宁省、沈阳市的重点工程。航站楼屋面及其主框架采用钢结构。屋面采用立面呈橡胶形的钢管相贯线空间桁架。航站楼钢结构总重量约3500吨。施工工艺：经综合比较，采用分段拼装，胎架滑移的施工方案：在航站楼两侧分别布置1台行走式塔吊和1台履带吊作为主要吊装工具。在楼层面设置四条胎架滑移轨道，三组拼装胎架。支撑胎架顶端高度可调节。在支撑胎架上安装前面三榀桁架。松开胎架顶12端的千斤顶，降低支撑架的高度。平移支撑胎架二个轴线距离，转移滑移轨道。按照前面的施工顺序，依次进行桁架高空组装、胎架顶千斤顶卸载、胎架滑移及转运等工序，直到整个屋盖完成。3．2．3广州新白云机场航站楼屋盖钢结构工程：广州新白云国际机场位于广州市人和镇与花都交界处，是国内已建、在建机场中规模最大的机场，占地面积1456万M2，航站楼首层平面为两片反向75m宽、314m长的圆弧形带，钢结构桁架共36榀，南北对称分布，桁架截面形式为倒置等腰三角形，高5m，宽3.8～5.25米，最大长度118.538m倾斜1～160不等，最高点标高+57.8m，节点全部采用钢管对接和相贯线焊接连接，单榀桁架重量98～142t，管桁架结构总重5800t。根据结构设计特点，安装方案选择了双胎架等标高曲线滑移分组施工工艺：在航站楼两侧各布置一台K50/50行走式塔吊和组装一副滑移胎架，一层楼面铺设四条弧形轨道。以两榀桁架为一组，在胎架顶分段吊装、连接形成结构稳定体。桁架组装验收合格后，用卷扬机将胎架和桁架一起等标高曲线滑移到中间设计位置，焊接固定内侧砼柱顶支座。利用外侧人字柱下支点铰接形式，用卷扬机牵拉人字柱旋转就位上支点。然后释放桁架支撑，将胎架返滑到起点位置，利用塔吊调整胎架高度，为下一次滑13移作准备。桁架安装由航站楼中间位置向两侧逐步扩大。3．2．4哈尔滨体育会展中心哈尔滨会展体育中心位于哈尔滨市红旗大街东部，总建筑面积约22万平方米,总用钢量12000吨。钢屋盖由35榀张弦桁架构成，每榀桁架跨度128米。屋盖主桁架上弦截面为倒三角形管桁架，下弦为直径397mm的预应力钢索。桁架一端支撑在标高15.32米的混凝土粱上，另一端由人字柱支撑，单榀重量为145吨，。本工程采用整体吊装，分片累积，高低跨不等标高同步滑移施工工艺，施工分为四个阶段：分段卧拼：将下好料的单根散件在预制的胎模上进行组装，整体检验合格后根据吊装分段运到吊装现场组装。整体组装：在穿过会展中心的泰山路上，预设了混凝土柱，柱顶有可调节高度钢架。分段桁架在这里进行上弦管桁架组装、腹杆安装、预应力钢索安装及预张拉。双机抬吊：先将人字柱临时固定在支撑架上，然后通过设置在南北侧的两台3000吨米行走式塔吊将屋盖桁架采用双机抬吊的方式吊装到设计标高。人字柱通过导链牵引与桁架连接。14高低跨同步滑移：当第一榀和第二榀主桁架与其间的次桁架、檩条焊接之后，形成一个稳定的结构框架。通过设置在地面和15米不同标高处的液压牵引装置，实现高低跨同步滑移一个轴线距离，然后重复前面的组装、双机抬吊、滑移步骤，依次累计，形成第一滑移单元。滑移到设计轴线位置。其余的屋盖桁架通过重复以上步骤，依次滑移到设计位置。3．3整体提升工艺计算机控制液压整体提升技术是近年来将计算机控制技术应用于施工领域的新技术。它的主要工作原理是：以液压千斤顶作为施工作业的动力设备，根据各作业点提升力的要求，将若干液压千斤顶与液压阀组、泵站等组合成液压千斤顶集群，液压千斤顶集群在计算机控制下同步作业，保证提升或移位过程中大型结构的姿态平稳、负荷均衡，从而顺利安装到位。本工艺的优点：低位安装，减少高空作业的危险，脚手架工程量少，施工周期短，施工规模趋向大型化等。缺点是：需要合适的拼装场地使用受到限制；需要配备提升塔架和专用提升设备，结构需要加固或改造。工程实例是：广州新白云机场飞机维修设施工程，广州新白云机场航站楼屋盖结构投标方案。3．3．1广州新白云机场飞机维修设施工程广州新机场飞机维修库位于新机场北区，总建筑面积103413平方米，建成后，可同15时容纳2架宽体客机和9架窄体客机在内进行大修。是我国目前已建、在建的飞机维修库中跨度及覆盖面积最大的一个。10号库是整个机库的核心，屋盖面积35000平方米，总用钢量吨位8665吨，桁架跨度100米+150米+100米，进深88米，可满足4架大型宽体飞机入库维修，是