超长(132m)轻薄巨型钢管桁架整体提升施工工法.doc

超长（132m）轻薄巨型钢管桁架施工技术

1 前言
目前，国内铁路建设处于黄金阶段，一大批像北京南站、XXX站、南京南站、武汉站、广州站等高标准、大跨度的现代化铁路站房脱颖而出，而这些大型铁路站房的共同点是：建设周期比较短，交叉作业多。站房屋面均采用钢结构屋盖，跨度比较大。XXX站屋面钢结构为管桁架，屋面造型设计参照了闽南“燕尾脊”形式，是目前国内最大跨度（132m）的铁路站房。
2 特点
2.1本工法通过对超长轻薄巨型桁架合理分段，将牛腿和提前在地面上拼装好，用50吨履带吊将其吊装到设计位置，上、下锚点分别设置在牛腿和拼装完成的桁架上，通过在桁架两侧设置导向架，既解决了拼装过程中桁架的稳定问题，又达到了提升导向、抗倾覆的目的。通过在桁架和牛腿之间设置活接头，达到了桁架提升就位后快速合拢的目的。
3 适用范围
适用于机场航站楼、会展中心、体育馆和火车站等采用大跨度管桁架屋盖结构体系工程。
4 工艺原理
大跨度异型立体桁架施工，其关键就是根据结构特点和施工场地情况，对桁架进行合理分段，优选吊装机械和吊装方法等。吊装时，通过动滑轮体系，使构件在吊装过程中，经滑轮，对构件重心进行微调，从而达到平衡构件的目的。
预应力拉索利用空间钢结构协同工作的受力特点，通过合理施加预应力，进而达到改善结构的使用性能，同时也提高了空间钢结构的刚度。
5 施工工艺流程及操作要点
5.1 施工工艺
测量放线——临时胎架安装——临时支撑体系——桁架原位拼装——整体提升——焊接合拢——卸载——变形监测
5.2 操作要点
5.2.1 测量放线
在8.95m楼板上，沿H轴（C轴）线向两侧各偏移15m设置控制线，作为沿ZHJ2 X方向的拼装“控制轴线”，沿垂直于H轴（C轴）方向，设置6条Y方向控制线，组成ZHJ2拼装控制轴线网，控制网既可以快速确定主桁架中竖向立杆的位置，又很好的控制了桁架拼装过程中的垂直度问题。

轴线控制点
控制轴线

图1 轴线控制网示意图
5.2.2 临时胎架安装
ZHJ2拼装在8.95m楼板上原位进行，主桁架下通过设置胎架，达到焊接及起拱的要求。胎架采用H型钢和槽钢加工而成，两侧设置限位板。
拼装胎架与预埋在混凝土梁上的钢板焊在一起，固定牢靠。胎架数量根据下弦杆的分段情况确定，每段下弦杆的两端必须设置胎架，若下弦杆单体长度较大，则在下弦杆中间再增加1-2个胎架。起拱高度通过控制胎架的顶标高进行调整，由中间向两侧依次进行。
5.2.3 临时支撑体系
主桁架自身刚度较小，高宽比过大，为防止桁架在拼装过程中产生偏心倾覆，在拼装过程中设置支护导向构架能够确保桁架在拼装、提升及合拢过程中主桁架的侧向稳定。经建模模拟计算，支护构架在桁架拼装过程中与主桁架连接形成整体，可以抵抗12级风荷载。
5.2.3.1支护构架的设置
支护构架一组选用2个1.28x1.28m格构式标准节，高度21m，共布置5组，能够确保桁架在拼装过程中的侧向稳定，同时在主桁架提升就位后，标准节顶部高于桁架下弦水平主管，可以与桁架下弦主管加固连接，增加桁架本身的受力支点，从而能够确保在桁架合拢过程中和后续屋面次桁架安装过程中主桁架的侧向稳定。
5.2.3.2 导向构架的设置
桁架提升导向构架一组选用2个1.28x1.28m格构式标准节，高度大于提升高度约2m，共4组，地脚与混凝土生根刚接，在拼装过程中，其作用与支护构架相同。
5.2.3.3 桁架拼装及提升就位后，支护架侧立面布置图见图2所示。

图2 拼装过程中支护构架立面布置图

5.2.4 桁架原位拼装
5.2.4.1下弦杆安装、焊接：
将所有下弦杆件在胎架上组拼、对口，从中间向两侧依次安装，安装完成后,调整起拱高度和水平轴线位置，整体调整后分段按顺序增加弦杆接口的约束板，用于定位接口。
为控制焊接变形，焊接下弦主管共分为4次焊接：第一次，6道A接口；第二次，2道B接口；第三次，2道C接口，每次焊接前再最后校核整体下弦杆件的起拱度、长度、轴线偏差等数据，调整后焊接约束板；第四次，焊接2道D接口；

图3 下弦管对接接口焊接顺序示意图
每段下弦杆件对接接口焊接时，两根下弦杆件的接口必须同时焊接，且两根主管的焊接起点位置、焊接方向应都相对。
5.2.4.2 第1段竖向小拼单元安装：
①、小拼单元就位：
第1段小拼单元安装时，首先要在下弦管上测放出小拼单元竖向杆件的十字轴线及贯口外轮廓线（外轮廓线与十字轴线的交点，即外轮廓控制点），吊车吊装时首先对好线位，同时用缆风绳固定，先调节立杆位移，再利用经纬仪通过四方向缆风绳找好小拼单元的垂直度。然后，缆风绳固定，小拼单元与下弦杆点焊。
由于ZHJ-2整体拼装时，竖向立杆、斜腹杆及连接横杆之间因二次相贯，存在安装和焊接的先后顺序问题，为了减少ZHJ-2在原位拼装时的焊接工作量，尽量将能够连接在一起又能够运输吊装的构件组合在一起，拼接成小拼单元。
②、第1段竖向小拼单元调整：

第1段竖向小拼单元安装完毕后，对立杆的位移和垂直度进行调节。先进行小拼单元的位移调整，位移调整到位后再进行垂直度的校正。立杆就位垂偏使用缆风绳与倒链进行调节，立杆水平方向使用钢板定位。
③、第1段竖向小拼单元焊接：
因桁架第1层斜腹杆与下弦主管，立杆间存在二次相贯，因此在安装腹杆前，必须将立杆与下弦主管相贯口焊接完毕，焊接顺序采取节点跳焊、分区焊接的方法，尽可能减少焊接变形。

图4 竖向小拼单元与下弦杆焊接顺序示意图
5.2.4.3 第2段立柱安装：
①. 第1段小拼单元全部安装焊接完成后，且支护构架安装固定后，开始安装第2段立柱，由于立柱、斜腹杆、水平腹杆之间存在二次相贯问题，故所有第2段结构无法拼接成小拼单元，需散拼。
5.2.4.4 第3段上弦小拼单元安装
①. 上弦小拼单元安装从中心向两端延伸安装，小拼单元就位后，与下部立杆先点焊连接。
②. 中心小拼单元就位后，将支护标准节升至24m，并与上弦中心段小拼单元连接。
③. 上弦小拼单元精度调节应用千斤顶调节。
④. 上弦小拼单元之间对接接口连接形式采用耳板连接，耳板形式与竖向立柱连接形式相同。上弦小拼单元选择从中间向两边对称安装的顺序，偏差调整都通过临时连接，耳板配合撬棍、千斤顶等调整精度。 因上弦水平拼装单元安装时，需与立柱进行插板连接，且同时小拼单元水平主管对接口处要有内衬管，安装难度特别大。因此，将对接口处内衬管做成可活动式。
⑤. 上弦小拼单元全部就位后，将小拼单元间的斜腹杆安装上，进行整体的调整。调整完成后，开始对上弦单元连接体进行整体全面焊接。
⑥. 上弦小拼单元焊接：
上弦总体焊接顺序：从中间向两端，分段间隔焊接。（同一对接节点的所有焊口同时焊接，每段小拼单元两端的节点焊口不得同时焊接）
具体参下图：先A后B，先1后2再3，最后焊接后插入斜腹杆。（同一杆件两端不能同时施焊）

图5 上弦小拼接口焊接顺序示意图

上弦小拼单元焊接过程中，要随时观测整体桁架的变形情况，根据观测的数据，采取相应的措施，在桁架焊接过程中进行整体纠偏，防止焊接变形的产生。
5.2.6 提升
5.2.6.1提升点选择
经过对主桁架提升工况多次模拟计算，确定如下提升构造：
①、提升牛腿：选择ZHJ2原结构作为提升上锚点的支撑结构：

图6 提升牛腿示意图
②、提升上锚点：
选择桁架上弦水平主管作为提升上锚点，通过转换结构（提升工装梁），将液压千斤顶固定。

③、提升下锚点：
选择第三层水平腹杆作为提升下锚点，通过转换结构（工装梁）固定锚具：
5.2.6.2 提升设备选择
提升时，每个提升点选择2个200t千斤顶和2个100吨千斤顶，提升能力1200T，提升各点提升反力分别为（185T和184T），提升安全储备系数为1.622。
5.2.6.3 预提升
预提升是对整个提升施工系统的实际工作质量状态、理论计算分析准确性的最终检验。试提升采用
逐步加载过程，也是对系统内难以检查的结构部分(包括钢结构主体、提升牛腿、提升平台等)的测试，它的成功与否直接关系提升施工安全顺利与否，所以试提升阶段检查工作非常重要，是整个提升施工的关键工序。
试提升使桁架脱离拼装胎架，提升200 mm，悬停12小时对整个提升系统进行充分检验，细部调整控制参数符合要求后，方可正式提升。
5.2.6.4正式提升：
由于桁架本身超长，要求在主桁架提升的过程中，各吊点必须同步。由一台主控计算机控制所有提升油缸的统一动作及各个提升吊点的位置同步，确保各吊点受力均衡。在提升体系中，设定主令提升吊点，其它提升吊点均以主令吊点的位置作为参考来进行调。主令提升吊点决定整个提升系统的提升速度，通过泵站的流量分配和其它因素来设定提升速度。根据本次提升系统的设计，最大提升速度控制在4m／h左右。
为了提高提升系统的安全性，在每个提升吊点都布置了油压传感器，主控计算机可以通过现场实时监测每个提升吊点的载荷变化情况。如有异常突变，计算机将会自动停机，并报警提示。
上锚点
下锚点
钢绞线

图7 整体提升示意图
5.2.8 合拢
为了保证桁架提升就位后顺利对接，提升段与提升牛腿间预留活接口，用以调节构件分段拼接过程中的尺寸偏差，最终保证构件的整体尺寸，确保施工质量，活接口及预留塞杆待桁架校正就位后再安装焊接，见图27所示。

图8 桁架提升就位示意图
5.2.9卸载
钢结构桁架卸载过程是指由提升系统受力向正式结构自身受力逐渐转化的过程，卸载实施的成败直接关系到整体结构的安全，是整个桁架施工质量的最终检验。
5.2.9.1桁架卸载的前提条件
桁架预留的活接口、后塞杆以及相关的焊接工作已全部完成，并设计要求需超声波探伤的部位检测合格，各项资料齐全验收合格；
5.2.9.2卸载方法
桁架提升点的卸荷采取分级卸载的方法，每次卸荷等级为25％。
5.2.9.3卸载过程中要实时对主桁架进行变形观测，出现异常要立即停止施工，情况分析后报监理、设计及业主单位，确定方案后，方可继续施工。
5.2.9.4 卸载完成后拆除提升设备。
5.2.8 挠度检测
5.2.8.1应力应变检测
为了确保主桁架整体提升过程的安全性和可靠性，在试提升和正式提升过程中，通过设置应力、应变检测点，对桁架典型部位杆件进行应力应变监测。主桁架上总共布置了20个点测试点，其中桁架上14个，提升牛腿上6个，由计算机汇总的检测数据，通过与理论分析计算进行比较，进而达到了实时检测的目的，使结构受力在提升过程中始终处于允许范围内，同时给提升过程提供了有利的科学依据，保证了主桁架提升工作安全顺利进行。
5.2.8.2 挠度观测
桁架提升前，在主桁架上对称设置了九个挠度观测点，贴好反光片，在主桁架的不同阶段，通过全站仪对其观测点的标高进行观测、分析，进而可以推算出该点的挠度值。通过观察，主桁架2的累积最大挠度值（10mm）出现在跨中部位，远远小于设计值（50mm），符合要求。

6 劳动组织
表6-1 劳动组织
序号
工种
数量（人）
备注
1
焊 工
30
负责构件焊缝焊接工作
2
技术人员
6
负责钢结构拼装、焊接、提升过程全面技术指导，提升位移电脑监控等
3
安 装 工
40
负责钢构件、预应力拉索安装施工
4
铆 工
10
负责构件吊装前地面拼装
5
质检人员
4
钢结构拼装、焊接质量监督检查
6
探伤检测
2
钢结构焊缝质量检查
7
信 号 工
4
负责钢构件拼装过程中，吊车指挥
8
测 量
4
负责构件拼装定位、提升就为标高测量
9
安 全 员
2
负责钢构件拼装、焊接、提升等安全管理
10
架子工
25
拼装、提升临时操作架子的搭设与拆除

7 材料与设备
表7-1 主要机具
序号
名称
型号
单位
数量
1
50吨履带吊车

台
1
2
70吨履带吊车

台
1
3
25吨汽车吊

台
4
4
CO2半自动焊机
NBC-500（SD-5001CY）
台
20
5
自控焊条烘干箱
YZH2-100
台
1
6
电焊条保温筒
W-3
个
15
7
提升千斤顶（200吨）

个
6
8
液压泵站

个
1
9
碳弧气刨炬
W-500型
把
4
10
射吸式割炬

套
2
11
等离子切割机
MAX20
台
4
12
超声波探伤仪
CTS-22
台
1
13
数据采集器（IMP）

台
5
14
应变计

片
60
15
位移计

台
3
16
经纬仪

台
1
17
水准仪

台
1
18
全站仪

台
1
19
液压千斤顶

把
5
20
倒 链

台
10

8 质量控制
表8-1 质量执行标准
序号
项 目
执行标准
1
钢结构工程施工质量验收规范
GB50205-2001
2
建筑钢结构焊接技术规程
JGJ 81-2002
3
气焊、手工电弧焊及气体保护焊焊缝坡口的基本形式与尺寸
GB 985—88
4
钢结构工程施工质量验收规范
GB50205-2001

9 安全措施
9.1电焊工高空作业时，必须系挂好安全带，索与吊钩要连接牢固，防止索空中滑落伤人。潮湿地点作业时，应注意绝缘工作。焊割前应清除焊割区的易然、易爆物品。
9.2起重机行走时，道路要坚实、平整，严禁长距离运输。起吊重物离地面500mm时停止提升，检查物件的捆札牢固情况和构件的平直情况确认无误后，继续吊升。
9.3工作时升钩或吊杆要稳、避免紧急刹车，起重物在高空时，严禁调整刹车。
为确保操作者在上下桁架的人身安全，每根桁架安装时都配备了防坠器。人员上下时，将安全带挂在防坠器的挂钩上，避免发生坠落事故。
9.4提升过程中，监测技术人员要坚守岗位，如果发现收集到的数据有异常，要立即通知相关施工人员停止提升，分析出现异常的原因
10 环保措施
10．1 钢构件吊装过程中破坏的防腐层及节点板处防腐，尽量采用符合环保要求的底漆（昌平体育馆工程中使用的是水性无机富锌底漆）。
10．2 油漆在现场要集中进行储存，随用随取，当天未用完油漆，要及时放回储存处，严禁在现场乱放、乱扔。
10．3钢构件吊装，避免在夜间进行，防止吊装机械产生噪音扰民。
10．4 焊工现场进行焊接时，焊条焊后剩余的焊头，要集中堆放，严禁到处乱人，污染环境。
11 技术经济分析
厦门火车站钢结构屋盖施工过程采用了新工艺、新方法，取得了良好的社会和经济效益，节省了施工成本近200万元，具体如下：
11.1 采用先进的CO2气体保护焊比普通手工焊接速度快3倍，而且焊缝质量容易保证，综合计算节约资金约40万。
11.2 采用在楼板上原位拼装、整体提升的施工方法，大大提高了拼装速度、降低了大型机械使用费和支架措施费用，节省成本140万元；在混凝土楼板支撑体系的基础上，局部进行了加密处理，节省成本20万元。

12 工程实例
我公司承建的厦门西客站工程中，钢结构屋盖上使用的超长轻薄主桁架共16榀，分9次提升完成，其中两榀ZHJ2长132m、宽1m、高23.8m、重800吨，所有杆件均需要从场外运到8.95m平台上以后，在原位胎架上拼装完成，再通过液压千斤顶系统，提升到20多米的高空合拢焊接，施工难度最大。施工过程中，我公司严格按照钢结构质量验收规范和设计要求，成功的完成了主桁架平面运输、原位拼装、提升就位等工作。通过上部牛腿设置吊点、两侧设置格构式导向架支撑架，解决了超长轻薄巨型管桁架拼装、提升过程中侧向位移问题；通过设置活接头，解决了桁架快速合拢就位问题，为国内类似工程的施工积累了宝贵的经验。