西安咸陽國際機場T5航站樓鋼屋蓋旋轉提升施工技術

馬潔烽,邢遵勝,吳楚橋,徐常森,王相閣

(浙江精工鋼結構集團有限公司,浙江 紹興 312030)

0 引言

近年來,隨著城市化進程的大力推進,國內興建了大量機場、高鐵站等交通樞紐工程。此類工程作為地標工程往往具有新穎的建筑造型和異形曲面輪廓,結構設計凸顯“大、新、奇”的同時,也為建筑施工帶來不少難題。在常規施工方案比選時,提升方案因其高空作業少、施工效率高、施工成本低等優勢廣泛應用于各類大型鋼結構施工中。而隨著施工技術的不斷發展,又逐步衍生出累積提升、旋轉提升等眾多新型提升方式。項目實施須以項目自身結構形式為基礎,結合現場實際施工條件,配合技術創新,選取最合適的施工方案。

本文以咸陽國際機場項目為載體,對鋼屋蓋方案選擇及施工過程中的關鍵技術進行研究與闡述,為后續類似項目的實施提供借鑒。

1 工程概況

西安咸陽國際機場三期擴建工程T5東航站樓項目建筑面積約70萬m2,是西北地區最大的門戶機場(見圖1),也是陜西省重點工程、全國民航“標桿示范工程”。

圖1 建筑整體效果Fig.1 Overall effect of the building

項目主樓鋼屋蓋采用異形雙曲焊接球網架結構,屋蓋平面尺寸為522m×286m,投影面積達14.9萬m2,結構南北對稱,分高、中、低3個區域(見圖2),其中高區最大高度達46m(見圖3)。屋蓋下部支撐結構為跨中4排共56根Y形樹杈柱和空、陸兩側2排共56根幕墻柱。

圖2 鋼屋蓋軸測圖Fig.2 Axonometric drawing of steel roof

圖3 鋼屋蓋結構剖面Fig.3 Structure profile of steel roof

2 施工重難點及方案選擇

2.1 施工重難點

2.1.1屋蓋結構造型獨特

屋蓋建筑設計遵循“長安盛殿、絲路新港”理念,飛檐反宇,錯落有致,高、中、低區頂部高度依次為46.0,40.7,35.0m。屋蓋結構中部共設置3道采光天窗,一高兩低,采用拱形箱梁結構(見圖4)。天窗構件質量較大,在下部Y形支撐柱間設置6道桁架作為天窗主要支撐,其中高區4道、低區2道(見圖5)。獨特的結構造型給現場施工帶來以下影響。

圖4 天窗軸測圖Fig.4 Axonometric drawing of the skylight

圖5 天窗結構平面Fig.5 The structure plan of the skylight

1)Y形柱支撐體系與結構屋蓋間存在大面積干涉區域,給結構屋蓋提升方案的實施帶來很大干擾。

2)高、中、低區屋蓋劃分及宮殿式曲面造型導致屋蓋存在巨大高差,給網架結構拼裝作業帶來難題。

2.1.2拼裝場地限制

屋蓋鋼網架下部為土建樓層,此區域作為屋蓋網架拼裝的主要場地。鑒于機場內部功能分區要求,此區域包括0.300,7.300,14.300,20.500m 4個土建標高樓層(見圖6),且局部區域還存在大量洞口、連橋及房中房結構。錯綜復雜的樓層布置導致屋蓋網架無法在同一平面進行大分塊拼裝作業,給結構提升方案的細化帶來了難題。

圖6 結構下部樓層示意Fig.6 Lower floors of the structure

2.1.3現場施工條件復雜

項目東側懸挑區網架下部結構錯綜復雜,樓面呈尺牙狀分布。懸挑區網架與站前高架橋、GTC等區域存在平面和立面的雙層次交疊關系,此區域網架施工時將面臨多專業同時施工而相互干擾的問題。

2.1.4項目體量大、工期緊

項目鋼結構體量大,整體投影面積約14.9萬m2。大廳屋蓋鋼網架包含5.9萬根圓管桿件和1.5萬個焊接球,此外施工現場還存在大量施工措施。而項目計劃工期為3個多月,在限定時間內完成屋蓋網架拼裝及提升作業,對項目的方案策劃及組織協調都是極大考驗。

2.2 施工方案選擇

面對項目實施存在的結構異形、施工條件復雜及工期緊等眾多難題,確定合理、高效的施工方案是項目實施的關鍵。常規提升一般采用原位拼裝+整體提升的施工思路,由于項目結構屋蓋高差大,若采用此思路施工則需大量拼裝胎架,同時大量高空作業也會對結構質量控制及人員安全保障產生巨大影響。為此,局部高差較大網架分塊選擇低位拼裝+旋轉提升的施工思路(見圖7)。

圖7 旋轉提升流程示意(單位：m)Fig.7 Rotating lifting process(unit：m)

為應對項目實施存在的各類重難點問題,按以下思路進行屋蓋鋼網架結構的分塊劃分及方案選取。

1)首先根據下部土建樓層情況將屋蓋分為東、西兩側。西側下部為多標高土建樓層,此部分屋蓋分區劃分以土建樓層標高為主、結構分界為輔,分為南、北施工1,3區,主要采用累積提升工藝以克服高低不平樓層帶來的影響。

2)東側下部主要為標高14.300m大平層,屋蓋分區劃分主要以結構分界為主。首先將局部房中房區域甩項后施工,為結構拼裝帶來極大便利;將天窗區域劃分為施工5區,采用整體提升方式進行施工;將中、高區屋蓋劃分為施工4區,此部分屋蓋高差大,主要采用旋轉提升方式進行施工;將低區分為南、北施工2區,此部分區域屋蓋結構高差較小,采用整體提升方式進行施工;結構東側區域劃分為施工6區,其中非懸挑區域網架采用拼裝平臺+整體提升方式進行施工,懸挑區域網架與下部高架橋施工區域相互干擾,為合理規劃施工組織、保證項目整體工期,將此部分甩項,待高架橋施工完成后采用汽車式起重機在高架橋面進行分塊吊裝(見圖8)。

圖8 施工分區Fig.8 Construction division

3)項目整體規劃南北同步施工,前期將3,5區作為上料通道及臨時堆場,同步施工南、北施工1,2區,隨后依次施工4,5,3區,最后在高架橋區域施工完畢后進行6區鋼屋蓋施工。

3 施工關鍵技術

3.1 異速等比同步旋轉提升施工技術

3.1.1旋轉提升基本情況

屋蓋結構網架分塊高差最大達14.3m,為解決拼裝胎架過高導致的措施費高、拼裝效率低、安全性差等問題,部分網架分塊采用旋轉提升方式進行施工。方案工藝步驟如下：首先將網架旋轉至近似水平后放至樓面進行拼裝,降低整體拼裝高度,然后通過同步液壓提升系統將網架由拼裝狀態旋轉至設計狀態,最后再整體提升至設計位置。

項目旋轉提升主要應用于4個分區(見圖9),分別為3-3,4-1,4-2,4-3區,其中4-1,4-2區高差均為9m,3-3區高差為11.6m,4-3區高差為14.3m。

圖9 旋轉提升分區Fig.9 Rotating lifting division

3.1.2旋轉軸及旋轉角度確定

旋轉提升首要步驟為確定理論最優的拼裝胎架臥拼姿態,而常規網架拼裝為下弦球支撐,因此,最優拼裝姿態為下弦球距地面之和最小姿態。據此原理定義一平面E,使下弦球點至該平面的距離和最短,該平面E在空間中的表達式為：

z=Ax+By+C

(1)

(2)

計算方程式(3),可得平面E的參數A,B及C,從而可確定平面E。

(3)

旋轉軸與結構設計狀態的下弦擬合平面和水平面的交線平行,平面E與水平面交線表達式如下：

(4)

為確保旋轉過程中整體結構穩定性,旋轉結構旋轉軸宜設置在重心位置,代入拼裝姿態下的結構重心坐標(xg,yg,zg),可得旋轉軸表達式如下：

(5)

旋轉角度α為平面E與水平面的夾角,如式(6)所示：

(6)

3.1.3計算分析結果及措施優化

根據上述計算假定進行項目分塊旋轉角度計算,相比于原位拼裝+整體提升工藝,旋轉提升施工工藝所用拼裝支撐單管(φ180×4)用量可大幅度減少,經濟性及安全性優異。本項目旋轉提升與常規方案拼裝措施對比如表1所示。

表1 旋轉提升與常規提升拼裝措施對比Table 1 Comparison of rotating lifting and conventional lifting assembly measures

3.2 大面積異形網架屋蓋提升措施

項目屋蓋結構采用多分區、多工藝組合提升施工方案,措施設計需考慮多方面影響,力求既經濟又能保證結構安全可靠,既簡單又能適用于現場復雜條件。方案針對性地設計了多種提升架類型以適配項目實際現場施工,以期達到措施量少、安拆方便、適用性強、較少補桿等目的。

1)空腹式三肢提升架(見圖10) 空腹式三肢提升架主要適用于單吊點提升。結構主要由提升梁、頂部穩定平臺、立桿及底部轉換平臺構成。措施設計時3根立桿分別從網格空隙中穿過,并與周邊桿件保留≥300mm安全距離;頂部穩定平臺主要用于支承頂部提升梁及保證立桿側向穩定;底部轉換平臺則將提升荷載轉換傳遞至下部土建梁,避免土建樓板直接受力而破壞,同時也能增加立桿底部約束強度,減小立桿計算長度系數。此類型提升架主要優勢為無高空補桿,對結構剛度削弱小,施工換桿量少,安拆便利。

圖10 空腹式三肢提升架Fig.10 Fasting three-limb lifting frame

2)組合式格構提升架(見圖11) 組合式格構提升架主要適用于雙吊點提升區域,主要為原有結構Y形柱的網架區域。結構主要由提升梁、頂部非標準節、格構標準節及底部轉換平臺構成。此區域網架與結構支撐Y形柱相互干擾,部分網格拼裝時需抽空,為保證提升架平衡受力,抽空后網架結構宜采用雙吊點。格構標準節采用統一空腹格構架體,頂部非標準節根據網架實際標高調整。同時,在格構架內側設置部分撐桿與原有Y形柱連接,將提升架與原有結構Y形柱形成整體,協同受力,大大增強了提升架側向剛度,提高了格構架體的整體穩定性。此類型提升架主要優勢為結構措施量小,穩定性好,抗側力強,格構標準節可重復利用。

圖11 組合式格構提升架Fig.11 Combination lattice lifting frame

3)懸挑式提升架(見圖12) 懸挑式提升架主要適用于提升結構周邊網架已完成安裝或拼裝且可承受提升反力的區域。結構主要由提升梁、立桿、背拉桿、穩定桿及支撐桿構成。在原結構上設置立桿及提升梁,下部設置支撐桿,提升梁末端設置背拉桿抵抗傾覆彎矩。此類型提升架主要優勢為結構措施量小、便于安拆。

圖12 懸挑式提升架Fig.12 Cantilevered lifting frame

4)土建結構臨時提升架(見圖13) 土建結構臨時提升架主要用于不同標高樓層間網架的累積提升。結構主要由提升梁、立桿、背拉桿及穩定桿構成。其受力形式與利用網架結構設置懸挑式提升架基本一致,適用于周邊網架無法及時拼裝或網架承載力不足區域。相比于獨立提升架,此類提升架措施量少,結構形式簡單,傳力路徑清晰,限制條件為須以既有土建結構為支撐。

圖13 土建結構臨時提升架Fig.13 Temporary lifting frame of civil structure

5)結構柱頂提升架(見圖14) 結構柱頂提升架主要適用于原結構支撐柱設置提升點的區域,項目主要為東、西側幕墻柱區域。結構主要由支撐牛腿、立桿、頂部穩定平臺及提升梁構成。立桿設置避開網架桿件,避免后續補桿產生干擾,下部通過懸挑牛腿傳力至結構柱。提升點位設置應盡量減小偏心荷載,避免原結構柱因提升偏心荷載過大而產生承載力或剛度不足的問題。此類提升架以原結構柱為支撐,既減少了提升措施量、降低了成本,又保證被提升結構受力與原設計狀態基本一致,將施工對原結構的影響降至最低。在受力滿足要求的情況下,此方案為提升架設計最優選擇方案。

圖14 結構柱頂提升架Fig.14 Lifting frame of structure column top

各類提升架優缺點對比如表2所示。

表2 各類提升架優缺點對比Table 2 Comparison of the advantages and disadvantages of various lifting frames

項目提升梁措施設計拋棄了傳統提升梁(見圖15)做法,創新采用雙拼H型鋼組合的裝配式提升梁結構(見圖16)。

圖15 傳統箱形提升梁構造Fig.15 Traditional box lifting beam structure

圖16 裝配式提升梁構造Fig.16 Prefabricated lifting beam structure

傳統提升梁一般采用箱形截面,在提升點位處開設穿索孔,并在對應位置設置加勁板,上部設置提升器。主要在工廠進行加工制作,由于構件開孔且內設勁板,工藝復雜,加工繁瑣且周期長。項目措施設計創新提出雙拼H型提升梁,該提升梁由2根相同型號的H型鋼組成,中間保留穿索間隙,避免了鋼板開孔,同時由于H型鋼梁為開口截面,加設勁板簡單。為保證雙梁具有良好的協同受力性能,在H型鋼上、下翼緣處貼焊連接板。

為驗證裝配式提升梁受力性能,將其與傳統提升梁進行有限元計算分析(見圖17),計算結果如表3所示。

表3 裝配式提升梁與傳統提升梁對比分析Table 3 Comparative analysis of prefabricated lifting beam and traditional lifting beam

圖17 有限元計算結果Fig.17 Finite element calculation results

相比于傳統提升梁結構,裝配式提升梁具有以下優勢：①受力性能優秀;②構件加工簡單,H型鋼采用熱軋型鋼,無須工廠制作;③構件提升梁可循環在后續工程中使用,通用性強;④拆卸組裝方便,對于工期緊的項目,提升梁可直接在現場組裝完成,施工便捷性好;⑤裝配式提升梁可顯著減小措施用鋼量。以本項目提升梁為例,裝配式提升梁較傳統提升梁用鋼量節約12.3%。

3.3 旋轉提升分區檁托及馬道安裝定位技術

為縮短施工工期及方便現場施工,檁托、馬道將與網架結構同步提升。結構設計時馬道支托及屋脊處檁托均按垂直于大地設置。構件相關區域若采用設計狀態拼裝,則可通過水平尺直接定位,確保構件安裝精度。旋轉提升區域網架由于拼裝姿態相較于設計姿態角度有所調整,原支托頂板與水平面存在夾角,角度為旋轉角度,導致此部分構件測量與定位較為困難。

為解決此難題,方案提出了一種新型檁托馬道定位裝置,該裝置可快速驗證構件是否安裝精準,方便現場施工。裝置主要由2塊七字板、頂板及兩側封板構成(見圖18),其中七字板根據旋轉角度進行切割加工。在構件吊裝臨時就位后,采用裝置卡板校核,頂板上部設置水平尺,卡口與檁托或馬道橫梁頂緊,微調構件角度使水平尺水泡居中,此時即可判定構件安裝到位,完成構件安裝;若未達到要求,即說明構件定位有偏差,需調整直至達到要求位置(見圖19)。

圖18 定位裝置結構Fig.18 Positioning device structure

圖19 定位裝置工作示意Fig.19 Working for positioning device

3.4 全過程施工模擬計算分析

結構設計采用一次成型狀況進行計算分析,但在實際現場安裝過程中,結構剛度和支撐點位置不斷變化,結構在安裝過程中的受力狀況與原設計一次成型狀態有較大差別,因此需復核結構在實際施工過程中的受力情況。方案采用MIDAS Gen軟件進行施工模擬分析,通過理論分析對項目實施進行指導。

1)預起拱 根據施工模擬計算結果指導網架預起拱作業。項目采用深化預起拱+施工預起拱結合的方式進行起拱。深化預起拱即在深化階段采取預起拱措施,提取結構各節點在恒荷載狀態(1.0D)下z向位移值,將其反向疊加在原結構空間z向坐標從而得到起拱后模型,將新模型作為深化設計依據。施工預起拱即在現場拼裝過程中,局部角點根據施工模擬結果反向起拱。

2)施工階段桿件受力分析 項目計算基于全過程施工模擬分析,即施工階段和使用階段分析。施工過程是一個動態過程,結構多步成型,成型后結構桿件內力是施工步累加成型的內力和,與原設計一次成型桿件內力有差距,不可避免地會導致部分桿件內力增大或減小,通過計算結果得出施工完成桿件應力比,整個施工過程中的每個步驟受力均需滿足安全要求。

以施工完成應力比為基礎,提取結構設計模型在自重荷載下一次成型應力比,兩者差值即為附加應力比(見圖20),即結構桿件因施工原因額外附加應力比。此部分應力比疊加至原設計桿件應力比,即使用階段實際應力比,可驗算結構在使用階段中的受力情況。

圖20 結構附加應力比Fig.20 Additional stress ratio of the structure

在整個分析過程中,有2類構件需重點關注：①第1類為結構計算附加應力比與結構設計狀態應力比之和>1的構件,此類構件使用階段受力超標,不滿足安全要求,采用桿件替換的方式加強;②第2類為結構計算附加應力比與結構設計狀態最大應力比之和<1,但施工過程中局部構件因拉壓變化導致穩定應力比超限構件,可在施工過程中采用臨時加固方式進行加強。項目主要采取角鋼外貼方式補強(見圖21)。

圖21 桿件加固示意Fig.21 Bar reinforcement

3.5 施工健康監測

在桿件應力敏感的上弦桿、斜腹桿及下弦桿每個截面布置1個振弦式應變傳感器。為保證所測數據全面性,在屋蓋關鍵桿件部位共設置20組監測設備,每組3個,共計60個應變傳感器(見圖22)。選取其中典型測點,監測數據如圖23,24所示。

圖22 監測點位布置Fig.22 Layout of monitoring points

圖23 /軸處監測數據Fig.23 Monitoring data at axis /

圖24 /監測數據Fig.24 Monitoring data at axis /

提取監測點位在施工過程中的監測數據,將其與理論計算數值進行對比(見表4)。由表4可知,監測桿件在實際施工過程中桿件應力與理論計算數據偏差(見圖25)均控制在10MPa以內,最大值為9.7MPa。這說明實際施工方案與理論方案吻合,同時也反向驗證了施工方案可行性。

表4 典型監測點位應力理論計算及實測數據Table 4 Stress theoretical calculation and measured data of typical monitoring points N·mm-2

圖25 監測點數據對比Fig.25 Data comparison of monitoring points

4 結語

本文對西安咸陽國際機場鋼屋蓋安裝方法及施工關鍵技術進行介紹,其中旋轉提升技術、新型提升措施設計技術及傾斜馬道定位技術等在項目實施過程中起到了良好作用,降低了施工成本,提高了施工效率。