受限环境下重型钢桁架液压同步顶推滑移施工技术

文/上海二十冶建设有限公司

苏州科技大学土木工程学院

山东科技大学能源与矿业工程学院

山东科技大学矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地

山东正元建设工程有限责任公司

中化地质矿山总局山东地质勘查院

孙国梁,宋文智,吴迪,邱月,高胜娟,刘亚龙,吴卫卫

国家自然科学基金 （51708310）

上海市青年科技启明星计划（19QB1401700）

1  工程概况

昆山花桥梦世界一期项目7号楼工程（宴会厅），总建筑面积19101㎡，为全现浇框架混凝土结构，建筑总高度22.15m。宴会厅西侧为施工道路且外墙距围墙净宽约11.7m，其余3面为地下室，钢桁架支座安装高度为20.1m，已建建筑侧墙高24.2m，施工场地受到很大限制，同时单榀钢桁架重达53.6t，长30.5m，共14榀，钢桁架屋面积约2031㎡，钢结构重约1013t。宴会厅周边环境如图1所示。

图1  宴会厅周边环境示意

2  工程难点分析

1）难点1  钢桁架需分段运输，分段后的构件在地面拼接需较大的拼装场地，而现场除1条道路外，其余3面均为地下室，顶板无法承受结构拼装荷载，可能造成混凝土结构裂缝，影响结构安全，要合理设置拼装胎架。

2）难点2  由于建筑物前道工序已经完成，受建筑高度及道路净宽影响，钢结构屋面安装无法直接选用大型起重机吊装到位，将钢桁架安全吊装至设计安装位置较为困难。

3）难点3 钢桁架外形尺寸约30.5m×0.5m×2.48m，钢桁架上部建筑侧壁宽度为30.6m，因此，钢桁架在滑移过程中必须保持严格同步，否则会造成钢桁架与建筑侧壁碰卡。

3  分段拼接技术设计

?? 3.1  拼接胎架设置

3.1.1 拼装胎架设计

受施工场地制约，拼装胎架设置在地下室顶板上，受地下室顶板设计荷载限制，必须增大受力面积以满足单位面积荷载要求。首先根据地下室顶板设计参数，确定荷载要求，计算钢桁架、拼装胎架、基础等荷载，确定最小受力面积。根据计算结果布置砂箱提高受力扩散面积，在砂箱内部根据计算高度填充相应厚度干砂，上表面用20mm厚钢板覆盖，将H型钢置于钢板上表面，焊接固定，形成卧拼胎架。拼装胎架断面如图2所示。

图2  拼装胎架断面

3.1.2 顶板荷载计算

顶板承受总荷载包括钢桁架、H型钢、钢板、砂箱、面层混凝土及回填土重量、钢桁架长30.5m、重53.6t，采用8棍H型钢作为支撑，每根支撑经砂箱分散受力面积为7.5㎡，作用在边跨支撑上的质量约为中间支撑的一半，则中间支撑承受荷载为13.2kN/㎡，恒荷载分项系数取1.3。H型钢长5m，荷载为0.3kN/㎡，20mm厚钢板荷载为1.57kN/㎡，200mm厚砂荷载为3.4kN/㎡，300mm厚回填土荷载为6kN/㎡，200mm厚C25混凝土荷载为5kN/㎡。合计顶板恒荷载为29.47kN/㎡。

1）竖向荷载作用面的计算宽度为5950mm，竖向局部均布荷载值为14.684kN/㎡。

2）按弹性力学重三角级数解法计算局部荷载下的等效均布荷载。x向等效均布荷载为18.01kN/㎡；y向等效均布荷载14.68kN/㎡。等效均布荷载取18.01kN/㎡，小于设计荷载23kN/㎡，满足要求。

??3.2  焊接防风控制

施工现场拼接位置焊缝为一级焊缝，在焊接施过程中，风力为影响焊接质量的重要因素。项目部开发一种便携式焊接防风装置（见图3），包括支架和挡风布料，支架由3根杆件组成，第1杆件下部为开口向下的卡槽，上部与第2杆件的一端垂直连接，第2杆件的另一端与第3杆件上部垂直连接。4根支架卡槽分别安装在钢柱四面耳板上，并与耳板、夹板和钢柱卡紧，2根相邻的第3杆件之间各固定1块挡风布料。

图3  便携式焊接防风装置

第1杆件下部为C形卡槽，上部为C形杆，第2杆件为C形杆，第3杆件为矩形方管。第1杆件上部C形杆与第2杆件通过螺栓转动连接，且第1杆件上部C形杆腹板开有方槽，支撑第1，2杆件保持垂直状态。第2，3杆件通过螺栓转动连接，且第2杆件腹板开有方槽，支撑第2，3杆件保持垂直状态。第3杆件方管宽度小于第2杆件C形杆内侧间距且第3杆件方管长度小于第2杆件C形杆，以便将第3杆件折叠收入第2杆件内。第3杆件上部与下部均开有通孔，使用钢丝绳穿过通孔将挡风布料与第3杆件连接。通过使用该装置，可保证焊接施工质量，提高钢桁架整体质量。

4  钢桁架顶推滑移施工技术

?? 4.1   滑移轨道设置

1）首先进行测量放线，在支座梁上采用经纬仪标出钢桁架纵向、横向中心线。滑移轨道设置平面如图4所示。

图4 滑移轨道设置平面

2）安装成品抗拉球铰支座。

3）滑移轨道采用482mm×300mm×11mm×15mm H型钢平卧式放置在支座梁上，H型钢下方设置槽钢，以整体抬高H型钢腹板高度，切割掉成品抗拉球铰支座（700mm×700mm×190mm）位置处H型钢下部翼缘板，以跨越支座。H型钢与下部［10焊接，槽钢与支座梁采用螺栓固定，槽钢间距约800mm。顶推滑移布置如图5所示。

图5 顶推滑移布置

4）H型钢腹板上焊接止退挡块，共2排，间距500mm，挡块前端作为止退座受力作用点，该处不焊接，止退挡块两侧与H型钢腹板满焊。H型钢腹板上止退挡块布置如图6所示。

图6 H型钢腹板上止退挡块布置

5）止退座采用28mm厚钢板制作，后下方以滑移轨道上的止退挡块为受力作用点，前端销孔与液压缸通过销轴连接，下部斜板设计方便液压缸回缩时，带动止退座向前而不受挡块影响。止退座制作如图7所示。

图7 止退座制作

6）滑靴采用28mm厚钢板制作，板面尺寸与钢桁架支座底板一致，底部采用3条受力立板与滑移轨道腹板接触，对3条立板前端进行倒角处理，方便滑移过程中消除卡阻，立板高度大于H型钢上部翼缘板，即滑移过程中受力的为3条立板。滑靴与钢桁架支座底部断焊固定，放置在滑移轨道初始钢桁架吊装就位位置。

?? 4.2   顶推节点受力分析

每2榀钢桁架连接成1个滑移单元，进行分段滑移，在受力分析时，考虑每组滑移单元的竖向荷载约1500t。屋架最大滑移摩擦力出现在全部拼接完成后，此时屋架总重约150t。滑动摩擦的起动牵引力为330.75kN。

采用2台液压油缸同步顶推时，每台液压油缸推力需166kN，此时应选油缸内径为280mm，系统压力为10MPa，可提供616kN的推力，满足现场顶推力需要。

采用ANSYS 12.0软件进行有限元分析，如图8所示，从应力云图中可以看出应力较为集中且较大，采用整体滑移的方式涉及超应力杆件较多，整体滑移会给施工带来安全隐患，因此采用分段滑移方式进行施工；从变形云图可知，产生的最大变形小于1.5mm，在允许范围内，不会对工程造成影响。

图8 有限元分析结果

?? 4.3  钢桁架吊装及滑移单元组装

由于受环境限制，建筑物女儿墙24.2m，道路宽11.7m，经多次测算推演，主吊机械采用GUY260t履带式起重机。首先采用36m臂长履带式起重机将整榀钢桁架从拼接场地带载行走转移至临时堆放区，该位置设置在履带式起重机定点吊装范围内。在钢桁架吊装过程中，履带式起重机不允许带载行走，吊装就位时需将履带式起重机臂长接至60m。履带式起重机行走路线及吊装位置道路为混凝土道路，地基承载力经验算满足荷载要求，并满铺20mm厚钢板作为加强措施。

吊装时，采用4点4根钢丝绳起吊，吊装前准备工作就绪后，首先进行试吊，吊起高度为100～300mm时停吊，检查索具牢固性和吊车稳定性。经确认无误后方可指挥起重机缓慢升钩，起吊过程中利用人工拉紧4个方向的稳定缆绳，防止桁架侧向摆动。将钢桁架梁吊至牛腿结构梁上方，再缓慢回落就位，钢桁架支座就位在滑靴上，检查钢桁架底座与轴线，精确定位后，利用型钢临时固定，吊钩回落摘掉卡环，进行下一榀钢桁架吊装。

2榀钢桁架间距测量调整结束即可开始安装钢桁架间联系杆件，高强螺栓应自由穿入螺栓孔内，穿入方向一致，高强螺栓连接副组装时螺母带圆台面的一侧应朝向垫圈有倒角的一侧。扭剪型高强螺栓的拧紧分初拧、复拧和终拧。初拧扭矩为施工扭矩的50%，复拧扭矩与初拧扭矩相同，初拧和复拧过的高强螺栓应用颜色做标记，然后采用专用扳手进行终拧，直至拧掉螺栓尾部梅花头。高强螺栓的拧紧应在同一天内完成。

?? 4.4  液压顶推同步滑移施工

1）液压顶推油缸采用2台TLPG 1000型爬行推进器，分别设置在2条滑移轨道上，油缸的无杆腔侧与钢桁架支座处焊接顶推耳板采用销轴连接固定，活塞杆侧与止退座用销轴连接。止退座放置在滑移轨道上，通过焊接在滑移轨道上的止退块提供反作用力。

2）在液压油缸上设置拉线式位移传感器，通过网线连接至液压站PLC，通过PLC传输至电脑。

3）液压站与液压油缸之间采用软管连接，液压油缸随着滑移单元向前，软管长度对液压系统响应有一定影响，因此，为缩短软管长度，液压站放置在钢桁架下方随着滑移一同向前。

4）首先调试液压站，通过方案计算，设置液压系统压力10MPa，锁紧压力2MPa，锁紧距离为100mm，设置液压油缸相对位移470mm。

5）通过指挥启动液压滑移程序，首先执行锁紧命令，即两边滑移轨道上止退座完全顶紧在止退挡块上，锁紧压力为2MPa，防止两边液压油缸动作时响应不一致造成不同步。检查确认锁紧后，由指挥发出顶推指令，系统同步顶推至设定位移，然后液压油缸回缩，再次锁紧，执行下一次顶推动作，直至滑移单元到达指定位置。

6）拆除液压油缸及液压站，安装至下一滑移单元组执行上述滑移动作。

?? 4.5   钢桁架及联系杆件应力监测

1）顶推器装在前一榀桁架支座上，支座与轨道的摩擦系数取值0.2，分7次滑移。采用SAP2000对滑移工况进行模拟分析，荷载为结构自重，分项系数取1.4。滑移各支点反力如表1所示。

2）根据有限元分析结果选取应力变形监测点，在第1，2榀之间选择4根联系杆进行应力监测，每根联系杆布置2个表面式应变计，共8个应变测点。

3）施工过程监测数据实时上传云端，监测结果小于预警值。应力监测结果表2所示。

经现场实际监测整个液压顶推滑移过程未出现超应力杆件，监测变形均在预警值范围内。

?? 4.6   钢桁架卸载及次梁连接施工

4.6.1滑移轨道拆除

1）钢桁架全部滑移到位后即可拆除滑移轨道，滑移轨道为分段式拆除，即以钢桁架间距为1个节距，火焰切割支座两端滑移轨道。

2）在2个钢桁架上分别设置吊带或钢丝绳，悬挂2组倒链，用下部倒链挂钩吊住切割后的滑移轨道，两侧倒链同步上拉，受力后，施工人员操作登高车下降，重新调整位置，再次升高，操作倒链将滑移轨道降至楼面上。

3）滑移轨道拆除后，仍有1段滑移轨道压在钢桁架支座下方，此时在支座两侧焊接顶升支座。

4）安装液压千斤顶，同步顶升180mm，此时钢桁架支座与滑靴分离，由作业人员将滑靴及支座下一小段滑移轨道吊离。

5）操作液压千斤顶，同步下降，每下降50mm，调整1次，直至钢桁架支座完全就位在成品抗拉球铰支座上。

4.6.2 分段滑移组之间钢构件连接

1）采用2榀钢桁架组成滑移单元分别滑移至安装位置，桁架组之间的钢构件无法采用起重机直接吊装。因此，将材料和构件从一端直接吊至楼面，再水平运输至吊装位置。

2）根据现场特点开发一种可在钢桁架上安装的垂直提升拔杆，现场最重构件次梁规格为H400×200×7×11，长度为3.6m，重200kg。

3）钢桁架上表面为500mm宽，两侧边缘高50mm，将可滑动拔杆在端头组装好（见图9），通过调节滚轮，使4个滚轮受力，两侧导向槽钢锁紧顶丝离开钢桁架上部翼缘。由于配重块的平衡作用，整个提升装置处于稳定状态。为实现吊装装置在钢桁架上自由移动，首先拔出钢套筒销轴，解除外部钢套筒和内部钢管立柱之间的连接，由人力拉动支座上定滑轮绳索，绳索下部与固定在钢管立柱上定滑轮固定，提升内部钢管立柱，当销孔高于中部连接板时插入销轴，此时内部146×10钢管立柱已离开钢桁架表面，然后推动拔杆底座向前滑动，移至吊装位置，再拆除销轴将内部钢管立柱回落在钢桁架上，重新穿好销轴，旋转滚轮手柄，提升滚轮离开钢桁架，最后将配重块搁置在已安装一侧次梁上，并将可拆卸斜腹杆与次梁螺栓连接，即可开始吊装作业。在吊装悬臂挂钩处设置倒链，并作为提升工具。在吊装工具2个横梁上分别设置倒链，分别将钢构件的一端连接固定，进而同步提升，实现钢构件安装。

图9 钢构件提升拔杆

4）在挂钩位置设置定滑轮，在楼板上采用卷扬机作为动力牵引次梁提升，安装次梁及其余构件。

5 结语

昆山花桥梦世界一期项目7号楼工程采用重型钢桁架液压顶推滑移施工技术，对比采用高空分段拼装累积滑移技术，其安全性大大提高，地面拼接施工质量有保证，施工速度快，可避免在建筑内搭设拼装胎架及对楼板采取保护性支撑措施。