潮汕机场航站楼钢屋盖整体提升技术

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1 工程概况潮汕机场位于广东省揭阳市，航站楼屋顶为空间多曲面焊接球网架结构，正放四角锥形式，沿中轴线方向长约315m，垂直于中轴线方向宽约280m，其中在航站楼东南端入口处有约20m的室外悬挑屋顶(见图1)。在指廊和航站楼的主体连接处，设置1道温度缝，将整个航站楼屋顶分为两部分。屋面网架通过支座由钢筋混凝土柱支撑，钢筋混凝土柱沿航站楼中轴线对称布置，对应于网架支座点标高不同，单边柱顶标高各不相同，为13.8～17.6m。支承柱分斜柱和直柱，网架周边支承柱为方形截面向外斜柱，中柱为圆形钢筋混凝土直柱。钢屋盖采用分区整体提升施工方案，综合考虑结构特点与地面拼装的方便性，将结构分为4个区域进行整体提升，提升分区如图2所示。其中单块提升面积最大为11 592m2，最大提升质量约为754t(A3区)。2 整体提升方案潮汕机场整体提升总体思路为:将钢屋盖分为4个提升单元，利用72根混凝土柱作为提升支撑点，土建施工阶段于混凝土柱顶部设置提升用预埋件，安装提升上下吊点与液压设备，分区同步提升各单元至设计位置，补装支座周围杆件，逐级卸载使提升单元落位于框架柱上，按B区→A1区→A2-1，A2-2区→A3区的提升顺序完成各单元提升，补装各区交界处杆件，网架结构整体成型。2.1 提升步骤潮汕机场航站楼整体提升步骤为:各分区提升单元在地面拼装胎架上散拼网架杆件及下吊点设置，提升架及液压设备安装，利用钢绞线将上下吊点连接，经过分级加载试提升并静止4h后，正式提升直至网架达到设计位置，补装支座周围杆件，然后分级卸载使网架落位于混凝土框架柱上。2.2 提升难点及需解决的关键问题潮汕机场航站楼整体提升的主要难点表现在:①提升面积大，提升点多，各点提升力分布不均匀，给提升过程的力和位移控制带来难度。②框架柱为斜柱且支座中心与混凝土柱中心存在偏心，为避免提升过程中杆件与提升架相碰，各点预埋件位置设置不一且不规则，导致提升架设计量大而复杂。③各点提升荷载对于框架柱为偏心荷载，导致柱承载力降低，柱顶变形增大，增加了提升的风险和难度。整体提升方案实施过程中需解决的问题:①提升点选择、提升力确定和提升设备布置;②提升过程不同步验算;③提升架预埋件设计;④设计用于架设千斤顶的提升架和平台;⑤提升下吊点的设计与验算;⑥提升过程混凝土柱承载力验算。3 提升过程分析3.1 同步提升过程分析为了得到各提升点的提升力，根据实际分区情况建立ANSYS有限元模型，增加下吊点分配梁单元，该单元节点与相应杆件端节点耦合，分配梁上建立Link10单元模拟提升钢绞线，对钢绞线上节点建立竖向约束。网架自重施加在钢屋盖有限元模型上，拉索上节点支座反力即为提升力。分析结果表明同步提升过程中杆件应力与结构位移均满足要求，对少数几根应力比超过0.85的杆件在提升过程中予以加固。加固措施为:在杆件外周用角钢和缀板焊接成格构件，格构件分担部分被加强杆件的荷载，同时提高其稳定性。3.2 施工成型状态分析潮汕机场采用地面拼装、分区提升和高空补装部分杆件的施工方案。采用ANSYS中生死单元法进行整体提升和施工成型状态分析，分析结果表明采用该方法成型后结构总体应力比较低，但部分杆件应力较大(见图3)。由图3可知，应力比值大部分为0.15～0.3。为保证结构使用阶段安全性，对施工成型状态下应力比超过0.5的杆件予以替换。3.3 提升过程不同步验算为防止提升点不同步对结构稳定性和承载力造成不利影响，在提升位移允许偏差值范围内进行不同步提升验算，计算分析网架杆件应力是否处于弹性范围内，提升设备能力是否满足超载要求。根据穿心式千斤顶要求，相邻2个提升器允许差值为相邻距离的1/250，且≤25mm，本工程设定不同步提升位移允许偏差值为20mm。利用ANSYS提供的参数化设计，循环选择各提升点作为标准提升点，该点位移差设置为20mm，其他点位移差为0，得到各种工况下杆件应力比与结构位移值。经计算若提升过程中提升点间存在不同步，各点提升力明显大于同步提升时，局部少量杆件存在失稳，因此应选择满足不同步提升要求的提升设备，对验算中应力比超过0.85的杆件予以加固。4 提升预埋件设计混凝土框架柱作为提升架的支撑点，为将钢结构提升架所受提升力有效传递至混凝土柱，在土建施工阶段将预埋件设置在框架混凝土柱内。预埋件的平面布置考虑与结构支座预埋件以及结构杆件避开，预埋锚固件形式有钢筋和型钢两种(见图4)。5 提升架设计网架结构下弦交点与混凝土柱顶齐平，为将屋盖提升至设计位置，必须在混凝土柱上架设提升架。提升架为千斤顶提供工作平台，同时把千斤顶传来的荷载传递至混凝土柱。网架成波浪形，综合考虑各提升点分配梁高度、柱顶至提升杆件端部节点高度，球节点大小得出各点提升架高度，提升架高度3.2～6.4m。图5为其中的一个典型提升架。6 提升下吊点设计提升下吊点即为连接网架结构杆件，并通过柔性钢绞线将网架自重传至提升架。根据提升点位置将下吊点分为两种类型:①通过分配梁与网架焊接球连接;②通过吊耳直接与球节点连接(见图6)。7 提升过程混凝土柱承载力验算为达到建筑要求，结构框架柱分为斜方柱与直圆柱两种类型。提升过程中提升力通过提升架最终传至混凝土柱中，由于提升点与混凝土柱中心存在较大偏心导致偏心荷载较大，此受力状态与结构设计状态有较大差别，对此根据提升过程分析确定的提升力对各混凝土柱进行了承载力验算。以提升点BZ1为例，提升过程中混凝土柱最不利内力组合下，柱截面最小配筋为x向:940，y向:1240，实际配筋为x向:1040，y向:1240，经计算在提升过程中原结构混凝土柱满足提升过程对承载力的要求，无需采取其他加固措施。8 液压同步控制措施液压整体提升过程采取以下技术措施保证提升点间尽量同步，不同步位移偏差控制在20mm之内;①一个泵站给3～4台千斤顶供油，通过同步阀的调节可保证随提升荷载的不同，油泵可调，缸体同步;②泵站与泵站间按统一指挥开动提升，并辅以小行程200mm和大行程500mm分段控制，分段消除提升差异;③每一泵站区设置控制垂度尺，在提升钢绞线上标记刻度，刻度的最小单位为500mm。提升时观测各提升点的钢绞线缩短量，控制各吊点的不同步差在允许值范围内。9 结语1)采用地面拼装、分区提升、高空补装的施工方案，其施工成型状态与设计成型状态存在差异，应进行施工过程分析，并对提升过程和施工成型状态下应力比超限的杆件予以加固或替换。2)提升过程中下部支撑结构受力与设计荷载下不同，应根据提升系统与提升力进行下部支撑结构承载力验算，确保施工过程结构的安全性。3)结构对于不同步提升具有很强敏感性，提升过程中应采取相应措施保证提升点间不同步差在允许范围内，并做好测控工作，密切关注关键结构的位移和应变情况，及时反馈到提升控制中心。