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中山博览中心屋盖累积滑移安装工艺

作者：陈 伟 等    
时间：2009-12-22 20:26:03 [收藏]
中山博览中心项目常年展厅屋盖采用大跨度钢桁架结构，主桁架最大跨度90m，采用国内先进的累积滑移工艺进行安装，成功解决了由于施工场地内存在地下室结构，导致大型吊装设备无法直接进入跨内吊装以及与其他专业无法交叉施工、工期紧张等施工难题，取得了良好的经济效益。

    关键词：大跨度钢结构；钢管桁架；累积滑移；同步控制

    1.工程概况
    中山博览中心项目位于广东省中山市博爱六路，紫马岭南门公园对面，由美国SOM建筑师事务所与广东省建筑设计研究院联合设计。其总占地面积250000?，建筑面积120000?，建筑物总高度为28m，是一座集展览、会议、服务等功能为一体的新型现代风格建筑，也是中山市重点工程和中山历史上最大的建设工程，建成之后将成为中山市标志性建筑，如图1所示。

    中山博览中心项目按照使用功能分为常年展厅、综合展厅、中央广场、会议中心等四个部分，见图2所示。该工程地上主体结构主要为大跨度空间钢管桁架结构，总用钢量约18000t，其中主桁架最大跨度90m，截面矢高4.5m～10m，整个屋盖钢结构成波浪型。托架沿B、G、K、N轴分四列布置，主桁架沿226轴布置与托架垂直连接，形成三跨连续桁架梁，跨度自北至南分别为54m、54m、90m。主桁架下弦主要采用φ660×14的钢管，上弦主要采用φ610×14的钢管，腹杆采用φ508×20、φ356×10等，主桁架间距18m，单榀最大约重130t。托架亦采用钢管桁架结构，跨度36m，通过盆式橡胶支座架与格构钢柱或混凝土核心筒结构相连。
    建筑结构新颖，结构复杂，安装精度要求高，构件连接全部为相贯连接，施工难度大。其中常年展厅屋盖桁架下部楼层，由下至上分为地下一层地下室结构、地上一层型钢桁架结构、两侧二层混凝土结构；常年展厅上空屋盖桁架结构下方由于存在地下室结构，大型吊装设备无法直接进入施工场地内，给常年展厅屋顶桁架结构安装带来不小的难题。本文接下来主要讲述常年展厅屋顶桁架结构的安装工艺。
    2.施工工艺
    2.1施工工艺选择
    根据常年展厅的结构特点，如采用加固地下室，吊车进入场地内吊装或高空散拼以及整体提升等方法，虽能够完成此部分结构的安装，但措施费巨大且屋顶桁架下方区域其他专业将无法施工，对工期十分不利。为保证整体工程按时完工，必须保证各专业立体交叉施工，基于以上客观因素考虑，我们决定采用“累积滑移”的施工技术，制定了“跨外平台拼装、逐段累积、同步滑移”的施工工艺,如下图3所示。

    2.2 滑移施工工艺
    2.2.1滑移工艺思路
    首先进行高空胎架及滑移轨道设计、搭设，然后在地面胎架上分段拼装主桁架、托架杆件（其中托架拼装成整体、桁架分三段进行），再利用150t履带吊将各托架和分段桁架吊至拼装平台上整体拼装，最后安装次桁架、水平支撑及檩条，形成空间滑移单元。滑移单元由两榀主桁架、托架和次结构组成，每拼装完一个滑移单元，屋盖整体向14轴线方向滑移18m，拼装平台随之腾空，进行下一个18m单元拼接。所有桁架累积滑移到距设计位置约1m时，暂停滑移工作，进行桁架支座安装，最后进行整体桁架屋盖的滑移到位，进行卸载、桁架与支座连接工作，滑移施工完成。
    2.2.2高空拼装平台搭设
    为了避免占用结构内施工区域以及避免对部分地下室楼板进行加固，将拼装平台设计在结构外，见图4所示；同时结合主桁架及托架重量、吊车的起重能力以及常年展厅上方屋顶两侧托架中部支撑基本对称的特点，选择18m跨拼装单元作为一个滑移单位，因此高空拼接平台只需搭设18m宽即可满足使用要求。高空拼装平台如此设计，可提高起重设备利用率，，降低机械措施费用，减少平台搭设材料投入量。
    2.2.3滑移轨道选择
    针对常年展厅屋顶桁架截面高、刚度大的特点，利用计算机仿真模拟滑移进行分析，得出现场仅采用2条间距为90m的轨道（轨道两侧均悬挑9m），既可完成常年展厅上方90m跨屋顶桁架的累积滑移安装。主桁架跨中不需要额外增设一条轨道，支撑于间距为90m的轨道上的滑移单元，其跨中挠度和局部杆件受力，均能满足国家规范的相关要求。
    2.2.4滑移轨道搭设
    鉴于图纸设计常年展厅屋顶桁架结构，支撑于南北两侧（B轴线和G轴线上）混凝土核心筒内砼柱或钢管格构柱的特点，通过预埋钢结构埋件，增加联系钢梁等方式，在B轴线和G轴线上架设两条滑移轨道，滑移轨道采用QU100钢轨，见图4所示。

    2.2.5高空平台拼装
    桁架结构在高空平台上拼装时，预先通过计算机模拟其下挠变形值，并按照施工要求进行起拱或反变形设置，保证结构滑移前拆除支撑后主桁架的挠度值符合钢结构设计规范要求，确保结构安装质量。
    2.2.6拼装单元滑移
    当相邻两榀桁架拼装完成后，利用液压千斤顶（爬行器）进行拼装单元的同步控制液压顶推累积滑移，滑移过程如图5所示。

    完成滑移一个拼装单元后，在拼装平台上进行下一榀桁架单元的拼装，然后再进行滑移……直至最后一个单元滑移完毕，见图6所示。

    2.2.7滑动支座安装及结构卸载固定
    当整体桁架结构滑移离设计安装位置1.5m时，割除支座位置轨道，进行滑动支座安装，然后进一步进行滑移。当整体结构滑移到设计位置后，利用千斤顶进行逐点分级卸载，最终进行结构固定。
    3.累积液压顶推滑移特点
    本工程中根据现场施工条件和钢结构屋盖的外形特点，采用了钢结构桁架累积液压滑移安装的施工工艺，主要有以下特点和优势：
    1）采用液压爬行器作为动力装置，与传统的卷扬机钢丝绳牵引不同，爬行机器人滑移过程的推进力及推进速度完全可测和可控。计算机系统通过传感器检测爬行机器人的推进力及速度，控制各机器人之间的协调同步，当有意外超载或同步超差时，系统会及时做出调整并发出报警信号，从而使滑移过程更加安全可靠；
    2）滑移轨道充分利用原有结构进行支撑，既方便安装又节约成本；
    3）滑移不受屋盖底部场地限制，可以土建作业同时展开，解决了二者同时施工的矛盾，节约工期；
    4）由于爬行器与构件刚性连接，易同步控制，结构安装就位准确性高；
    5）累积滑移步骤性强，易于形成流水作业，提高了施工效率。

    4.安全施工及质量保障措施
    4.1拼装胎架及轨道搭设基础设计
    为了保证构件高空拼装的质量以及滑移过程的安全，施工前应该拼装胎架及轨道支撑基础情况进行慎重考虑，对于部分座落在天然土层上的支撑，参照地质勘探报告数据进行基础设计，对于可能出现的基础沉降，应在胎架和轨道支撑设计时预留沉降值。
    4.2计算机仿真技术应用
    由于屋盖桁架在滑移过程中工况与设计使用状态不同，为保证其在滑移过程中各构件的受力状态符合相关规范要求，对滑移进行了全过程进行计算机仿真分析。采用有限元结构分析软件SAP2000建立计算模型，为保证仿真分析能够反映滑移工况，计算过程主要注意以下事项：
    1）模型建立尽量接近滑移实际情况，以使分析具有参考意义；
    2）边界条件考虑现场实际约束；
    3）荷载施加要考虑模型与实际结构的差异。
    4.2.1计算机仿真共对全部10个滑移工况分别进行了分析，如图7所示，考虑结构自重、滑移荷载、风载、温度荷载的不同组合和影响，通过分析结果发现滑移施工系统设计比较合理、结构整体刚度较大、除个别杆件须要加强外，结构整体上可以承受各滑移工况。计算机仿真分析帮助了解了滑移结构的整体受力性能，确保了滑移施工的顺利进行。

    4.2.2建立模拟计算机预拱模型，技术先行指导施工，通过千斤顶回顶前一滑出拼装平台的滑移单元桁架，纠正与下一榀拼装滑移桁架单元的高差（见图8），保证相邻次桁架安装精度。

    4.3滑移过程监测
    本工程滑移距离长、结构自重大，结构加工、拼装精度要求高，为保证滑移施工的顺利实施，对滑移过程跟踪监测，尤其对屋盖滑移过程桁架以及轨道梁的挠度进行实时监控，如图9所示，对于出现的超出设计预期的变形、较大的声响等情况，及时通知现场滑移施工总指挥，以按照应急预案及时采取对应的处理措施，确保滑移安全、顺利的实施。
    滑移施工过程中，在每次构件高空胎架拼装前，对拼装平台支撑点标高进行抄测，对于出现的沉降值，在拼装时进行标高补偿，以保证每榀桁架结构的拼装质量。

    4.4结构加固
    为了保证累积滑移的安全顺利进行，必须保证滑移轨道及滑移单元的安全可靠，现场分别采取措施对滑移轨道梁进行加固，见图10所示；为了滑移单元两端托架和主桁架结构受力出现不对称性，对托架、主桁架以及通过计算机模拟计算得出的应力比超标的杆件，进行加固处理，见图11所示。

    5.结语
    中山博览中心常年展厅屋盖钢桁架累积滑移施工，克服了施工现场交叉施工、恶劣天气等各种不利因素，仅采用2条间距90m的滑移轨道完成了90m×198m区域的屋顶桁架结构滑移安装，成功解决了屋盖结构与下部混凝土结构无法同时作业的难题，最大限度地保证了各专业交叉施工，节约了大量的措施费用，仅用46天完成了常年展厅屋盖3700t钢结构的安装，比原计划提前两个月，为整个工程的顺利竣工提供了充分保障，取得了良好地经济价值和社会效益。
    本工程常年展厅上方90m跨屋盖钢结构累积滑移施工，仅采用90m间距的两条轨道，突破了以往大跨度钢结构滑移需跨中设置一条轨道的技术难题，减少了轨道搭设材料和滑移设备投入；同时屋盖最大滑移距离198m，与国内同类钢结构滑移工程相比较，双轨间距及累积滑移距离均位于前列，同时也为国内钢结构累积滑移技术运用进一步积累了经验。
    此外，大量计算机仿真模拟技术地应用，也为本工程累积滑移安装地成功实施提供重要的理论数据支持。

    参考文献
    [1] 赵英泰，王旭峰．《现代空间钢结构高空滑移法施工技术》．建筑钢结构进展．2006.12
    [2] 邱俊，胡澄，陶春来．《大跨度钢梁高空滑移施工技术应用》．江苏建筑．2006.4
    [3] 胡鸿志，廖雪颖，刘震华．《大跨度钢桁架滑移施工技术》．建筑技术．2007.7
    [4] 唐兵传，贾艳峰，吴圣杰．《苏州国际博览中心钢结构施工技术》．施工技术．2005.10
    [5] 阎耀，张新健，顾军．《苏州国际博览中心钢结构工程施工和质最控制》．建筑施工．2005.5
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