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郑州新郑国际机场钢结构施工技术

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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。经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 8月12日开工, 11月30日完工, 历时15个月; 改建工程于 4月1日开工, 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5 400t。改建部分由26榀桁架组成, 其中～线共有4榀,跨度为32.65m,桁架单质量为27.3t; 在～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～、 ～线共有8榀, 跨度为32.65m,桁架单质量为27.3t; 在～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、 轴采用V型钢管柱支撑, 钢管直径分别为325和245mm; 在、 轴采用对称位置角度四叉钢管撑, 钢管直径325mm; 在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, 此种方法能够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, 即经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( ～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, 且不需要重复安装拆除;
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, , 滑移过程中的能够保证结构安全。
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, 能够满足要求。
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、 轴、 轴、 轴、 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轴及轴线处2台液压爬行器并联; 作为从令点C; 轴和轴线爬行处两台爬行器并联, 作为从令点B; 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、 终止等指令经过电脑发出, 同步性能够保证。
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, 能够经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。根据一些滑移工程实例, 在滑移的起动和停止工况时, 桁架结构往往会产生抖动, 其主要原因是由于起、 制动的加速度过大和推动力不均匀引起; 另外, 推进力传递的滞后性也有很大影响。该工程实施达到数字化控制程度, 且对结构铰接点进行了加固, 解决了这一难题, 桁架滑移非常平稳。
2.4.9 卸载就位
滑移就位后的卸载主要是经过千斤顶顶高铸钢件支座, 抽出滑移轨道, 然后支座落位与预埋件焊接。卸载按照以下原则进行。
1) 计算各支座处内力, 选择合适的千斤顶。本工程支座处最大内力约为300KN, 则每个支座顶升选用2台20t千斤顶。
2) 为保证顶升支座的侧向稳定, 在支座两侧成对角施力顶升, 每单元同一纵轴线支座同时卸载并由中间向两侧卸载。
3) 尽量减小重心提升高度, 焊接2块倒L形钢构件作为千斤顶施力点, 从而满足了位移小、 施力稳、 落位快的施工要求
4) 铸钢件支座顶升后, 撤除轨道的同时进行预埋件的纠偏纠高处理。
3 结语
该工程经过精心的施工准备、 强有力的技术攻关、 科学合理的施工组织, 实现可多条轨道同步滑移, 解决了施工中的难题, 保证了施工质量。该工程钢结构获得了中国建筑”钢结构金奖”, 整体工程获得了河南省建设工程质量奖”中州杯”, 当前正在申报”鲁班奖”。

参考文献
[1] 罗斌, 郭正兴, 张士昌, 等。江宁体育馆预应力悬吊钢屋盖拉索张拉技术 [J]。建筑技术, , 35( 10) : 737-739.
[2] 陈建平, 赵园涛。首都机场地面交通中心钢屋架的安装滑移技术 [J]。钢结构, 22( 2) : 78-81.