双向不等高正交钢管桁架分块整体提升

双向不等高正交钢管桁架分块整体提升

摘要：近几年我国高速铁路建设迅猛发展，一大批具有地域特色和创新理念的铁路站房脱颖而出；铁路站房屋面设计多以大跨度钢结构为主。由我公司承建的厦门西站房屋面采用巨型空间桁架支撑网架结构体系，其中主站房屋面网架部分的下弦，两个方向不在同一标高平面上，这种不等高桁架结构形式在国内首次采用，通过对桁架自身的受力进行研究论证，先后淘汰了高空原位拼装、400T履带吊跨外吊装等方案，最终决定采用计算机液压分块整体提升施工技术。经科学组织、精心施工，成功的完成了本工程的施工任务，在施工过程中，总结了许多施工经验并形成本工法。

1引言

本论文充分考虑双向不等高桁架的受力不均衡性，采用Midas软件进行分析，对整个屋面进行合理分块，按分块单元采取整体提升就位的施工工艺，方案合理科学；

提升吊点设置在屋盖两侧的主桁架上，其中主桁架二自身为超长轻薄大跨度钢管桁架（跨度132m，高度23.8m，宽度仅1m）,故施工中既要考虑屋盖自身分块单元的稳定性又要充分考虑提升过程对两侧主桁架的受力影响，合理确定分块单元的提升顺序，将屋盖安装对主桁架二的变形控制在其设计允许的范围内；

采用较传统的原位拼装及跨外吊装，减少了大量的脚手架支撑及大型机械投入量，降低了材料及设备的投入成本；

屋面钢结构吊装、组对、焊接、防腐及测量校正等大量工作均可在组拼胎架上完成，减少了大量的高空作业，有效的提高了屋面钢结构施工的整体质量及工期要求；

采用整体提升可避免不等高桁架局部杆件由于受力不均而造成破坏的现象。

2工艺原理

2.1由屋面不等高桁架的榀数，采用计算机模拟技术对空间刚度单元进行受力分析，并最终确定提升分块单元的划分及合理的吊装次序；

2.2在已吊装就位的主桁架上设置吊装设备，做为屋面体系的提升吊点，安装过程中采用支护格构架与主桁架下弦主管加固连接，增加桁架本身的受力支点，确保安装过程中主桁架的侧向稳定；

2.4采用计算机液压整体提升技术完成每一个分块单元的同步提升，最终形成完整的屋盖体系。

3施工工艺流程及操作要点

以厦门西站房钢结构屋面为例。

3.1 厦门西站钢屋盖特点

厦门西站钢结构屋盖采用巨型空间桁架支撑网架结构体系，充分体现了闽南民居“燕尾脊”的意念，其中站房高架候车室上部钢结构屋面采用双向不等高正交钢管桁架，屋面设计曲线造型高低处落差达16m，南北向跨度为44m及55m，东西向跨度为132m，如图3.1-1~图3.1-3所示。

图5.1-1高架候车室上部钢结构屋面平面布置图

图3.1-2 局部模型示意图

3.2施工工艺流程

图3.2施工工艺流程图

3.3操作要点

3.3.1施工准备

考虑运输问题，在加工厂将所有屋面桁架按竖腹杆（SFG）进行分类做成小段运至施工现场，因种类繁多，为避免二次倒运，杆件进场一定要根据每一榀桁架所需要的杆件配套进场，确保桁架拼装顺利。

杆件出厂合格证及各种标记是否齐全，尤其是多面相贯的节点部位在出厂时要在管口用洋冲做好管口的上下左右标记，能够大大提高现场拼装人员的效率；

各杆件的几何尺寸如长度、圆管的管壁厚度及直径，平直度等；

核对相贯口剖口尺寸及角度是否正确。

3.3.2小拼单元拼装

桁架自身跨度较大（44m及55m），为便于运输及吊装，将每榀桁架分成三个单元在胎架上部进行卧拼，小拼时将三个单元同时放样、同时拼装，分段点部位采用临时点焊固定，拼装流程为：

测量定位→胎架制作→竖腹杆定位→上下弦杆及斜腹杆拼装→焊接→脱胎→对胎架进行复核校正→下一榀桁架的拼装

1 测量定位：次桁架单元为弧形，拼装前应根据桁架的尺寸，在拼装平台上放出管桁架主管的外形线及接头处各支管位置的投影线；

2 胎架的制作：胎架要能够承担桁架自重、拼装桁架荷载及其它施工荷载，要有足够的强度、刚度和稳定性；胎架高度应便于全位置焊接，本工程高度设置为800mm。先将钢管桁架主管吊上胎架，以平台所划出外形线及投影线为基准安放到位，进行弦杆及支管的对接和焊接，每榀胎架设置的同时还要考虑到脱胎及运输的方便可行；

3 拼装：利用汽车吊将每一榀竖腹杆吊装至胎架上，并控制好接口位置，用调节钢板及限位板调节其标高和平面位置后进行点焊固定，然后用同样的办法将上下弦杆吊装至胎架上进行测量定位，最后连接斜腹杆。全部点焊固定后，重新进行复测，满足精度要求后再进行焊接，如图5.3.2-1所示。

斜腹杆安装前要注意上下弦杆隐蔽焊缝要先进行焊接，由于桁架拼装段长度较长，考虑到焊接收缩对桁架长度的影响，因此每一段的长度应控制在比设计长度长3-5mm；

图3.3.2-1 小拼单元拼装

4 焊接：焊接前根据本工程的施工特点进行焊接工艺评定，并编制详细的作业指导书。拼装单元的焊接由中间向两边对称焊接，焊接顺序如图5.3.2-2所示，禁止同一根杆件两端同时焊接；

图3.3.2-2焊接顺序图

5 脱胎：焊接完成经验收合格后即可将每一片桁架单元进行脱模装车运至现场进行中拼单元的组对，吊离胎架前应对每一个拼装单元对接口部位使用角钢进行临时加固，防止由于运输碰撞及应力收缩造成杆件变形。桁架脱离胎架后要重新进行测量复核校正，方可进行下一榀桁架的组装。

3.3.3提升分块单元拼装

使用Midas软件进行模拟分析并综合考虑各分块单元在提升过程中对已安装就位主桁架的影响，达到安全、科学的提升目的，如图3.3.3-1、图3.3.3-2所示，将屋面一（二）、屋面三（四）各分为5个提升分块单元。

图3.3.3-1 屋面一（二）提升分块单元

图3.3.3-2 屋面三（四）提升分块单元

1 每一个提升分块单元按由中间向两侧对称拼装，如图3.3.3-3所示：

图3.3.3-3 提升分块单元拼装顺序图

2 由于桁架两端最大高差达到16米，在顶板上部不便搭设胎架，且高差较大胎架稳定性很难保证。如图3.3.3-4所示将桁架调整至一定角度，使桁架两端处于同一平面上，能够很好的进行提升分块单元的拼装。

图3.3.3-4 桁架调整角度拼装图

3 注意事项

1）拼装前要严格检查单元构件的长度、曲线度，发现有不合格及变形的杆件要立即进行整改；

2）胎架自身的水平度、垂直度、刚度及稳定性要有保证；

3）桁架垂直度的控制，可采用调节揽风绳的方法，在未形成稳定刚度单元前在桁架两侧对称拉设2-4组揽风绳，揽风绳固定处设手拉葫芦，通过手拉葫芦调节揽风绳的长度，从而达到控制桁架垂直度的目的；

4）在拼装单元对接部位两侧各1m位置处设置支撑胎架，可有效地保证对接口拼装焊接的精度；

5）拼装完毕后，用全站仪及吊线锤的方法检验桁架的起拱度和垂直度。

3.3.4整体提升

每个桁架单元采用4点提升，提升上吊点分别设置在已安装就位的ZHJ1、ZHJ2和ZHJ3上。

1 提升能力计算

每一个提升分块单元重量约为100吨，四点提升每点吊重为100/4=25吨，使用40吨千斤顶提升，利用系数25/40=62.5%，满足提升功能要求。

2 提升前准备

1）ZHJ2防变形措施

为减少屋盖各分块单元在提升过程中对超长轻薄ZHJ2侧向稳定性的影响，防止其产生较大的变形，在原ZHJ2提升中设置的9组1.28x1.28m格构式标准节支护格构架不拆除，将其调整为标准节顶部高于桁架下弦水平主管，与桁架下弦主管加固连接，以此来增加桁架本身的受力支点，进而确保了屋面分块单元在安装过程中主桁架的侧向稳定。如图3.3.4-1所示。

2）其它需检查及注意的事项：

①分块单元所有一、二级焊缝已经经过探伤，并验收合格；

②分块单元结点补漆工作完成，并通过验收；

③主桁架变形已经测量，并在设计及规范的允许偏差范围内；

④提升工装已经通过验收，工装附近脚手架操作平台已经搭设完毕；

⑤提升单元与所有支架、胎具等的临时固定已经取消；

⑥联系杆安装用脚手架已经搭设完毕，安全网已经到位和安全绳已设置好；

⑦提前做好天气资料收集，确保提升过程中不下雨，风力不大于5级。

图3.3.4-1 ZHJ2临时支撑加固图

3 吊点的选择

1）提升点平面布置如图3.3.4-4所示（图中1A-*、1B-*及2A-*、2B-*点）；

2）提升点上锚及下锚形式如图3.3.4-2、3.3.4-3所示：

图3.3.4-2提升上锚点定位形式

图3.3.4-3提升下锚点定位形式

4根据提升点的布置及提升工装的确定，施工前要对各个提升工况下整个屋盖完成后的受力和变形进行仔细的分析和计算，采用MIDAS程序，输入相关参数(上下锚点构造图)，建立计算模型，给定荷载值，准确地计算出各个工况下，屋盖及两侧主桁架的受力状态，从而合理确定按每一个提升分块单元提升次序：即屋面一（二）由中间向两边提升、屋面三（四）由两边向中间提升,按如图3.3.4-4所示从提升段1至提升段10逐个分块单元吊装。

根据计算结果，整个屋面安装过程中结构最大x向位移为0.45mm，最大y向位移为30.8mm，最大z向位移为-28mm且所有结构杆件应力比均不超过0.5。说明结构杆件在按照上述提升工况下是安全可靠的。

图3.3.4-4各分块单元提升次序图

5 整体提升实施阶段

1）试提升

所有准备工作完成后，认真检查提升系统的工作情况（提升油缸、钢绞线、液压泵站、计算机控制系统等），启动液压泵，使各钢绞线从自由状态下逐步拉紧，适当调高油压，当提升杆基本都受力拉直时，再观察提升工装与钢桁架连接

处及钢绞线与千斤顶之间的锚固有无异常情况。

一切正常后，试提升使桁架脱离拼装胎架，提升300-500mm，悬停12小时，如图5.3.4-5所示，对整个提升系统进行充分检验，查看有无异常，方可正式提升。

图3.3.4-5 试提升阶段

2）调整桁架角度到达设计角度。因桁架本身为曲线造型，高度相差约16m，将桁架提升起来后，保持一侧提升停止，缓慢提升另一侧千斤顶，调整桁架高差达到原设计曲段，悬挂钢尺，使用水准仪观测提升高度，使整个桁架处于就位角度，如图3.3.4-6所示。

图3.3.4-6 调整桁架角度至设计角度

3）正式提升：保持提升速度在4m/h左右，将桁架两侧四点千斤顶同步整体提升至预定高度，如图3.3.4-7所示，考虑到控制系统下降的风险性较大，提升结束位置要稍低于理论标高值，最后采用全站仪或经纬仪进行精确调整至设计标高。

图3.3.4-7 正式提升

3.3.5合拢:提升完成精确定位后，结构体系仍处于不利状态，须抓紧时间施工与主桁架相连接的预留杆件，使得提升段与结构主体间能够可靠连接。

3.3.6卸载

1 卸载的前提条件

1）所有与两侧主桁架连接的杆件已全部安装并焊接完成，设计要求需进行UT探伤的部位检测合格；

2）卸载当天风力要求不大于5级；

3）卸载前要用测量仪器对提升单元的稳定性进行监测，确保其在水平和竖直方向没有相对位移反复出现的情况下，可以卸载；

4）对参与卸载的施工人员进行详细交底，严格按照方案执行，听从现场总指挥统一协调，确保卸载过程在安全有序的条件下进行。

2 卸载方法

对桁架提升点采取分级卸载的方法，卸载比例为30％、30％、20％、20％；

3 每一步的卸载完成后，要用全站仪对两侧的主桁架以及屋面结构受力较大的部位进行变形监测，待监测完毕无大的变形后方可进行下一步的卸载；

4 卸载完成后拆除液压提升设备。

3.3.7应力及位移监测

为保证屋面不等高桁架在整体提升过程的安全性和可靠性，在提升过程中对其自身结构及两侧提升支撑主桁架的应力和位移采用有限元数值模拟分析。根据钢结构屋面上关键受力部位的应力以及位移监测数据，确定数值模拟与实测值的差异；将数值模拟与实测相结合，对结构安全性作出评估，并跟踪监测在施工各阶段主要受力构件的内力和变形，发现问题及时解决，以保证结构安全。

应力监测系统采用在构件上安装钢弦式传感器进行，本工程高架候车室上部屋面钢结构共布设应力测点40个，位移测点24个。测点随工程进度在所在桁架提升或吊装前通过焊接安装。

监测过程主要针对结构在提升前后、支撑体系拆除前后、以及后期荷载和温度等变化导致的结构杆件内力和变形的变化而进行。监控数据为提升动作指令的发出提供了强有力、科学、有效的依据。图3.3.7所示为其中一个监控点在某一施工工况下的应力曲线监控数据值。

图3.3.7 整体提升过程中某一个监控点的应力曲线变化模型

4材料与设备

4.1主要材料

4.1.1结构用钢管

注： 1 钢材均要求具有抗拉强度、伸长率、屈服强度和硫、磷、碳含量的合格保证及冷弯试验的合格保证；

2 钢材的屈服强度实测值与抗拉强度实测值的比值不应大于0.85，伸长率不应小于20％，应有明显的屈服台阶，且应具良好的可焊性和合格的冲击韧性；

3 当圆钢管壁厚≤12mm的, 可为焊管；当壁厚>12mm时可按径（内径）厚比Υ确定，当Υ≥20时可为焊管。

4.1.2焊接材料

4.1.3涂装材料

5质量控制

5.1执行标准

5.2桁架结构允许偏差

5.3提升轴线控制偏差

6安全措施

6.1进入施工现场所有施工人员必须带好安全帽，高空作业必须系好安全带、穿防滑鞋。特殊工种（如起重工、电焊工、电工、架子工、信号工等）必须持证上岗，严格执行本工种安全操作规程；

6.2起重设备的行驶道路必须坚实可靠，严禁超载吊装及歪拉斜吊；

6.3施工前应对吊装用机械设备、吊具、索具等进行检查，凡不符合安全规定的，严禁使用；

6.4高空作业人员使用的工具及安装用的零部件，应放入随身佩带的工具袋内，严禁在空中抛掷；

6.5焊接作业要有动火证、设置接火盆，作业区域下方要将可燃物清理干净并配置看火人及一定数量的灭火装置；

6.6吊装作业范围内应设置警戒线，树立明显的警示标识，非工作人员严禁入内；

6.7所有设备在提升前均要进行保养、检查，千斤顶要经过保养清洗并经压

力试验方可使用；

6.8提升用钢绞线在使用前要进行细致的检查鉴定，有无断丝和电焊损伤情况；

6.9施工现场临时用电采用“三级配电、二级保护”，实行“一箱、一机、一闸、一漏电保护”；

6.10施工过程中应避免交叉作业，当无条件避开交叉作业时，不得在垂直方向上操作，下层作业的位置必须处于上层可能坠落的范围之外；

6.11在各个提升千斤顶周围用架子管搭好平台并配好护栏、防护网及生命线等，以保证施工人员的操作安全和方便；

6.12加强对施工人员的安全教育和培训，并编制详细的安全应急预案。

7环保、节能措施

7.1材料堆放场地应平整，构件按安装区域分类堆码，下垫枕木，防止下雨时浸泡在水中产生锈蚀；

7.2焊接时应采取有效的防护措施，防止焊渣乱溅，剩余的焊头、焊丝及焊渣要及时清理至指定位置；

7.3防火、防腐涂料在现场要集中储存，随用随取，未用完的涂料要及时回收，严禁随地丢弃；

7.4提升设备油管做好防护措施，防止油管损坏污染施工场地；

7.5除锈作业宜封闭进行，作业人员应配备防护措施；

7.6合理安排施工活动，减少电弧光、施工噪声发生等对周围环境的影响，夜间尽量不进行影响居民休息的有噪作业；

7.7机械设备运行时，要防止油污泄露污染环境。

8技术经济效益等分析

8.1钢屋盖采取在楼面分块拼装、整体提升技术，与常规施工方案相比，可明显节约大量的拼装用脚手架、胎架及大吨位吊车跨外吊装的成本；

效益分析对比表

8.2 环保与节能：本工法采用CO2气体保护焊与传统的手工电弧焊相结合的混合焊接作业方式，CO2气体保护焊熔化率高、熔敷速度快、质量易保证，生产效率比手工焊高3倍，工期进度缩短约18%，机械投入总功率减少约5.7%，环保节能效果显著；

8.3本工法符合国家关于节能工程的有关要求，有利于推进可再生能源与建筑结合配套技术研发、集成和规模化应用。

9工程实例

9.1 由我单位承建的厦门西站房工程位于厦门市集美区后溪镇。工程总建筑面积162409㎡，其中主站房109028㎡，站台雨棚53381㎡，建筑总高度达66.78m。站房采用高架候车与线下出站式布局，旅客流线采取“上进下出”的形式，将车站分为出站层、站台层、高架层三个层面， 站房主体结构采钢筋混凝土框架结构，屋盖采用钢结构，其中主站房屋盖采用双向不等高正交钢管桁架，其钢结构重量约2450吨；

9.2 该工程于2008年7月开工，2010年4月竣工。中铁建设集团有限公司在厦门西站房不等高正交钢管桁架施工过程中，大胆尝试、勇于创新，综合运用本工法，采用分块整体提升技术，成功地解决了大跨度不等高正交钢屋盖体系安装就位的难题，使本工程无论在经济效益、社会效益、环保节能还是在技术水平、工程进度等方面都取得了明显效果，为今后施工类似工程提供了成功范例和宝贵经验。

参考文献

[1] GB50017-2003钢结构设计规范 [S]

[2] GB50300-2001建筑工程施工质量验收统一标准 [S]

[3]GB50205-2001钢结构工程施工质量验收规范 [S]

[4]GB50026-2007工程测量规范[S]

附：作者简介

王伟，1975年5月，男，高级工程师，项目经理，1998年7月毕业与西南交通大学土木工程专业。