武汉天河机场T3航站楼建筑面积约为49.5万m², 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。

航站楼主楼为地上4层、地下1层结构。主楼南侧高架桥与4层楼面相连, 东西两侧存在大量夹层结构, 其中2层楼面共有10个小夹层, 4层以上共有21个小夹层及1个大夹层。整个屋盖结构高低交错, 整体层次分布复杂, 且结构高差较大, 若采用常规提升方法, 会导致资源和工期浪费。

错层提升技术是指将屋盖在不同标高进行拼装, 将较低标高处的屋盖提升至较高标高处, 然后拼装成整体, 再提升至屋盖设计标高, 完成1个提升区整体提升。基于此, 根据本工程屋盖结构特点对其进行分区, 并通过错层提升技术, 将屋盖分多次提升、拼接, 最终达到分区屋盖整体提升的目的。

由于部分提升区屋盖跨越楼层及屋盖本身结构高差较大, 不能满足屋盖楼面一次整体拼装要求, 因此, 将屋盖分多次提升、拼接, 最终进行分区屋盖整体提升。如图1所示, 除东一指廊、东二指廊、南侧大悬挑屋盖外均使用屋盖整体提升技术, D1, D2, D4, D5, 1, 3, 9, 10, 11, 12, C2-2, F2-2区使用错层提升施工技术。

错层提升分区应根据屋盖跨越楼层位置或屋盖本身结构高差进行设置, 沿土建结构边线或轴线分开, 作为错层提升界线, 适当降低屋盖拼装高度。根据屋盖分区, 对错层提升区的对接点进行设计, 确保提升就位过程中不发生碰撞。

以11区 (屋盖跨越楼层) 为例说明错层分区设置。11区屋盖楼面拼装存在跨越楼层情况, 屋盖拼装分别在4, 5层楼面进行, 沿楼板结构边线进行错层分区, 如图2所示。

错层提升后, 将错层分区部分进行拼接, 形成一个整体, 验收合格后进行整体提升。提升步骤为: (1) 步骤1错层分段部分屋盖整体向上提升; (2) 步骤2提升至上楼层屋盖桁架对接位置, 如图3所示。

待屋盖完成错层分段部分拼接、整体提升验收合格后, 进行同步液压整体提升, 具体提升步骤为: (1) 在地面拼装网架, 同时安装提升平台和提升器, 并通过钢绞线将上、下吊点连成整体, 调试设备, 并预张拉钢绞线; (2) 离地100mm后, 检查无问题, 继续提升; (3) 提升就位; (4) 安装后补杆件; (5) 卸载完成后, 拆除提升设备及临时杆件和提升架。

错层提升点布置应根据屋盖结构特点。由于屋盖支撑采用钢管混凝土柱, 因此提升点布置在钢柱柱头, 由于错层提升存在2种情况:屋盖跨越楼层和屋盖本身存在结构高差, 错层提升点布置也不相同。屋盖跨越楼层错层提升, 错层位置无钢柱时, 需增加临时提升点, 临时提升点沿混凝土主梁布置, 同时还需在混凝土梁浇筑前布设错层提升埋件, 设置门式临时提升架, 11区共布设15个提升吊点, 其中有3个错层提升临时吊点 (M13, M14, M15) , 如图4所示。

利用有限元分析软件MIDAS建立屋盖提升分析模型, 其中管网架弦杆节点为刚接, 腹杆为铰接。弦杆和支座腹杆计算长度为L, 其余部位腹杆计算长度为0.9L。提升杆件荷载由软件根据杆件材料属性自动估算, 并考虑1.15倍的自重放大系数作为暗节点板荷载, 马道、檩条等以节点荷载的形式施加至模型中, 节点荷载大小为-1.15kN。网架为镂空结构, 承受的风荷载较小, 因此, 提升工况分析中, 暂不考虑风荷载作用。整体提升工况中, 提升下吊点处施加竖向位移约束, 释放水平约束, 不考虑温度荷载。作为被提升构件的网架, 由于其在提升过程中存在竖向运动, 故验算时荷载分项系数取1.4。按此取值时, 不考虑提升动力系数。提升支撑架 (安装提升器的提升平台) 的提升荷载分项系数取1.4, 支撑架自重荷载分项系数取1.2。提升荷载按模型及杆件材料属性估算, 11区屋盖质量为692t, 分2次提升。

第1次提升区域为屋盖上部, 屋盖在4层楼面进行拼装, 利用吊点M12, M11, M10, M9, M8, M7及临时吊点M15, M14, M13完成提升。根据模拟计算结果, 桁架下挠值如图5所示, 吊点反力如表1所示。

由图5和表1可以得出, 第1次提升过程中, 桁架最大下挠值为63mm<L/250 (144mm) , 提升架应力比<0.75, 杆件应力比<0.5, 吊点反力值均在允许范围内。

第1次提升区域网架提升至第2次网架原位拼装高度, 进行对接。计算得出, 网架最大下挠值有所减小, 变为60mm, 提升架应力比<0.75, 杆件应力比<0.5, 吊点反力值均在允许范围内。

第2次提升为整体提升, 在5层楼面进行拼装, 并连接第1次提升屋盖与11区整体屋盖, 利用吊点M1～M12进行吊装。根据模拟计算结果, 第2次提升吊点反力如表2所示。分析可知, 提升11区最大下挠值为66mm<L/250 (144mm) , 提升架应力比<0.75, 杆件应力比<0.5, 吊点反力值均在允许范围内。

屋盖提升就位, 采用液压系统同步卸载, 拆除提升架。经模拟分析, 可以得出提升11区最大下挠值为72mm<L/250 (144mm) , 杆件应力比均<0.5。

根据模拟所得到的提升吊点反力对提升架进行设计。本工程共用4种提升架, 其中3种以钢柱作为提升点, 第4种为错层提升时临时吊点专用提升架。结合钢柱形式, 3种提升架设计如图6所示。

采用通用有限元软件SAP2000及ANSYS对各提升架在提升工况下进行模拟分析, 分析结果如下。

钢柱顶采用牛腿式提升架, 提升器放置在牛腿上, 形成一个共同受力整体, 牛腿截面为箱形, 尺寸为700mm×400mm×20mm×25mm。模拟材料选用刚性单元, 杨氏模量E=2.1×10¹¹Pa, 泊松比μ=0.3, 小段钢柱底面三向约束, 悬挑梁端部放置提升器的部位施加竖向荷载, 大小为157t (1 570kN) , 换算应力为17.5MPa。可以看出, 不考虑应力集中时, 提升梁最大应力≤233MPa, 悬挑牛腿最大下挠为1cm, 满足提升施工要求, 如图7所示。

1) 提升架验算提升架设置在钢柱顶牛腿上。立柱采用203×14钢管, 立柱顶部设置横梁, 横梁采用H300×300×20×20, 提升梁放置在顶部横梁上, 采用2个H300×150×6.5×9, 提升架采用114×4钢管作为缀杆, 使提升架形成一个整体, 具有一定抗水平荷载能力, 以满足提升要求。

采用SAP2000进行建模分析, 提升反力F_z=750kN, 考虑提升时风荷载影响, F_x=750×10%=75kN, F_y=750×10%=75kN。分析结果为:提升工况下, 提升梁前端下挠约3mm, 杆件最大应力比约0.74, 满足提升施工要求。

2) 提升牛腿验算提升牛腿截面为□1 080×300×20, 材质为Q345B。采用ANSYS建立分析模型, 其材料杨氏模量E=2.1×10¹¹Pa, 泊松比μ=0.3;小段钢柱底面三向约束;提升架柱脚位置施加竖向荷载, 分别为280MPa和-50MPa。分析结果为:不考虑应力集中现象, 牛腿最大应力约222MPa, 最大变形约20mm, 满足提升施工要求, 如图8所示。

采用SAP2000建立模型进行分析, 根据屋盖荷载分布情况, 选取提升反力F_z=670kN, 考虑提升时风荷载影响, F_x=670×10%=67kN, F_y=670×10%=67kN。模拟结果为:提升架最大下挠约7mm, 最大应力比约0.82, 满足提升施工要求。

该提升架设置在混凝土结构边缘, 用于满足屋盖错层提升要求, 如图9所示。

提升架设置在混凝土梁上, 柱脚设置埋件, 柱顶设置悬挑梁, 提升器放置于悬挑梁端部。此类提升架结构形式相似, 均设置在混凝土梁上且梁顶设置小短柱 (高约500mm) , 短柱距离2.5～6m, 悬挑梁设置在小短柱上, 悬挑距离均在1m左右。短柱采用□300×300×20×30, 悬挑梁采用□600×400×20×25。

采用SAP2000进行模拟分析, 提升反力250kN, 水平荷载采用竖向荷载的10%, 即25kN。分析结果为:提升工况下, 提升梁前端下挠约6mm, 杆件最大应力比约为0.55, 满足提升施工要求。

1) 对于高差较大或有跨越楼层的屋盖结构提升施工, 宜采用错层提升技术, 可避免整体提升施工时跨越楼层所造成的不便。

2) 本工程屋盖采用错层提升施工, 经计算机模拟及实际施工证明, 其施工过程中的变形和内力均在安全可控范围内。

3) 根据不同支撑情况, 本工程采用不同形式提升架, 并对其进行有限元分析, 证明所采用的提升架可安全有效地完成桁架错层提升施工。