郑州新郑国际机场钢结构施工技术

郑州新郑国际机场钢结构施工技术宋林摘要：系统总结郑州新郑国际机场钢结构施工技术，详细阐述钢结构施工的程序、施工方法、关键技术。通过滑移前充分地模拟分析、科学地划分滑移单元，并有效地采取同步控制措施，实现多条轨道滑移技术。关键词：大跨度；索拱钢结构；拉索；同步滑移；模拟分析；同步控制郑州新郑国际机场改扩建工程是河南省“十一·五”期间重点项目，按2020年为目标年进行设计，整个工程分扩建和改建两期进行。其中，扩建工程于2005年8月12日开工，2006年11月30日完工，历时15个月；改建工程于2007年4月1日开工，2007年11月22日完工，历时近8个月。整体工程的建成仅仅用了2年的时间，其中改扩建工程钢结构均不到2个月全部完工，这种速度在整个民航建设史上是空前的，被民航总局誉为“郑州速度”。建成后的郑州新郑国际机场航站楼、客机坪、货机坪总面积达到38.45万㎡。停机位由原来的14个增加到31个，郑州机场年旅客保障量由原来的380万人次增加到1200万人次、货邮吞吐量由原来3.04万t增加到35万t。1工程概况1.1建筑设计航站楼屋顶采用波浪造型，取意于“黄河之水天上来”，象征中华文化源远流长，隐喻了中原地区的发展一浪高于一浪。其建筑风格既体现了现代大型空港建筑的特殊性，富有时代气息，又体现了黄河文化和郑州这一商代古都的特色形象与新风貌（图1）。1.2钢结构概况1.2.1钢桁架工程屋面钢结构主体为曲线钢箱梁与空间拉索组合桁架结构（图2），总用钢量约5400t。改建部分由26榀桁架组成，其中○30～○34线共有4榀,跨度为32.65m,桁架单质量为27.3t；在○28～○50线共有22榀，总跨度为133.97m,桁架单质量为110.2t；扩建部分由54榀桁架组成，其中在○1～○4、○49～○53线共有8榀，跨度为32.65m,桁架单质量为27.3t；在○5～○48线共有46榀，总跨度为133.97m,桁架单质量为110.2t；采用变截面矩形箱梁，截面高度450～950mm，跨度250mm。1.2.2钢拉索拉索采用1670级φ5mm镀锌钢丝半平行扭绞刑拉索，二级松弛。下弦主索（XXS）截面5mm×55mm钢丝。副索（FS）截面为5㎜×13㎜钢丝；进厂后取样钢丝经检验，抗拉强度为1680～1760MPa弹性模量为1.94×105～1.98×105MPa，延伸率为4.0%～4.55%.拉索采用高密度聚乙烯PE外包保护，分为内外两层，内层为黑色，厚度4mm，外层为灰色，厚度为3mm。1.2.3钢支撑桁架支撑体系为钢管体系，在3/0A、○G轴采用V型钢管柱支撑，钢管直径分别为325和245mm；在○A、○E轴采用对称位置角度四叉钢管撑，钢管直径325mm；在○J轴采用不对称角度四叉钢管撑，钢管直径分别为245，219mm。钢管支撑与桁架及下部铸钢件采用销轴连接。在支座处，斜撑两端以及主桁架梁与斜撑的连接节点处均采用铸钢件，铸钢件总数达2200多件，总质量约460t，且造型各异，如图3所示。2钢结构施工技术该工程为大跨度空间索拱钢结构，屋面钢结构安装施工采用“分段制作、地面拼装、高空成型、累积滑移”的方法。2.1分段制作工程单榀桁架长度为133.97m,且为弧形造型，为了方便运输，将桁架按照12m左右分段，在工程内加工，然后进行构件的预拼装，驻厂监理检验合格后运输到工地现场。2.2地面拼装地面拼装即将12段拼装成4跨，按照就近组装的原则，在选定的地面组装场地利用4台25t汽车吊进行组装。组装时在地面铺设路基箱，在路基箱上搭设组装胎架，在地面拼装完成后安装拉索，拉索随钢结构一起吊装至高空，如图4、图5所示。2.3高空吊装2.3.1高空拼装胎架根据现场施工的需要，在航站楼端部搭设2组胎架，进行2榀桁架的高空对接成型。根据桁架受力特点，选择胎架支点在设计桁架的支撑连接处。由此，每跨设2组胎架，每榀桁架4跨，共设32个胎架。高空拼装用胎架均采用1m×1m格式胎架的标准节进行对接，当胎架顶部一节高度小于标准节胎架的高度时，按照实际所需要的长度进场现场制作。高空拼装作为屋面钢结构安装中最关键的一步，必须做好胎架安装和桁架安装过程中的测量工作，严格按照测量程序进行操作，并做好记录。胎架底部标高标高按照混凝土标高算起。胎架顶部标高根据支撑点的桁架底部设计标高确定，并留300mm的调节量，此部分标高利用槽钢搭设的马凳和千斤顶配合使用，进行局部调节。2.3.2桁架吊装桁架分跨拼装为整体后的质量，最大质量为24.1t。根据场地条件，作业半径最大为20m，吊装选用7150型150t腹带吊。本工程桁架为空间曲线形，且分跨吊装，吊装时拉索挂在钢构件上（为张拉），因此需计算各跨的重心，以确定合理的吊点，防止吊装时产生倾覆，保证结构的安全。以第一跨为例，吊装如图6所示。2.3.3拉索施工拉索的张拉施工是工程的关键程序。工程桁架采用8台千斤顶（对热铸锚索头，单个索头张拉需要2台千斤顶）和4台油泵在高度拼装成型后的桁架上进场张拉。桁架第一跨、第三跨采用一端张拉，第二跨采用两端张拉，共设4个张拉端，此种方法可以减少因索拉引起的桁架平面内侧向位移。在桁架高空成型后卸载，桁架脱离胎架，进行拉索同步张拉[1]主索。在结构中位方便、有效地建立预应力，在张拉过程中采取分级加载的方法，第一阶段加载0～50%，第二阶段加载50%～100%，拉索的张拉如图7所示。在施工中按照控制加载力的方法控制索力，即通过每阶段油压表的数据反映施加的索力。施工完毕，邀请第三方对索的张拉力采用频率法进行测试，根据测试的结果，拉索张拉力基本在控制范围内。2.4结构滑移2.4.1滑移方案该工程采用积累滑移的施工方法，根据桁架跨度及支撑柱情况，在混凝土柱之间设置滑移钢梁，钢梁上铺设5条滑移轨道（图8）。在航站楼一侧（○5～○7线）的楼面上分别搭设两组高空拼装胎架，桁架在地面分段拼装后分跨吊装。两榀桁架高空成型后向前滑移一个柱距，再进行下一榀桁架安装，待安装6榀后，作为一个单元滑移至设计位置，再进形下一个滑移单元的施工，最终完成整个屋面钢结构的施工。此种方法具有以下优点：1）滑移工艺成熟，操作简单；2）拼装胎架量少，且不需要反复安装拆除；3）有利于拉索地面安装，高空张拉；4）桁架地面的拼装，分跨组合吊装，确保了工程质量和施工进度；5）为下道工序施工如装饰、电气、防火涂料等的施工尽早地提供了作业面，确保工序合理穿插；6）可形成流水作业、节约工期，钢结构完成一个滑移单元的施工后，金属屋面及玻璃幕墙即可进行施工，工期明显缩短。2.4.2可行性模拟分析由于该工程桁架为曲线索拱结构，结构刚度较柔，滑移时存在索拱与滑移轨道之间的磨檫力合滑移牵引的动载，这两个荷载均为索拱平面外的荷载。因此，需对结构进行滑移验算，保证在竖向自重荷载和平面外荷载共同作用下结构的安全性。施工前利用ANSYS软件，采用动力分析方法进行滑移施工阶段各种工况的结果承载力、变形验算。滑移时滑靴和轨道之间为钢与钢磨檫（钢表面涂润滑剂），根据已有成功经验，磨檫系数μ取0.2，牵引动力系数取1.2，恒载（自重）分项系数取1.2，活载（牵引产生的水平）分项系数取1.4.另外还考虑滑移轨道安装误差（±10mm）。分别分析滑移2，4，6榀等各个工况下结构的平面外变形和内力变形情况，如图9-图14所示。由以上分析可是，在上述工况下，整体滑移2，4，6榀单元的情况中，结构的内力、变形相差不大，，滑移过程中的可以保证结构安全。2.4.3滑移的受力计算受力计算安装滑移6榀桁架计算。1)支座反力。单榀桁架重量为：G1=1100KN。一个滑移单元，6榀桁架重量：G2=6×1100=6600KN，滑移总重量按G=7000KN计算，5条轨道共设支点35个，则每个支点受力为7000/35=200KN.2)推进力。当滑移推进一个单元（6榀桁架）时推进力∑F=∑Nμ=7000×0.2=1400KN；其中，μ为滑靴与轨道间滑移磨檫系数，取0.15～0.20（此值参考类似工程实测值和试验值）。共计5条轨道，每条轨道需推进力维280KN。3）爬行器的选取。由上述推进力的计算，当滑移推进一个单元（6榀桁架）时支座反力最大，每一条轨道所需的推进力为280KN。选用TJ-100型爬行器，每个爬行器推进力最大为1000KN，可以满足要求。2.4.4滑移措施1）滑移轨道的选择。根据现场实际情况，需要在混凝土梁之间设置临时滑移钢梁，在滑移钢梁上铺设QU60㎏轨道。2）滑移钢梁的选择。根据滑移施工的需要，需要3/0A轴、○A轴、○E轴、○G轴、○J轴设置通长时滑移梁，最大的一跨桁架单质量为110t，加上屋面檩条、拉索等构件，作用在轨道上的竖向力最大为200KN,滑移梁拟采用焊接H型钢，规格为600mm×400mm×20mm×30mm，钢材为Q345-B，为K形坡口焊。限于篇幅关系滑移钢梁的计算不做详细叙述。3）滑移滑靴的设计。根据滑移需要，在推力点需要增加临时滑靴。滑靴与底部铸钢件焊接，爬行器直接顶推滑靴，从而推到构件整体滑移。4）稳定性加固。由于该工程斜柱与桁架之间为销轴连接，即铰接点。每个连接点之间存在2mm间隙，而桁架在滑移过程中需要联动，因此需要将铰接点表位固接点。选用12号槽钢在柱跟部紧系临时加固，使柱连成一体，滑移到位后在拆除。2.4.5滑移设备该工程滑移所用设备主要为泵源（3台）、电脑控制柜（1台）、爬行器（5套）、传感器（5套）、笔记本电脑（1台）、油管（300m）.2.4.6滑移前检查准备工作在桁架滑移前，除所有的拼装及观测工作完成后，还进行如下检查准备工作1)连接泵站与爬行器间的油管连接是否牢靠；2)动力线、控制线及传感器等的连接是否无误；3)在泵站不启动的情况下，手动操作控制柜中相应按钮，检查电磁阀和截止阀的动作是否正常，截止阀编号和牵引器编号是否对应；4)系统送电，校核液压泵主轴转动方向；5)检查爬行器伸缩牵引油缸的有关连接是否正确，检查截止阀能否截止对应的油缸；检查比例阀在电流变化时能否加快或减慢对应油缸的伸缩度。6)柱头与柱头间滑移梁焊接牢靠，滑移轨道与滑移钢梁间垫实，压板压紧。7)检查轨道打磨光滑程度及黄油的涂抹，轨道旁障碍物是否清除。2.4.7滑移过程1）试滑移阶段。初始推进滑移为2榀主桁架。经计算，滑移2榀主桁架，每一爬行器所需升缸压力位1.5MPa，爬行器最初加压为所需压力的20%，40%，60%，80%，90%，在一切都稳定的情况下，可加到100%。在所有滑靴（支座）开始滑移后，暂停。全面检查各设备运行情况，如滑靴的移动量、每一支座的滑移量、滑靴挡板的卡位、爬行器夹紧装置、滑移轨道及桁架受力等变化的情况，在一切正常时继续滑移。2）正是滑移阶段。在试滑移阶段一切正常情况下开始正式推进滑移（图15）.3）积累滑移阶段。按照滑移流程，2榀桁架滑移一个柱距后进行下一榀桁架的高空成型，完成后再滑移一个柱距，依次类推，拼装完6榀后整体滑移。2.4.8滑移同步性控制策略[2].该工程5条轨道同时滑移，滑移的同步性从以下几个方面进行控制。1）桁架滑移计算机同步测控。将3/0A轴及○A轴线处2台液压爬行器并联；作为从令点C；○J轴和○G轴线爬行处两台爬行器并联，作为从令点B；○E轴线处爬行器作为主令点A。在计算机同步控制系统的控制下，从令点B、C以油压及位移来跟踪主令点A，保证每个推进点在滑移过程中始终保持同步。并使桁架在整个滑移过程中保持整体稳定和平衡，控制点布置如图16所示。2）指令的同步性。在滑移过程中，所有启动、暂停、终止等指令通过电脑发出，同步性可以保证。3）滑移速度和加速度。该工程滑移速度约为10m/h，在滑移过程中严格控制泵站的流量、锚具切换等决定速度的关键因素。桁架滑移和停止时的加速度取决于泵站流量及爬行器的压力，在实施中全部采用电脑数字化控制。4）轨道标明尺寸测量控制。滑移过程中，为直观地监测滑移的同步性和滑移状态，以5cm作为最小滑移单位，在滑道上做出标记，并进行编号。滑移过程中，可以通过对滑靴中心的测量监测，随时准确了解滑移状态。5）桁架滑移过程稳定性控制