北京大兴国际机场南航基地第—标段机务维修设施项目位于北京市大兴区榆垡镇、礼贤镇和河北省廊坊市广阳区之间, 总建筑面积200 576.71m², 由10个单体建筑组成, 如图1所示。其中1号机库及附楼工程坐西朝东, 由机库大厅及沿后山墙、两侧山墙全长贴建的附楼组成, 占地面积60 635.28m², 总建筑面积110 171.11m²。机库大厅平面尺寸404.5m×97.5m (轴线尺寸92.5m) , 平面上三边支承, 面向机坪的一侧开敞, 大门开口边跨度221.5m+183m。屋盖网架采用斜桁架、大门桁架和一字桁架组合结构体系, 传力路径降到最短, 提升了结构效率, 屋盖总用钢量相比普通平板网架减少了近1 500t。

机库大厅屋盖采用平面桁架及单层斜放四角锥网架构成的组合结构体系, 机库大厅支承体系由箱形混凝土柱、四肢钢管混凝土柱、双肢格构钢柱及柱间支撑组成。屋盖桁架体系由沿进深方向设置的4道45°斜向桁架及沿大门开口边设置的下沉式大门桁架、沿结构纵向设置的一字桁架构成, 如图2, 3所示。大门桁架截面总高度11.5m, 下沉3.0m, 上弦中心标高38.500m, 下弦中心标高27.000m;斜桁架及一字桁架截面高度8.5m, 上弦中心标高38.500m, 下弦中心标高30.000m (见图4) 。在上述桁架的基础上布置的单层斜放四角锥网架, 厚4.25m, 基本网格尺寸6.0m×6.0m, 上弦中心标高38.500m, 下弦中心标高34.250m。除大门边桁架上、下弦杆及斜桁架下弦杆采用焊接箱形截面, 腹杆根据内力大小采用圆钢管、焊接H形截面或焊接箱形截面, 节点采用栓焊节点外, 斜桁架、一字桁架及屋盖网架均采用球管结构, 节点采用焊接球节点。网架杆件最大规格为550×30, 最小规格为102×4, 网架球最大规格为900×36, 最小规格为300×12, 网架共计13种圆管、10种焊接球, 钢材材质Q345B。大门桁架箱形构件最大截面为□800×800×100, 最小截面为□500×320×16, 主要钢材材质Q420B。

机库钢结构工期仅6个月, 安装工程量总计约10 700t。现场倒运、吊装、拼装数量大, 在满足工程施工质量和施工安全的前提下, 必须力保施工工期。由于工程量大、施工工序复杂, 考虑施工实施阶段的施工环境及作业条件, 在既定工期内完成结构施工难度非常大。

针对该施工难点提出如下对策。

1) 编制灵活的加工计划制定严谨的加工工艺, 根据施工进度计划编制构件加工计划, 关注施工现场动态, 根据施工现场实际情况快速对加工进度做出调整。

2) 配备大中型机械设备根据现场施工进度情况, 配备足够的大中型机械设备。

3) 人力资源配备根据现场施工分区及进度情况, 提前安排施工队伍及管理人员进场, 劳务队优先选择参与过类似机场施工的队伍。

4) 多点、多面同时作业埋件、钢柱、支座、屈曲支撑等钢结构深化和施工提前插入, 待条件成熟, 钢屋盖结构也提前插入, 在现场提前完成钢屋盖的小拼工作, 以节省拼装占用的工期。

5) 吊装单元划分尽量减少高空作业和零散杆件的吊装, 将主体结构按施工机械的最大起重能力尽量分为大吊装单元。

6) 合理规划有限施工场地对现场的小拼场地、施工道路、拼装场地等进行合理规划, 充分利用有限场地, 各场地道路间不得相互制约。

7) 加强现场质量管理现场工作人员全部持证上岗, 焊工必须经过考试, 合格后方可上岗;检查所有设备, 确保运转正常;准备充足、优质的工程材料, 制定严谨的施工工艺, 创造良好的作业环境。

8) 选择最合理的施工方法经多种方案比较, 并配合大量的施工模拟验算, 决定采用地面拼装+局部吊装 (西侧边桁架) +整体提升的施工方法, 确保工程质量, 加快工程进度, 降低工程成本。

本工程结构形式复杂, 杆件多, 包括圆管杆件、焊接球、焊接箱形截面、焊接H形截面、支座、屈曲支撑等构件, 钢屋盖焊接球共10种, 共计4 358个球;连杆钢管共13种, 共计18 905根。大门桁架由箱形构件和焊接H型钢组成, 最大截面尺寸为□800×800×100和H500×450×12×25, 共计26种, 其中板厚40, 56, 66, 100mm的钢板材质为Q420B, 其余材质为Q345B。工程使用的材料规格品种多, 加工量大, 深化设计、加工制作管理难度大。

针对该施工难点提出以下对策。

1) 积极与设计单位配合进行深化设计及构件选型工作, 做好深化设计环节控制, 使施工详图更好地体现设计师的意图, 确保工程顺利完成。

2) 杆件较多, 设计图中仅给出单线图及相应节点, 加工前须利用Tekla Structures软件对结构进行1∶1三维建模, 并生成相应的加工杆件, 以确保拼装精度及构件的空间状态。

3) 对于钢管构件, 建立模型, 数控下料, 采用数控六轴管相贯线切割机进行相贯口切割, 全过程为自动化操作, 切割精度高, 坡口在加工过程中一次成型。现有数控六轴管相贯线切割机最大切割管径为800mm, 满足本工程要求。

4) 深化出图时注意比对焊接空心球模型, 注意区分加劲肋。

5) 与专业厂商联系, 保证支座、屈曲支撑等供货及时畅通。

6) 编制专项加工制作工艺, 保证构件加工质量。

7) 为本工程的加工焊接进行焊接工艺评定, 根据评定结果和工艺指导书进行构件加工过程控制。

8) 确定各分块责任人, 专人专管, 确保各个环节流畅。派专人分别进驻加工厂, 掌握实时加工进度和加工质量。

选择哪种施工方案能够最大程度地确保工程质量和施工安全, 加快施工进度以及降低工程成本, 是本工程的难点。

为确保工程质量, 加快工程施工进度、为后续工作创造条件, 降低工程成本, 确保施工安全, 本工程钢屋盖采用地面拼装+局部吊装 (西侧边桁架) +整体提升的施工方法 (提升尺寸为398.50m×88.75m, 提升面积35 400m², 提升质量为7 200t) 。

具体做法为:采用起重机将各拼装单元在机库地面上对应的投影位置进行组装, 待各单元拼装焊接完成后, 将大厅屋盖网架单元先提升3m高, 使其顶面与桁架结构顶平, 然后将屋盖网架与大门桁架对接拼焊 (即第1次提升合龙) ;待二者整体拼装焊接完成后利用液压提升支架进行整体提升 (即第2次整体提升就位) 。

本工程机库跨度大, 整体提升吊点如何布置, 同步性如何控制是工程的难点。应对措施如下。

1) 提升吊点布置共布置31个提升点, 25个正式提升点, 6个临时提升点, 分别布置在大门桁架和大厅网架部位。

2) 提升设备布置经计算, 本工程整体提升共使用千斤顶52台, 其中100t千斤顶14台, 200t千斤顶8台, 350t千斤顶30台。

3) 安全系数储备大提升油缸使用系数最低为1.29, 钢绞线的安全系数最低为3.02。

4) 整体提升同步控制 (1) 采用位置同步控制策略, 在计算机控制系统软件设计时, 各提升吊点间采取位置同步控制策略, 使提升结构的位置保证同步, 相邻提升点同步误差控制在10mm内; (2) 测量钢结构位置时, 使用20m长距离传感器, 在20m测量范围内, 测量精度可达0.25mm; (3) 在使用的液压系统中, 使用进口比例阀进行提升速度的控制; (4) 计算机控制系统控制精度高、控制能力强。

斜向桁架、一字桁架及屋盖网架均采用球管结构, 节点采用焊接球节点。杆件及节点较多, 主要为桁架和球、杆节点相贯焊接。杆件均采用钢管, 最大截面为550×30, 最小截面为102×4, 球最小规格为300×12, 最大规格为900×36。所有球与杆件焊接在施工现场完成, 机库桁架部分最大板厚达100mm, 材质Q420B, 整体工程焊接量大, 焊接要求高, 焊接质量控制是本工程难点和重点。提出如下措施。

1) 制定详尽的焊接方案, 包括焊接工艺评定计划, 将本工程用到的以前未评定过的母材进行评定。

2) 严格控制焊材采购及使用, 焊接时应采用与母材金属相适应的焊接材料 (包括焊条、焊丝) , 以使焊缝的耐候性与母材金属基本相同。派有经验的专业工程师到现场指导施工。

3) 焊工必须有焊工合格证和安全操作证, 并进场后再次进行焊接考试, 由公司焊接方面专家给予指导评价, 考试合格的焊工配发上岗证, 焊工必须持双证方可施焊。

4) 焊接顺序与吊装顺序协调一致, 考虑焊接技术与测量数据, 制定焊接顺序, 尽量减小收缩应力等不利因素, 焊接顺序应尽可能均衡对称, 并尽量减少工地焊接。网架应先焊主管再焊次管, 先焊接变形量大的杆件再焊接变形量小的杆件。尽量采取对称焊接, 提高焊接质量。

5) 采取反变形措施。在约束焊道上施焊应连续进行;如因故中断, 再焊时应对已焊的焊缝局部做热处理。采用多层焊时, 应将前道焊缝表面清理干净后再继续施焊。

6) 严格执行钢结构工程质量验收规范和焊接技术规程规定, 并按相关操作工艺实施, 施工防风、预热、焊后保温等措施严控实施。

机库大厅钢屋盖采用由大门桁架及单双层斜放四角锥网架构成的组合结构体系, 安装高度高, 结构跨度大, 结构安装精度控制难度较高。应对措施如下。

1) 制订详细的测量方案, 由技术负责人审批确定后方可实施。

2) 优选有相关测量经验的工程测量人员。

3) 配备高精度的测量仪器, 必须符合测量规程和规范要求。

4) 设置多个测量控制点, 且控制点宜设置在主体结构以外, 防止主体结构沉降、徐变等对测量精度产生影响。

5) 进行细部测量控制, 包括网架小拼控制、中拼控制、安装控制、卸载控制等, 在网架上贴反光片做点, 提高测量观测精度。

6) 及时对网架施工过程中的下挠值进行监测, 确保网架下挠在合理范围内。

本工程钢屋盖采用整体提升方案进行安装, 整体提升过程中需要架设大量的临时竖向支撑, 支撑高度较高且支撑量大。采取如下措施。

1) 提升支撑选用格构式标准节及609×16钢管组合, 经过验算均满足承载力要求。

2) 支撑下设计有独立基础, 独立基础下部级配回填后, 做地基承载力检测, 满足地基承载力≥150kPa的要求。

3) 拉设缆风绳, 保证临时支撑架设过程中的稳定性。

4) 对分步安装步骤进行计算, 通过模拟计算安装过程, 找出安装过程中薄弱的环节和节点, 加强控制。

经过对结构进行分析, 综合现场实际情况, 对以下3种方案进行比选。

优点为: (1) 大门桁架、斜桁架、一字桁架组成屋盖的主要受力体系, 将其分段, 使用大吨位起重机安装, 符合设计思路, 使施工与设计受力状态保持一致; (2) 桁架在地面拼装, 然后分段就位安装, 作业效率高。缺点为: (1) 需要使用600t以上的大吨位起重机, 对地面承载力要求高; (2) 除桁架分段吊装外, 单层网架需高空散装, 高空散装脚手架搭设面积大、高度高、成本高; (3) 网架高空与桁架对接安装难度大, 对拼点多, 质量难以保证; (4) 高空安装安全风险大; (5) 机电等设备均在高空安装, 不利于整体工期。

优点为: (1) 将原结构柱作为提升点, 可以节省提升塔架的费用; (2) 施工状态和设计状态受力接近; (3) 大量工作在地面完成, 施工质量、安全有可靠的保障; (4) 屋面机电管线在地面安装, 随提升同步施工, 有利于整体工期。缺点为: (1) 如将原结构柱作为提升点, 需在柱顶做提升支架和工装, 由于柱顶为支座节点, 空间较小, 提升支架设置困难, 且提升到位后, 嵌补杆件安装也存在困难; (2) 屋盖周边支撑钢柱较多, 所有钢柱部位均需设嵌补段, 嵌补节点多。

西侧一字桁架分段吊装, 屋盖其余部分整体提升

优点为: (1) 网架结构全部采用地面拼装, 高空作业量小, 质量、安全有可靠保障; (2) 使用提升塔架进行整体提升, 高空嵌补杆安装与提升点位置不冲突, 高空安装便利; (3) 西侧边桁架分段吊装后, 减少了钢柱部位的高空嵌补段, 将嵌补区域转移到单层网架区域, 有利于保证钢柱及柱顶支座节点的安装精度; (4) 屋面机电管线可以在地面安装, 难度大大降低, 质量、安全有可靠保障, 并和网架穿插作业, 不影响整体工期。缺点为: (1) 提升塔架用量大; (2) 整体提升同步控制难度大。

通过上述分析, 综合考虑质量、安全、工期、成本和现场实际情况等各项因素, 结合类似工程经验, 本工程最终选择方案3。对于本方法中存在的提升塔架用量大的缺点, 利用现有部分提升塔架, 其余塔架采用租赁的方式解决, 从而减少新购材料费用。本工程钢结构施工方案为:屋盖西侧边桁架分段在地面进行拼装, 使用250t履带式起重机分别吊装就位, 屋盖其他网架部分和大门桁架分别在地面进行原位拼装, 在地面设置提升塔架, 将拼装完成的屋盖网架整体提升3m后, 与大门桁架进行对接, 然后将对接完成的屋盖结构再次提升到设计位置, 提升到位后, 安装屋盖结构与提升塔架、钢柱及边桁架间的嵌补杆件, 安装完成后卸载, 拆除提升塔架, 钢屋盖施工完成。

将屋盖地面拼装分为6个区, 分别为2个大门桁架拼装区、2个大厅网架拼装区和2个边桁架拼装区, 每个区再细分小拼区域, 如图5所示。

以轴 (门头中柱位置) 所在轴线为界, 以24m为1个节间, 同时向南、北两侧顺序施工, 在南北两端由西侧向东侧施工, 如图6所示。

1) 使用50t履带式起重机从中间向南、北分别逐节安装西侧钢柱及柱间支撑。

2) 西侧钢柱及柱间支撑安装完成后, 50t履带式起重机开始从西向东分别吊装南、北侧的钢柱及柱间支撑。

3) 50t履带式起重机由轴开始, 拼装西侧边桁架, 250t履带式起重机将拼装完成的边桁架吊装就位。

4) 由轴开始对称向南北两侧同时拼装大门桁架和一字桁架, 起重机向南北两侧后退安装时, 将提升塔架也随拼装一起安装。

5) 将拼装完成的大厅网架部分提升3m, 整体提升质量为7 200t (含马道、机电等附属结构) , 与大门桁架进行对接。

6) 安装大厅网架与大门桁架间的嵌补杆件。

7) 将拼装完成的屋盖网架整体提升到设计柱顶标高位置。

8) 安装大门桁架与中柱之间、屋盖网架与边桁架之间、屋盖南北两侧的嵌补杆件。

网架提升到位后, 大门中柱柱顶位置的大门桁架、L形格构柱柱顶位置及边桁架与网架对接区域需进行合龙。大门桁架合龙顺序如图7所示。

L形格构柱柱顶、其他部位杆件按照安装顺序进行安装。

屋盖支承钢柱与屋盖网架连接节点为球铰支座。根据设计要求, 所有球铰支座的连接螺栓应待库房墙、屋面板施工完毕后, 温度在15～20℃时, 将螺栓初拧后焊接, 焊后将螺栓拧紧。部分支座待其他支座施工完毕, 屋盖变形完成后再就位。屋盖变形完成后就位支座布置如图8所示。

9) 整体卸载, 拆除塔架, 安装塔架位置的嵌补杆件。屋盖钢结构卸载的过程实际上是结构由支承体系转变为自承力体系的过程。卸载工作关系到结构的整体质量和施工安全, 因此十分重要。通过数值模拟对卸载方案进行比较与优化, 结合施工场地的实际条件和结构特点, 确定了卸载方案。利用提升液压千斤顶逐级减荷载的方法进行卸载, 卸载过程分为3步: (1) 调整就位完成后, 嵌补柱顶杆件; (2) 以10%为间隔同时调整所有油缸提升反力, 依次递减, 分10次调整所有油缸提升反力至0; (3) 拆除提升设备及塔架, 最后嵌补塔架位置杆件, 卸载完成。

10) 屋盖网架结构施工完成。

本文介绍了大跨度超重钢桁架与钢网架复杂空间组合结构施工关键技术, 详细分析工程项目的重点和难点, 对钢结构施工方案选择、钢结构流程和提升施工等做了详尽介绍, 为今后类似大跨度超重钢桁架与钢网架复杂空间组合结构施工提供参考。