随着钢结构行业发展, 大跨度钢结构广泛应用于大型体育场、车站、机场等公共设施。其中, 大型悬挑钢桁架安装及卸载技术是大跨度钢结构施工中的难点。

以武汉天河机场T3航站楼钢结构施工为例, 利用计算机模拟和施工现场监测等手段, 制定合理的施工方案, 探讨大型悬挑钢桁架安装及卸载过程中的技术难题及解决方法。

武汉天河机场T3航站楼建筑面积约49.5万m², 屋面投影面积约23.7万m², 东西长约1 220m, 南北宽约388m (不含连廊及指廊) , 建筑高度为41.4m, 建成后将成为华中地区最大航空集散中心, 如图1所示。

航站楼悬挑钢桁架位于主楼屋盖南侧, 如图2所示, 悬挑区域宽度从两侧11.6m均匀过渡至中间39m, 总长度为490.5m, 桁架最高达6.5m, 覆盖面积约13 600m², 总质量1 574t。

由于部分钢桁架构件体积大、质量大、运输困难, 无法一次性在工厂制作完成, 必须以散件形式运至施工现场进行分块预拼装后再吊装, 总计32吊, 分块对接较多, 精度控制要求高。

对策:通过建立钢桁架三维线性模型对施工过程进行模拟计算, 对每个主次桁架相交节点进行预起拱处理, 同时在钢桁架安装过程中, 对桁架各节点实际下挠值进行监测, 并根据监测情况及时调整现场安装。

屋盖悬挑宽度最大为39m, 桁架最高达6.5m, 安装高度最高约40m, 安装难度大。

对策:将悬挑区域钢桁架进行分块吊装, 使用MIDAS/Civil对吊装进行模拟分析, 验算吊装过程中的荷载及变形, 规划出安全合理的安装方案。

1) 吊装区分块 悬挑钢桁架宽度从11.6m均匀过渡至39m, 共216榀主桁架, 悬挑正下方为高架桥区域, 使用150t履带式起重机在高架桥上分块吊装。悬挑区共划分为32个吊装分块, 如图3所示, 其中分块 (1) ～ (7) 和 (26) ～ (32) 完全对称。分块最大质量为40t, 最大安装高度为39.500m (上弦标高) 。

2) 支撑胎架布置 在高空安装桁架时, 支撑胎架位置十分重要。根据钢桁架分块吊装方式, 在每个吊装分块下设置4组支撑胎架。根据定位图, 在楼面上安装不同厚度垫板并焊接牢固, 胎架每段标准节为2m×2m×4m, 下设胎架底座, 上设胎架顶梁节及支撑调节段, 胎架设置在高架桥面上, 如图4所示。

3) 钢桁架吊装 采用MIDAS/Civil对履带式起重机吊装进行模拟分析, 结合现场实际情况, 考虑履带式起重机在高架桥上分块吊装的安装方法, 对桥梁整体结构和桥面局部承载力进行验算。

取吊装作业中履带式起重机行走过的高架桥联进行分析, 取截面积最小的横断面, 将整体箱梁沿着各腹板两侧进行切分, 划分为12道纵向主梁, 取其中1道纵向主梁进行建模计算, 墩顶横梁处按实体横梁进行建模, 并在横梁上支座相应位置建立边界条件, 支座处的约束与设计支座约束一致, 模型如图5所示。

1) 预应力荷载 对各腹板和顶、底板中的纵向预应力进行建模。按照设计图纸中提供的钢束数量、张拉控制力对模型纵梁施加预应力荷载。

2) 履带式起重机荷载 根据施工实际情况对履带式起重机荷载进行布载, 履带式起重机行走时应确保履带不会进入悬挑区域, 在横桥向始终位于支座之间。

3) 汽车式起重机荷载 根据实际施工情况, 结合汽车式起重机在施工过程中的行走路线, 明确2台25t汽车式起重机移动路线。25t汽车式起重机自重30t, 考虑吊装构件质量一般≤3t, 加上吊装质量, 按330kN荷载对车辆荷载进行自定义, 前轴重68kN, 后轴重131kN。

4) 屋盖胎架自重荷载 计算时取最不利工况, 即全部胎架及屋盖自重荷载作用在桥面上。各作用点的支点反力以集中力的形式作用在纵梁上。

经模拟桥梁纵梁在荷载组合作用下的应力分布, 可知其最大压应力σ_cc=8.68MPa≤15.68MPa;最大拉应力σ_ct=1.07MPa≤1.281MPa。因此, 在荷载组合作用下, 各纵梁混凝土应力满足要求。

此外, 计算结果表明, 桥梁在施工荷载作用下各支点反力值均小于设计车道荷载作用下的支点反力值。

悬挑钢桁架安装完成后, 需对支撑胎架进行卸载, 由于桁架呈曲线形, 内、外侧下挠值不同, 若内、外侧胎架同步卸载, 易导致桁架受力不均, 因此, 本工程采用分级卸载方式, 轮流对内、外侧胎架进行卸载。首先整体卸载外排胎架1/3下挠值行程, 观察结构有无异常;然后卸载内排胎架1/3下挠值行程。每次卸载需间隔10min, 依次轮流卸载至屋盖脱离胎架支撑点。具体操作为:当千斤顶顶升撑住钢管下弦杆后, 取出之前支撑桁架钢管支座, 然后各点位分阶段落放至与结构脱离。

1) 卸载步骤确定对于每榀桁架, 共有4个胎架进行支撑, 支撑胎架布置如图6所示。1～14表示内侧悬挑长度由短向长胎架编号, 15～18为外侧悬挑长度由短向长胎架编号。确定卸载步骤时须考虑卸载次序不同会导致桁架内力及节点位移的不同。

2) 卸载位移确定 每个阶段各胎架卸载位移如表1所示, 由表1可知, 胎架位移随悬挑长度增大而增大。

3) 卸载过程应力分析 为选择最合适的卸载方案, 利用MIDAS对3种不同卸载次序的工况进行模拟分析。可以得出, 采用先卸载内侧胎架、后卸载外侧胎架时, 桁架最大应力较小, 且卸载过程与悬挑结构受力方式相似, 有利于屋盖结构整体受力。

1) 钢桁架拼装预起拱 为使悬挑区钢结构施工下挠值小于屋面施工可调允许值, 应对其进行预起拱处理, 起拱值根据悬挑长度发生变化。利用钢桁架三维模型, 对桁架下挠值进行计算, 进而计算出节点起拱最小值为6.2mm, 最大值为172.1mm。可以得出, 随着悬挑长度的增加, 起拱值逐渐增加, 最大起拱值在悬挑桁架中部, 最小值在桁架两侧。

2) 整个钢桁架卸载过程中, 各节点会产生下挠, 如何控制节点下挠值, 使其在安全可控范围内, 是桁架安装能否成功的关键。在桁架安装及卸载全过程中, 通过全站仪对每个主次桁架相交节点进行监测, 并将节点实际下挠值与理论值进行对比分析, 反馈至施工现场进行实时调节。

图7为部分监测点实际下挠值与理论值的对比, 可以看出, 卸载过程中, 节点下挠值与预期较吻合, 悬挑桁架处于稳定状态。

以武汉天河机场T3航站楼南侧屋盖钢桁架施工为例, 对大悬挑钢桁架的安装、卸载及施工精度控制技术进行介绍, 得出如下结论。

1) 对于难度较大的大悬挑钢桁架施工, 需结合实际施工条件, 制定具有针对性的方案。

2) 应充分利用计算机模拟及施工监测技术, 对施工全过程进行模拟和监控, 保证施工安全性。

3) 对于跨度较大的钢桁架吊装作业, 可根据实际情况, 合理地将桁架进行对称分块, 以降低施工成本, 减小施工难度。

4) 对于内、外侧下挠值不同的钢桁架, 应采用分级卸载方式, 当先卸载内侧胎架、后卸载外侧胎架时, 结构最大应力较小, 有利于结构整体受力。