广州白云国际机场扩建工程二号航站楼西指廊网架施工关键技术
1 工程概况
广州白云国际机场扩建工程位于广东省广州市花都区, 为大型枢纽机场公共交通建筑 (见图1) , 建设以能满足2020年旅客吞吐量4 500万人次使用需求为目标。西指廊钢屋盖为网架结构, 最高处标高约为31.000m, 钢屋盖跨度有36, 39, 54m, 柱距为18m, 南北方向最长约为598.3m, 东西方向最宽约为304.4m, 总建筑面积约为15万m2。
图1 建筑效果
Fig.1 Effect of the building
西指廊钢网架由西五指廊AB区、西六指廊A区、西六指廊B区、西指廊AB区和西指廊C区5个单体组成 (见图2) 。大部分网架呈拱状, 在拐角处呈双向弯曲状。钢屋盖网架与混凝土柱顶通过埋板连接, 柱顶支座均为大抗拔力球铰支座。
图2 网架分区
Fig.2 Grid partition
西五指廊AB区采用分块提升方案, 西六指廊A区采用整体提升方案, 西六指廊B区采用分块提升+局部高空散装方案, 西指廊AB区采用分块吊装方案, 西指廊C区采用累积提升方案。
2 网架拼装关键技术
网架拼装主要分为地面拼装和高空拼装2部分, 其中绝大部分为地面拼装。
2.1 网架拼装方案
拼装的整体原则为:小拼→中拼→大拼。根据以往网架项目工程经验, 网架结构杆件多, 杆件差异小, 甚至出现相同截面但长度仅相差几毫米, 故易导致现场找料困难情况出现。同时, 为了现场能更好地实施分区拼装、分区焊接, 在深化阶段将各区划分为若干拼装单元, 并按区域单独编号, 按区加工和打包发货。典型网架分区如图3所示。
图3 典型网架分区
Fig.3 Typical grid partition
焊接球空间网架小拼形式常见有2种, 其优缺点如下。
1) 一球一杆型 此为最简单的拼装形式, 无需特别拼装工装, 只需利用槽钢限制球滚动, 网架杆件以任意角度与球相对接, 当杆件管口四周均与球贴合时, 即可进行点焊固定。安装时只需借助小型拔杆即可吊装至拼装部位。该方法在平板网架和空间网架中均适用。
2) 一球两杆型 需设计拼装工装保证杆杆间夹角的拼装精度。设计工装时先找到角度变化规律, 降低工装设计难度和提高工人实操便利性。安装时也可借助小型拔杆即可吊装至整体拼装部位。
本工程进行一球一杆型和一球两杆型的实践对比, 发现一球一杆型小拼测量有定位要求低、拼装精度高、速度快的优点, 同时更适合人工拼装方案, 故最终选择一球一杆型小拼方案。
2.2 网架拼装顺序
焊接球网架结构的球杆节点存在贯入度问题, 故拼装时应遵循“先安装大杆, 后塞装小杆”的原则。本项目网架横断面弦杆截面较大, 故应先拼装弦杆。在拼装方向上, 理论上应采用从中间向两侧推进, 该方法更易控制拼装累积误差。西指廊网架横宽多为36m, 为此考虑一定的焊接收缩余量, 安装从横断面一侧向另一侧推进, 网架安装尺寸误差也可满足规范验收要求。贯入度分析如表1所示。
表1 贯入度分析
Table 1 Penetration analysis
mm
2.3 网架拼装精度控制
2.3.1 下弦球定位方案
1) 安装拼装胎架下垫板 将下垫板中心线与放样线重合 (见图4a) , 2个方向利用角钢进行固定。
2) 立柱定位 用拐尺将立柱定位线引至钢板, 并划线 (见图4b) 。立柱定位时, 先使用靠尺进行2个方向垂直度测量, 保证胎架立柱垂直度。
3) 利用全站仪和水平尺安装拼装胎架上垫板, 并将檩托定位线引至上垫板 (见图4c) 。
图4 下弦球定位
Fig.4 Chord ball positioning
2.3.2 上弦球定位方案
主控的上弦球采用测量定位方案。由于球定位点为球心坐标, 但球心坐标不能直接测量得到, 故需通过测量球心上方坐标后反算球心坐标, 为此还需特制1个钢托盘。测量时先将托盘倒扣于球上, 待棱镜支座水平居中后, 即可进行数据读取
专门制作直径为200mm、厚度为5mm、高度为70mm钢托盘。测量时, 只需查找制作好的表格即可反算球心标高。托盘顶中心点到球心距为:S=70+ (R2-952) 0.5 (见表2) 。
表2 托盘顶中心点到球心距
Table 2 Tray top center point to center pitch
mm
2.3.2 预留牛腿段杆件定位方案
根据实际放样, 提升临时杆无法避免要相贯网架杆件上, 故需预留牛腿段杆件。
当网架提升后, 牛腿段杆件需与后补杆段连接。若牛腿段杆件定位误差大, 则导致牛腿段与补杆段接口位置呈折线拐点, 不但影响网架外观, 而且与设计计算假定不符, 甚至出现补杆段与提升架立杆相互干涉, 导致无法安装。
1) 拼装阶段控制措施 与后补杆相连球 (Ⅰ类球和Ⅱ类球) 必须采用经纬仪或全站仪进行定位, 安装至图纸坐标, 允许偏差按JGJ7—2010《空间网格结构技术规程》表6.2.7实施
2) 焊接阶段控制措施 Ⅱ类球可与网架一起焊接。Ⅰ类球必须在网架焊接完成后进行复测, 掌握该球在网架焊接收缩完成后球心坐标变化情况。若Ⅰ类球的球心距偏差Δ≥5mm, 则调整该球位置, 调整完成后将与该球连接的网架杆件焊接。Ⅰ类球焊接完成后, 安装牛腿段杆件。安装时必须采用全站仪对管口下端点坐标进行定位。与后补杆件连接的焊接球种类如图5所示。
图5 焊接球分类
Fig.5 Welding ball classification
3 网架焊接关键技术
3.1 大抗拔力球铰支座焊接技术
大抗拔力球铰支座主要由自润滑复合材料SF-1及调质热处理的G20Mn5QT组成。焊接部位主要有环形挡板 (80mm厚) 与埋板 (50mm厚) 的部分熔透剖口焊缝、环形挡板 (80mm厚) 与大拔力抗震球铰支座外筒 (100mm厚或110mm厚) 的角焊缝 (hf=70mm) 、大拔力抗震球铰支座与网架连接管 (P600×25-Q345B) 的全熔透剖口焊缝。主要难点为异种钢焊接和层间温度过高可能破坏自润滑复合材料。支座焊接大样如图6所示。
焊接方案:焊接时要注意对称施焊。铸钢件支座焊接前必须进行预热处理, 预热温度为145℃, 预热范围为焊缝区域不小于焊件厚度的3倍区域, 且≥100mm, 预热时必须缓慢且均匀;焊接时采用两人对称焊接, 每层接头错开30～50mm, 做到道道清渣、层层清渣, 严格控制层间温度在100～200℃;必须做好交班准备, 不可焊一半留一半, 必须一次性焊接完成。支座焊接顺序如图7所示。
图7 支座焊接顺序
Fig.7 Welding sequence of supports
3.2 网架焊接技术
焊接顺序思路:先将网架划分为各榀焊接单元, 先焊完1榀焊接单元, 然后对称地逐榀向外推进。
1) 按拼装方案分区进行焊接。
2) 区内施焊顺序。将网架的1列下弦球和对应1列上弦球看作1榀网架。以某块网架为例进行说明, 施工过程依此类推。
A1～E1及A2～F2为2组焊接单元。为减少网架焊接应力累积集中引起变形, 总体焊接顺序为:从中间向两头、两侧对称焊接, 即左侧A1→E1, 同时右侧A2→F2, 以形成对称焊 (见图8) 。
图6 支座焊接大样
Fig.6 Welding sample of supports
图8 总体焊接顺序
Fig.8 Overall welding sequence
3) 单榀焊接单元施焊顺序 (见图9)
每榀焊接单元均由2位焊工完成, 先共同完成0号球焊接, 然后按1～6号球依次焊接, 每次焊接均完成与该球相连的杆件, 尽量做到焊接速度同步。
图9 某单榀网架焊接顺序
Fig.9 Welding sequence of a single space truss
4) 施焊顺序遵循由内而外、先下后上, 单球双焊、双球单焊的原则。
4 网架提升关键技术
4.1 就位坐标确定 (见图10)
理论的就位控制坐标最好为焊接球心, 但焊接球心坐标无法直接测得, 同时在提升过程中也无法通过钢托盘辅助测量取得。假定就位时焊接球心标高为Z0, 拼装状态为Z1, 则提升高度为Δ=Z0-Z1。寻找靠近提升点、变形小的杆件作为监测对象 (本工程选用下弦预留牛腿段) , 实测拼装状态的反光片处标高为Z2, 则其就位标高为Δ+Z2。提升过程的水平偏差则通过拼装状态的x, y坐标及将就位时x, y坐标反算, 一般情况侧向位移很小, 可忽略。
图1 0 就位坐标计算
Fig.10 Caculation of position coordinate
4.2 同步性控制
网架施工阶段仿真分析时, 一般考虑不同步位移允许值, 本工程按相邻吊点±20mm考虑, 故施工时必须控制好不同步位移, 否则部分杆件应力超过设计允许值。
同步性控制是以监控点位移为基础, 通过编制计算表格计算各点不同步位移。网架脱离前做好原始数据处理, 脱离胎架后立刻进行监测;脱离胎架1m测量1次;中间过程每提升约2m测量1次;离就位坐标约1m位置后, 加密测量次数、最后采用点动技术保证每个提升点精确就位。
4.3 施工监测
网架脱离胎架、处于悬停状态时, 除对提升架、提升器、网架焊缝检查外, 必须进行网架挠度监测和提升变形、应力监测。通过监测数据和理论数据的对比分析, 判断结构健康状态。
5 网架吊装关键技术
西指廊AB区原计划采用分块提升+局部高空散装方案。由于散装区位置的下部土建无法按期提供工作面, 故改成分块吊装方案 (见图11) 。
图1 1 网架吊装方案
Fig.11 The hoisting scheme of space truss
5.1 网架分块及吊况分析
1) 第1吊装分块带4个支架, 吊装就位后直接与柱头铸钢件连接, 形成稳定单元。
2) 由于最左侧分块网架带8.65m悬挑, 如果作为第1吊装分块, 质量较大, 导致选用的履带式起重机型号过大, 不经济。
3) 共设置3个拼场, 分别为1, 2, 3号, 各拼装使用情况如表3所示。
表3 拼装场地使用情况
Table 3 Usage of assembly site
吊况分析时 (见图12) , 根据深化图纸对杆件、焊接球、马道、吊顶支托、檩托、吊装钢丝绳、吊钩质量确定吊装最不利质量为52t。采用QUY350型履带式起重机, 主臂臂长30m (87°) +副臂360m, 最不利作业半径为26.75m, 额定吊重为54t, 实际吊重52t<54t, 满足要求。
图1 2 吊况分析
Fig.12 Analysis of hoisting condition
5.2 吊绳选择及吊点设计 (见图13)
吊装分块基本以柱间网架为分块, 故吊点设置位置位于支座边缘杆件交汇处, 保证吊装状态的受力基本与结构受力一致, 同时吊点附近的杆件截面较大, 减少吊装状态换杆数量。
图1 3 吊点位置 (上弦球) 及吊绳长度
Fig.13 Honging point position (upper chord) and hanging rope length
钢丝绳容许拉力可按式 (1) 计算:
式中:[Fg]为钢丝绳容许拉力 (kN) ;Fg为钢丝绳钢丝破断拉力总和 (kN) ;α为考虑钢丝绳直接荷载不均匀系数, 6×37钢丝绳, α取值0.82;K为钢丝绳使用安全系数, 此处K=8。
由于钢丝绳直径大, 不应采用捆绑式吊点方案, 故设计吊耳方案如图14所示
5.3 就位控制及高空补杆
一般的吊装方案中, 常在钢丝绳与吊点间采用手拉葫芦连接, 便于就位调整。本工程网架部分钢吊绳内力>180kN, 如采用20t手拉葫芦进行调节, 容易出现手拉葫芦破坏而导致安全事故, 故吊装通过调节吊绳长度接近理论放样长度, 先使4个吊点中的2个吊点与支座连接, 再利用已安装网架安装手拉葫芦调节余下2个吊点就位。
图1 4 吊耳设计
Fig.14 Design of hoisting ear
由于工期紧张, 每吊次从吊装到松钩的计划时间为2d, 故补缺杆件能完全点焊就位, 但无法完全焊接完成。根据施工全过程模拟分析, 只需将部分杆件焊接完成即可松钩 (见图15) 。
图1 5 必须焊完杆件
Fig.15 Members welded
6 结语
焊接球网架是空间结构中常见结构形式, 常见有散装、吊装、提升等施工方案。本项目主要采用吊装、提升方案。通过对本项目施工关键技术总结, 希望能为类似工程拼装方案、焊接方案、提升方案及吊装方案的实施提供参考。
[2]空间网格结构技术规程:JGJ7—2010[S].北京:中国建筑工业出版社, 2010.
[3] 鞍钢集团钢绳厂, 贵州钢绳股份有限公司, 郑州金属制品研究院, 等.重要用途钢丝绳:GB8918—2006[S].北京:中国标准出版社, 2006.
[4]建筑施工起重吊装工程安全技术规范:JGJ276—2012[S].北京:中国建筑工业出版社, 2012
[5] 中冶京诚工程技术有限公司.钢结构设计规程:GB50017—2017[S].北京:中国计划出版社, 2017.