大跨度屋盖钢结构滑移阶段自动卸载技术的研究与应用.pdf

202310Building Construction1984大跨度屋盖钢结构滑移阶段自动卸载技术的研究与应用郭得旺 胡原珲 吴 坤浙江精工钢结构集团有限公司 浙江 绍兴 312030摘要：针对采用累积滑移施工方法的大跨度空间钢结构屋盖，研发了一种滑移阶段自动卸载技术。该技术由滑移阶段自动卸载技术、滑移阶段卸载防自滑技术、结构位形和钢柱对接精度控制技术、顶推与卸载同步控制技术和顶推与自动卸载协同作用仿真分析技术等5部分组成，能够有效保证屋盖结构成形状态的位形，解决了大型屋盖结构在滑移阶段平稳由3条轨道支撑状态过渡为2条长滑轨支撑状态的技术难题。关键词：大跨度；钢结构屋盖；滑移施工；自动卸载中图分类号：TU758 文献标志码：A 文章编号：1004-1001(2023)10-1984-04 DOI：10.14144/ki.jzsg.2023.10.012Research and Application of Automatic Unloading Technology in Sliding Stage of Large-span Roof Steel Structure GUO Dewang HU Yuanhui WU KunZhejiang Jinggong Steel Structure Group Co.,Ltd.,Shaoxing 312030,Zhejiang,ChinaAbstract:A sliding stage automatic unloading technology is developed for large-span spatial steel structure roofs using the cumulative sliding construction method.This technology consists of five parts:automatic unloading technology in the sliding stage,anti-slip technology in the sliding stage,precision control technology for structural configuration and steel column docking,synchronous control technology for pushing and automatic unloading,and simulation analysis technology for the synergistic effect of pushing and automatic unloading.It can effectively ensure the shape of the roof structure in the forming state,solving the technical problem of a large roof structure transitioning smoothly from a state supported by three tracks to a state supported by two long sliding tracks during the sliding stage.Keywords:large-span steel structure roof;sliding construction;automatic unloading1 项目概况张掖奥体中心项目游泳馆（图1）屋盖平面尺寸为117.6 m94.5 m，桁架最大跨度为90 m，入口处最大悬挑为11 m，屋盖檐口标高约为22 m。屋盖整体采用钢桁架组合体系，主桁架下部通过抗震球形铰支座支承于下部混凝土结构，构件主要以圆管、箱形及H形截面为主，结构总用钢量约为1 800 t，主结构材质主要为Q345C。游泳馆屋盖径向三角主桁架平面桁架单梁及次结构天窗土建结构土建结构檀条图1 张掖奥体中心项目游泳馆结构示意随着我国经济的飞速发展，一大批占地面积大、造型复杂、延伸长度广的公共建筑不断涌现，如大型会展、机场航站楼、火车站站房等。此类公共建筑通常采用大跨度空间钢结构屋盖，在施工场地受限制或存在地下室结构时，多采用累积滑移施工方法。同时，为了有效保证屋盖结构成形状态的位形，当结构跨度较大或刚度偏弱时，常需在跨中部位设置1道或多道滑移短轨道。为了使屋盖结构在滑移阶段由3条轨道支撑状态逐步过渡为2条长滑轨支撑状态，需要在结构滑移至短滑轨端部时进行主桁架的卸载施工，这也是众多项目之中最大的难点及风险点。作者简介：郭得旺（1990），男，本科，工程师。通信地址：浙江省绍兴市柯桥开发区步锦路816号（312030）。电子邮箱：收稿日期：2023-07-04结构施工STRUCTURE CONSTRUCTION建筑施工第45卷第10期19852 项目重难点问题及挑战经过综合的比选分析，最终采用累积滑移法进行屋盖钢结构的施工，在结构两侧布置2条通长轨道，在中间设置1道短滑轨。为了使屋盖结构在滑移阶段由3条轨道支撑状态逐步过渡为2条长滑轨支撑状态，需要在结构滑移至短滑轨端部时进行主桁架的卸载施工，然后进行后续滑移单元的拼装补杆短滑轨端部卸载再次滑移施工。该大跨度屋盖钢结构在滑移阶段卸载难点主要在于：1）若采用传统的液压千斤顶进行卸载，由于屋盖钢结构需经过8次累积滑移才能就位，且每次滑移到短滑轨端部时都需进行卸载千斤顶的安装与拆除，操作烦琐，严重影响施工进度。2）若采用火焰切割法进行卸载，存在操作空间受限、构件表面易损伤、控制精度低等缺点，且卸载过程中结构仍处于两端支座滑移的状态，操作人员的安全风险较高。3）为了实现桁架跨中位置的顺利卸载施工，需要在短滑轨与桁架之间预留较大的滑靴高度，这会明显增加滑靴与桁架连接处的附加弯矩，对滑移过程中结构的安全较为不利。针对以上技术难点，经过对该工程结构形式和现场条件的攻关研究，实现结构滑移施工过程中，短滑轨自动卸载系统设计及施工工艺上的突破，开发形成了大跨度屋盖钢结构滑移阶段自动卸载施工技术。3 技术原理大跨钢结构滑移施工自动卸载施工工法的工艺原理由滑移阶段自动卸载技术、滑移阶段卸载防自滑技术、结构位形和钢柱对接精度控制技术、顶推与卸载同步控制技术和顶推与自动卸载协同作用仿真分析技术这5部分组成1-5。3.1 滑移阶段自动卸载技术1）桁架跨中部位设置1条23 m的短轨道，滑移轨道梁铺设于四肢轨道桁架上方，轨道桁架与支撑架刚接，支撑架则通过提前设置的预埋件与土建结构连接。上部结构自重通过滑靴传递至轨道梁和轨道桁架，再通过支撑架传递至下部土建结构（图2）。2）结构滑移过程中，由两侧通长滑轨滑靴和跨中短滑轨滑靴共同支承；随着结构滑移至跨中短滑轨端部钢制斜坡，结构跨中变形逐渐增大，导致跨中滑靴反力逐渐减小，两侧滑靴反力逐渐增大，最终由两侧的滑靴承担上部结构全部自重，完成结构跨中的短滑轨自动卸载，由多点支撑平顺过渡到桁架端部两点支撑模式（图3）。3.2 滑移阶段卸载防自滑技术1）滑移阶段自动卸载施工的工作原理为，通过设置合理的坡度，使得结构在端部坡道上滑移的过程中实现顶推轨道桁架滑移轨道端部放坡支撑架支撑架预埋件余同预埋件余同图2 滑移轨道及支撑体系轴侧图90 00022 50018 00018 000 18 00012 000143 00018 00018 00018 000B区展馆通长滑移轨道通长滑移轨道支撑架原位拼装第6次滑移第5次滑移第4次滑移第3次滑移第2次滑移第1次滑移分段吊装爬行器共6个滑移共14个图3 滑移轨道布置力和摩擦反力的动态平衡；同时在结构滑移到坡道端部时完成滑移分块的自动卸载。2）结构在坡道段滑移时，滑靴受力包括顶推力F、结构传至滑靴的反力R以及滑移轨道和滑靴之间的摩擦力f；随着结构在坡道上向前滑移，结构逐步完成卸载，滑靴反力R不断减小，所需顶推力F也不断减小；为保证自动卸载过程中结构不出现自滑，避免出现顶推器失效的情况，根据钢制斜坡滑靴受力情况得到顶推力F与滑靴反力R的比值（F/R）和坡道角度以及摩擦因数的函数关系，通过合理设置坡道角度有效避免结构自滑和顶推器失效（图4）。RfF图4 滑移阶段自动卸载过程结构受力分析滑移过程中存在以下平衡：(R cosF sin)f（1）R sinF cosf（2）联立式（1）和（2）可得到F/R与坡道角度以及摩擦因数的函数关系：郭得旺、胡原珲、吴坤:大跨度屋盖钢结构滑移阶段自动卸载技术的研究与应用202310Building Construction1986 F/Rsin()/sin(/2)（3）tan（4）式中：为摩擦因数；的取值范围为0/2。3）根据上述分析与函数关系，自动卸载钢制斜坡的合理角度取决于滑靴与轨道的摩擦因数，为防止卸载过程结构自滑和顶推器失效，钢制斜坡角度应小于arctan。3.3 结构位形与钢柱对接精度控制技术1）结构在端部拼装平台原位拼装，当结构分块滑移出短滑轨之后，由于跨中短滑轨完成自动卸载，结构跨中产生竖向变形，使得结构两侧支座发生水平位移，导致上下柱最终安装定位存在偏差。同时，大跨度结构在短滑轨滑移阶段自动卸载后，转换为端部两点支承与设计状态不一致，跨中变形较大，会影响后续索预应力张拉施工和结构成形态的位形，故滑移阶段需对钢柱位置进行侧向预调并对结构采取跨中预变形处理。2）根据滑移施工全过程仿真模拟，得出滑移阶段自动卸载后结构竖向变形理论值和支座侧向偏移量。根据结构竖向变形值进行桁架预起拱，同时，结合工程施工经验，按支座侧向偏移理论计算值的0.6倍对滑移钢柱进行施工预偏。3.4 顶推与卸载同步控制技术1）由于结构跨度大且结构在卸载钢制斜坡时存在自动卸载与顶推滑移2个动态过程。顶推位移与自动卸载量数值不匹配和滑移不同步对结构受力及结构滑移阶段自动卸载施工影响大。2）液压同步控制系统由计算机、动力源模块、测量反馈模块、传感模块和相应的配套软件组成，通过CAN串行通信协议组建局域网。其控制原理如图5所示。激光测距仪计算机位移信息位移信息油压信息驱动位移传感器油压传感器爬行器信息测量数据泵站系统测量反馈模块调节指令执行指令修复指令图5 控制原理示意3）现场不同步值测量采用激光测距和人工观测相结合。滑移过程中，用设置于滑轨远端的激光测距仪每4 s对2条轨道同一时刻同时测量，同时计算机根据测量数据对油泵发出指令，调整爬行器的顶推速度，实现爬行器的同步。爬行器一个行程结束，停止顶推，观测人员根据事先在滑道梁上做好的标记，进行测量，并对不同步情况进行调整。4）采用全站仪直接照射设置在位移监测点上的反射片观测滑移阶段结构自动卸载量，并根据同一时间段激光测距和人工观测得到的滑移量计算得到顶推位移与自动卸载量数值匹配度，判断自动卸载过程是否与仿真分析一致；若发现匹配度偏低应立即停止滑移阶段自动卸载施工，由操作人员和现场技术人员排查原因，并分析是否存在安全质量风险；待故障排除或分析得到无安全质量隐患后继续施工，完成结构滑移阶段自动卸载施工。3.5 顶推与自动卸载协同作用仿真分析技术1）本工法滑移施工与结构卸载同步进行，由于采用滑移阶段自动卸载技术，若顶推与自动卸载未达到协同作用，将出现结构变形不协调，局部滑靴反力增大导致无法继续滑移和自动卸载，需通过计算分析判断顶推与自动卸载不协同对结构滑移阶段卸载和成形阶段受力的影响。2）以结构一次成形态的位形和杆件应力为依据，结合施工条件及施工步骤，对滑移阶段自动卸载施工进行全过程仿真模拟分析。在滑靴位置设置多折线弹性支撑和强制位移，得出在允许的顶推不同步值内，顶推与自动卸载出现不协同作用情况下结构的变形、滑靴反力及杆件内力，作为卸载钢制斜坡设计、协同控制数值的依据及现场施工监测的依据。4 操作要点4.1 通过施工模拟分析确定卸载钢制斜坡高度与斜率为使整个卸载过程结构的受力支撑模式能由三点支撑平顺过渡到端部两点支撑模式，跨中短轨道支撑点悬挑端设置钢制斜坡，使结构在滑移过程中缓慢卸载。卸载钢制斜坡高度在理论卸载量的基础上放大1.2倍。斜坡斜率取130，保证卸载过程中结构受力状态平缓过渡的同时便于加工制作。4.2 滑靴的设计和加工要点结构从滑移阶段到自动卸载阶段的过程中，滑靴底面与轨道表面的夹角发生变化，除需在滑靴前端倒圆角外，滑靴还应具有一定的转动能力，保证自动卸载过程中滑靴与轨道接触充分。为减小轨道梁面外摩擦力对承载力的影响，在滑靴与钢轨之间增加摩擦因数较小的工程类材料，如UH-MG工程塑料，该材料与钢材的摩擦因数约0.1。4.3 卸载钢制斜坡和临时措施的制作与安装自动卸载钢制斜坡可采用变截面H型钢，变截面位置钢轨采用热弯处理，确保钢轨平滑同时与轨道梁贴合；轨道安装完成后，其钢轨底面与滑移钢梁上表面之间无间隙，有间隙处采用钢垫块垫实。临时措施包括短滑轨跨中门式支撑架及结构端部滑移郭得旺、胡原珲、吴坤:大跨度屋盖钢结构滑移阶段自动卸载技术的研究与应用建筑施工第45卷第10期1987轨道梁。结构在滑移过程中同时在卸载钢制斜坡段完成自动卸载，整个自动卸载过程承受动力荷载的同时，存在刚度变化和力的重分配。为保证滑移阶段自动卸载过程的平稳，支撑体系应具有较好的刚度及稳定性，故钢制斜坡位置门式支撑架与四周的脚手架进行抱箍连接形成整体以增强其整体稳定性，同时顶部应采用四边形桁架提高其竖向变形能力；门式支撑架落在地下室顶板上，支撑架立杆相应位置处应进行地下室顶板回顶。4.4 结构拼装阶段预变形要点1）结构的深化预调整包括跨中竖向变形及端部侧向变形预调整。2）竖向预变形包括设计预起拱和施工阶段预变形；设计状态要求的预起拱值根据施工图确定，施工阶段预变形值为施工阶段得出的计算理论变形与结构在设计状态一次成形时的计算理论变形之间的差值（附加变形可正可负）；深化时桁架的节点坐标施工图节点理论坐标设计预起拱施工阶段各节点附加变形。3）结构端部支座侧向预偏量：根据结构位形与钢柱对接精度控制技术对支座进行侧向预调，可减小结构卸载后支座与设计位置的偏心。4.5 自动卸载与顶推滑移动态控制要点1）结构在卸载钢制斜坡上存在自动卸载与顶推滑移2个动态过程，动态控制包括顶推位移与自动卸载量数值匹配和各顶推点位移同步控制。2）顶推位移与自动卸载量数值匹配是指滑靴顶推位移s与结构自动卸载量h的比值应为卸载钢制斜坡坡度i的倒数，即1/i；若s/h大于1/i，说明滑移过程中结构未同步完成自动卸载，需暂停滑移，检查并分析与仿真模拟状态不一致的原因。3）顶推点位移同步控制是指控制钢结构所有顶推点的位移误差在要求的范围内。调节不同步值取10 mm，即顶推点不同步值超出10 mm时，系统停下，操作人员检查滑移通道是否存在障碍，待情况明确后启动系统单点单动功能，直到所有顶推点不同步值在10 mm以内后继续滑移。4）采用激光测距和人工观测相结合的方法控制同步，在滑移过程中，用激光测距仪每4 s对3条轨道同一时刻同时测量，计算机根据测量数据对油泵发出指令，调整爬行器的顶推速度，实现爬行器的同步。同时爬行器一个行程结束后，停止顶推，观测人员根据事先在滑道梁上做好的标记进行测量，监测顶推不同步量。5）采用全站仪直接照射设置在位移监测点上的反射片，观测滑移阶段结构自动卸载量，并根据同一时间段激光测距和人工观测得到的滑移量计算得到顶推位移与自动卸载量的数值匹配度，判断自动卸载过程是否与仿真分析一致。若发现匹配度偏低，应立即停止滑移阶段自动卸载施工，由操作人员和现场技术人员排查原因，并分析是否存在安全质量风险；待故障排除或分析得到无安全质量隐患后继续施工，完成结构滑移阶段自动卸载施工。5 结语本技术操作简单，适应范围广。通过在短滑轨端部设置钢制斜坡，仅依靠桁架自身重力作用即可完成滑移过程中自动卸载的目的，无需额外人员投入，操作简单。通过钢制斜坡坡度及长度的合理设置，可适应不同的卸载量需求，适应范围广。本技术安全风险小，作业效率高。通过在短滑轨端部设置钢制斜坡实现结构自动卸载，可有效弥补传统液压千斤顶卸载效率低、精度控制差、高空作业风险高的缺点，能够充分保证结构滑移及卸载施工中的安全性，大大提升卸载和滑移施工效率，有效缩短施工周期。本技术滑移阶段自动卸载系统的构造简单、措施投入少，可节约大量额外卸载措施安拆、杆件加固等措施和设备、人员投入，经济效益高。1 余少乐,郭春,吴量,等.盐城南洋机场T2航站楼主体钢结构施工技 术J.钢结构,2019,34(2):90-94.2 林冲,钟兴汉,何小东,等.桂林两江机场T2航站楼大跨度巨型钢 拱屋盖分段卸载模拟分析及施工技术J.住宅与房地产,2017(36):204.3 余波,晋惠,郭翔.大剧院钢结构屋盖卸载模拟及应力监测J.四川 建筑,2019,39(2):200-201.4 蒋跃楠,刘华,李水明.天津滨海国际机场T2航站楼主楼屋盖钢网架 施工分析J.施工技术,2017,46(18):22-25.5 游桂模,周观根,张珈铭.郑州新郑国际机场T2航站楼主楼钢屋盖施 工数值模拟分析J.施工技术,2016,45(14):27-30.郭得旺、胡原珲、吴坤:大跨度屋盖钢结构滑移阶段自动卸载技术的研究与应用