某改造工程双曲壳体钢结构提升技术研究.pdf

文章编号：１00９４５３９（２0１７）0４0１0９0４·房建工程·收稿日期：２0１７0３0３基金项目：中铁建设集团有限公司２0１６年度科技研究开发课题（ＬＸ１６-0６）作者简介：余滔（１９７8-），男，高级工程师，主要从事工业与民用建筑工程施工技术研究。某改造工程双曲壳体钢结构提升技术研究余滔（中国铁建房地产集团有限公司北京１000３９）摘要：本工程为改造项目，在原有建筑的中庭的八楼加建穹顶封闭。施工中根据现场实际情况，选择了楼面原位拼装、整体液压提升的安装方法。通过该工程阐述了双曲面钢方管单层壳体结构的提升支架及吊点设置、提升过程的同步控制等关键技术、工艺流程以及施工过程中的操作要点。关键词：穹顶钢结构整体提升提升支架同步控制中图分类号：ＴＵ７４文献标识码：ＡＤＯI：１0.３９６９／ｊ.ｉｓｓｎ.１00９-４５３９.２0１７.0４.0２５ＬｉｆｔｉｎｇＴｅｃｈｎｏlｏｇｙＲｅｓｅａｒｃｈｏｆＤｏｕｂlｅＳｈｅllＳｔｅｅlＳｔｒｕｃｔｕｒｅｆｏｒａＲｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＰｒｏｊｅｃｔＹｕＴａｏ（ＣｈｉｎａＲａｉlｗａｙＣｏｎｓｔｒｕｔｉｏｎＲｅａlＥｓｔａｔｅＧｒｏｕpＣｏ.Ｌｔｄ.，Ｂｅｉｊｉｎｇ１000３９，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓｅｓｓａｙｄｉｓｃｕｓｓｅｓａｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎpｒｏｊｅｃｔａｎｄｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｓｅｘｔｅｎｓｉｏｎｏｆｄｏｍｅｃlｏｓｕｒｅｏｎｔｈｅｅｉｇｈｔｈｆlｏｏｒｏｆｅｘｉｓｔｉｎｇｂｕｉlｄｉｎｇ.Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅpｒａｃｔｉｃａlｓｉｔｕａｔｉｏｎ，ｔｈｅｍｅｔｈｏｄｓｏｆｉｎｓｔａllｉｎｇｈａｖｅｂｅｅｎｃｈｏｓｅｎａｓｉｎｓｉｔｕａｓｓｅｍｂlｙｏｆｆlｏｏｒａｎｄｉｎｔｅｇｒａlｈｙｄｒａｕlｉｃlｉｆｔｉｎｇｔｅｃｈｎｏlｏｇｙ.Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏpｒｅｖｉｏｕｓｓｔａｔｅｍｅｎｔ，ｉｔｃｏｎｃlｕｄｅｓｓｏｍｅｋｅｙｔｅｃｈｎｏlｏｇｉｅｓａｂｏｕｔｏpｅｒａｔｉｏｎpｏｉｎｔｓｆｏｒｔｈｅｈｏｉｓｔｉｎｇｂｒａｃｋｅｔｏｆｓｉｎｇlｅ-ｓｈｅllｗｉｔｈｈｙpｅｒｂｏlｏｉｄｓｔｅｅlｓqｕａｒｅpｉpｅ，ｓｕｓpｅｎｓｉｏｎｃｅｎｔｒｅｓｅｔｔｉｎｇａｎｄｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｃｏｎｔｒｏlｏｆｉｎｔｅｇｒａllｉｆｔｉｎｇｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎpｒｏｃｅｓｓ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｄｏｍｅｓｔｅｅlｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｉｎｔｅｇｒａllｉｆｔｉｎｇ；ｈｏｉｓｔｉｎｇｂｒａｃｋｅｔ；ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｃｏｎｔｒｏl１工程概况某改造工程位于深圳市龙岗区，原结构共９层，层高４.５ｍ，檐高４２.９５ｍ，地上建筑面积约５万ｍ２，分为东西两栋主楼，南北为将主楼连接起来的功能房间及走廊，中间为中空的中庭，顶上为轻钢玻璃采光屋面，东西向与室外连通。为满足美观造型及封闭中庭的要求，改造图纸要求在八、九层中庭部位新加建穹顶，采用双曲面钢方管单层壳体结构，总用钢量约７２ｔ，平面为长方形（见图１），跨度２１.１0ｍ，长度３３.４３ｍ，矢高９.２５ｍ，支座处标高为３２.４４ｍ。同时在8层楼板向中庭新增了一圈结构梁，用于支撑穹顶钢结构，在９层楼板向中庭新增了一圈结构板，配合穹顶封闭屋面。２施工方案选择原有建筑中庭的平面尺寸为３６ｍ×２４ｍ，从一层地面起中空直到原有的屋顶采光屋面。改造后的功能要求在中庭四层加建楼板，将中庭分为上下两部分，楼板采用钢梁与原结构柱连接，上面铺设钢筋桁架楼承板并浇筑混凝土楼面；八层楼面加建钢结构采光穹顶封闭，原有采光屋面保留。因业主对项目工期的要求，四层以下需要先行完成结构改造，然后进行装修施工。对于新增穹顶钢结构拟采９０１铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２0１７（0４）万方数据·房建工程·取以下几种施工方案。图１中庭穹顶平面图２.１采用大型吊装设备进行高空吊装让大型吊车进入中庭首层进行吊装或在室外安设塔吊进行高空吊装。由于中庭屋面采光顶保留及四层楼板结构先行施工，使得穹顶钢结构的施工无法利用大型吊装设备从上方或下方进行吊装。２.２原位高空散装在四层楼板上搭设满堂脚手架，再进行散拼安装，经计算增加荷载较大，需对四层新建楼板进行回顶，这样会影响四层下方装修施工，或者调整设计增加四层新建楼板承载力［１］。２.３整体提升在前期施工完成的四层加建楼面上搭设胎架进行穹顶钢结构拼装，然后进行同步液压整体提升到设计高度，再安装下部支撑主梁及支座。经核算，四层楼板能满足胎架和钢结构拼装荷载要求，不需要对四层楼板进行回顶。经各方对比讨论，最终确定采用第３种整体提升的施工方案，且穹顶钢结构提升的只是中圈部分，施工时将穹顶屋盖中心部分钢结构（8层支承圈图２穹顶屋盖中心部分钢结构透视图梁以内部分，见图２）在地面胎架上采用外扩法拼装，支座处的主梁及支撑节点需要在提升就位后进行二次拼装焊接。３施工关键技术３.１钢结构提升点及提升支架的设置３.１.１钢结构提升点的设计钢结构提升点的水平位置要考虑现场可设置提升架的位置、钢结构本身的结构特点、整体变形和提升点的刚度，同时又要避开９层新建楼板等实际情况。确定提升点后，利用ＭＩＤＡＳ计算软件对整个结构提升过程受力进行计算机仿真分析，分析构件在起吊后的刚度是否能满足变形要求，如果不能满足，则需要对吊装———受力点进行加固处理。边界条件为提升吊点Ｚ向固定（模拟提升约束），Ｙ向固定（模拟水平拉索）［２］。经综合考虑，在钢结构上一共设置６个吊点，分３对对称布置，提升点的位置及理论反力见图３。６个吊点中最大的提升反力为９１.１ｋＮ，钢结构外扩水平张力最大为-１１0.２ｋＮ。图３吊点布置平面及反力图（单位：ｋＮ）为控制提升过程中网壳结构的外扩变形，每对提升点采用预应力拉索对拉，按计算出的水平张力提前施加应力，抵消部分提升过程中的外扩变形；为控制水平拉索拉力为５４.６ｋＮ和１１0.２ｋＮ，采用钢丝绳加花篮螺栓的方式实现。提升节点见图４。提升支座竖向反力为６0.４～９１.１ｋＮ，根据计算结果，每个吊点处布置一台额定提升能力为６00ｋＮ的ＴＪＪ-６00型液压提升器就能满足提升要求。结构变形位移及应力比计算结果如下：结构竖向下挠最大为７４.６ｍｍ，位于长跨端部，主要是由于此处未设置提升吊点；Ｘ向位移为-３8.0～３8.0ｍｍ，位０１１铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２0１７（0４）万方数据·房建工程·于长跨端部，主要是由于竖向变形产生的转动效应引起的；Ｙ向位移为-９.４～９.４ｍｍ，满足提升要求；结构最大应力比为0.8１，满足提升要求。图４钢结构上提升节点图３.１.２提升支架的设计根据现场综合情况，提升支架设置在９层１0轴、１２轴交Ｎ、Ｍ、Ｌ的６根混凝土柱处。由于各提升吊点荷载较小，提升支架选用较小截面，侧向承载能力偏弱，为保证提升安全，在一排３组提升支架间设置水平联系杆。提升支架固定在混凝土柱侧面，提升支架钢梁与原结构的混凝土柱的连接通过后置锚栓固定的预埋钢板，钢梁截面选用：Ｂ４00×４00×１２×１２，加劲肋厚１２ｍｍ，斜支撑选用ＨＷ３00×３00×１0×１５，材质为Ｑ３４５Ｂ，见图５。图５提升支架简图提升支架采用结构分析软件ｓａp２000进行计———算，边界条件为提升支架根部三向铰支座（模拟提升支架与原结构连接），提升支架吊点处最大竖向下挠为0.４６ｍｍ，小于Ｌ／２00＝１５ｍｍ，满足提升要求；水平向变形为0.0７ｍｍ，满足提升要求；提升支架最大应力比为0.１0９，满足提升要求；提升支架的埋件经计算也能满足使用要求。３.２液压同步提升施工技术“”液压同步提升技术采用穿芯式结构液压提升器作为提升机具，以柔性钢绞线作为提升承重索具。其两端的楔型锚具具有单向自锁作用，有着安全、可靠、承重件自身重量轻、运输安装方便、中间不必镶接等一系列独特优点［３］。提升器每个提升流程按如下步骤执行：上锚紧，夹紧钢绞线→提升器提升重物→下锚紧、夹紧钢绞线→主油缸微缩、上锚片脱开→上锚缸上升、上锚全松→主油缸缩回原位。一个流程为液压提升器一个行程，当液压提升器周期重复动作时，被提升重物则一步步向上移动。３.２.１同步控制系统液压同步提升施工技术采用行程及位移传感监测和计算机控制，其同步控制系统由动力控制系统、功率驱动系统、计算机控制系统等组成，主要完成集群提升器作业时的动作协调控制和各点之间的同步控制这两个功能。３.２.２模块化液压泵源系统由于吊点的布置和提升器安排都不尽相同，为了提高液压提升设备的通用性和可靠性，液压泵源系统的设计采用了模块化结构。根据提升需求，现场配置６台ＴＪＪ-６00型液压提升器进行穹顶钢结构中心部位提升，每个提升吊点配置１台。根据提升器承载及布置位置，配置２台ＴＪＶ-６0液压泵站，两边主楼各布置１台，每台泵站驱动３台液压提升器［４］。为做好同步控制工作，本工程配置了６套拉绳传感器、６套拉力传感器，协同控制。在泵站配置时，依据同型号泵站（输出油量相同）驱动数量相同的提升器，且每台主泵所驱动的提升器负载相同，则每台提升器升缸速度基本同步。按此依据配置设备后，只有长时间运转才会产生少量的累积偏１１１铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２0１７（0４）万方数据·房建工程·差，按经验，一般连续提升６ｍ左右可能会出现３～５ｃｍ的偏差。在每一个提升行程内，通过观察拉绳传感器显示数量确保每台提升器升缸到顶；在每个提升阶段内，通过压力传感器显示的压力来确认是否可以持续提升，一般控制压力偏移范围为２0％；在每一个阶段的提升完成后，停止提升，利用仪器测量标高或者找参照点比对，以确定偏差情况，然后评估是否需调整结构姿态，以指导后续提升。４施工操作要点４.１工艺流程中心部分在胎架上原位拼装→提升设备及预应力拉索安装→提升设备调试、试提升→中心部分整体提升→下部支撑杆件安装→卸载４.２中心部分在胎架上拼装要点做好材料进场检查工作，主梁为弧形方管，除了弧度检查，还要注意侧向的平整度，有条件的要进行预拼装。拼装胎模前要用放线定位，尽量保证拼装时钢构件位置准确。４.３提升设备安装及其它准备工作要点将提升器吊装至提升支架上，安装时需通过测量仪器对提升器水平位置精确定位，需确保提升器中心对应于提升下吊点中心完成位置，水平误差不得大于３0ｍｍ。就位后，焊接卡板，将提升器固定在提升支架上。之后即可吊装导向架，并焊接牢固。在Ｎ、Ｍ、Ｌ轴方钢管主梁三对吊点上安装吊点钢绞线。同时每对吊点之间安装钢丝绳和花篮螺栓，控制提升时的变形，通过应力计和花篮螺栓来调整并确定预加的拉力达到要求值。钢绞线的安装应确保顺直，避免钢结构提升行程中出现交叉、扭转和钢绞线缠绕的现象，确保提升安全［５］。４.４提升设备调试、试提升要点待所有承载结构达到承载条件，液压油管连接完成后逐点调试提升器，使用手持器于液压泵站边操作。逐点调试完所有提升器后，连接操作柜和电脑，开始整体调试。完成上述调试工作后，填写提升系统调试记录，等待下一步操作指令。穹顶钢结构在正式提升之前进行试提升，提升高度约３00ｍｍ。试提升时，提升系统的加载要严格按照规范及相关技术标准的要求，有步骤地分级加载，直至钢结构提升区域全部脱离支撑架体。先切除钢构与胎架固定部分，在确认一切正常情况后，开始逐步加载进行试提升工作。分级加载按３0％、６0％、９0％、１00％逐步进行。在分级加载过程中，需实时做好监控工作，需通过应力应变监控系统对提升结构和提升支架受力、变形情况进行实时观测。第一次加载３0％，持荷３ｈ，第二次加载至６0％，持荷６ｈ，第三次加载至９0％，持荷１.５ｈ，加载至１00％，此时钢屋盖中心部分开始离地，脱离胎架同步提升３00ｍｍ左右停止，然后静置１２ｈ稳定。同步提升采用自动控制，在每次加载后，均观察提升支承架受压后的侧向位移和局部承压情况，钢屋盖中心部分的变形、提升平台的变形、各吊点锚固情况以及千斤顶、钢绞线、锚夹具、自动控制系统等工作情况。４.５穹顶中心部分提升过程要点———第一次就位提升３ｍ。整个穹顶钢屋盖中心部分提升３ｍ时，在各提升点组织人员进行检测，根据监测数据操作，测出并确定平均值。由于选定的各控制点标高相同，当个别达到就位高度，就将个别泵组关机，直到整个系统不能操作时，采用单台手动调整，监测系统应力。———第二次就位提升到距离预定标高１ｍ。整个钢结构达到距离设计标高１ｍ时，停止提升，并测出梁端控制点的标高值，与设计标高差值，基本调整好后，保持结构稳定状态，将千斤顶上下锚、天锚、安全锚锁住准备最后一次提升工作。４.６穹顶中心部分提升就位，主梁端部安装穹顶中心部位提升至设计标高后，测出选定梁端点的标高值，与设计标高差值，基本调整好后，将千斤顶上下锚、天锚、安全锚锁住，设专人值班监护，转入下道工序。经测量各控制点全部达到设计图６穹顶钢结构安装完成透视图要求后，立即进行主梁支撑段及主梁端部支座的安装，安装后的效果见图６。（下转第１２３页）２１１铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２0１７（0４）万方数据·装备与制造·误差积累，节约了时间，加快了顶进速度，同时也避免了装卸顶铁时的安全风险；较好地控制顶进方向，可实现较大深度的顶管；铰接式后靠背受力简单、工作可靠、安装方便、适用范围广，不失为一种较好的解决方案；综合顶进速度１～２ｍ／ｈ，是小导坑救援法的３～６倍，能更大程度满足７２ｈ黄金救援时间要求。参考文献［１］郭小红，王梦恕.隧道支护结构中锚杆的功效分析［Ｊ］.岩土力学，２00７，２8（１0）：２２３４-２２３９.［２］中国冶金建设协会.ＧＢ５008６-２0１５岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范［Ｓ］.北京：中国计划出版社，２0１５.［３］张发明，陈祖煜，刘宁.岩体与锚固体间粘结强度的确定［Ｊ］.岩土力学，２00１，２２（４）：４７0-４７３.［４］中华人民共和国水利部.ＧＢ５0２１8-９４工程岩体分级标准［Ｓ］.北京：中国计划出版社，１９９４.［５］中华人民共和国建设部.ＧＢ５00７-２00２建筑地基基础设计规范［Ｓ］.北京：中国建筑工业出版社，２00２：４７.［６］王峰，高维权，李全，等.φ１0２0ｍｍ敞口式钢管夯击顶进救援试验研究［Ｊ］.铁道建筑技术，２0１４（Ｓ１）：１8５-１8９.［７］付希燕.—安全快速科学救援记中国铁建十七局应急救援队隧道顶管救援演练［Ｊ］.现代职业安全，２0１４（１２）：檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪１8-２１.（上接第１１２页）４.７卸载在穹顶梁支座安装完毕、次骨架安装就位，并经验收符合设计要求后，卸载下放提升结构。按３0％、６0％、９0％、１00％，分四次下降，前三次每次延时１５ｍｉｎ；第四次延时４５ｍｉｎ。穹顶屋盖钢结构荷载全部由钢梁支座支撑后，进行安装定位检验工作。全部测试无误并确定钢绞线全部卸载后，将安全锚锁紧、千斤顶全部缩缸到底、上下锚和导向锚均处于松开状态，以便于拆除千斤顶。４.８其它施工注意事项（１）穹顶中心部分提升前各项质量保证资料要齐全、合格、有效，包括钢结构本体以及提升措施中使用的提升平台、千斤顶、钢绞线、液压泵站等。对每道工序都按照方案要求进行质量验收，做好施工原始记录，保证每一道工序质量合格。在一切就绪的条件下，再进行试提升。（２）提升前配备足够的备用材料、设备及维修人员，出现问题时及时更换。（３）风力要求：提前查看天气预报，如一周内天气风力不大于５级，可进行提升。提升过程中如果遇到６级以上风力，则提前停止提升，采用缆风绳固定在周边中庭结构柱上。（４）提升前做好提升架前端标高测量和标记，为在提升过程中观测提升支承架的沉降和倾斜做好基础准备，沉降值按１５ｍｍ控制，倾斜值按型钢高度的１／１80控制。（５）穹顶结构提升到顶时，需立即在8、９层新增梁板处搭设临时悬挑操作架配合后续工作。５结束语穹顶双曲壳体钢结构屋盖施工是本改造工程的一个重要节点，也是本工程的难点、亮点，由于受现场各种条件限制，现场施工时间也非常紧张，施工中选择了中间楼面原位拼装，整体提升的安装方法。这种双曲钢方管单层网壳结构采用整体提升的施工方法在国内还不多见，本工程通过施工前对各提升点及提升构件的受力变形进行认真分析，以及在施工过程中对提升点的安全监控、对提升与卸载过程中有可能产生的变形控制，保证了整体施工的顺利进行。参考文献［１］刘杰.分块安装不规则曲线网壳结构施工技术［Ｊ］.铁道建筑技术，２0１６（９）：１１３-１１５.［２］于春双.钢栈桥检算及其Ｍｉｄａｓ模型分析讨论［Ｊ］.铁道建筑技术，２0１６（Ｓ１）：１0７-１0９.［３］刘成.网架同步液压提升技术［Ｊ］.科学之友，２0１0（７）：２１-２２.［４］梁桂芬.佛山岭南明珠体育馆穹顶钢结构屋盖整体提升施工技术［Ｊ］.广州建筑，２00７（１）：３２-３６.［５］陆海翠.大跨度穹顶钢结构提升施工技术［Ｊ］.建筑施工，２0１４（５）：５４６-５４７.３２１铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２0１７（0４）万方数据