上海天马生活垃圾末端处置中心工程位于上海市松江区佘山镇天马地区青天路西侧。其屋盖采用空间网壳结构, 网格形式为正放四角锥, 支承形式为上、下弦多侧多点支承, 节点形式为螺栓球网架结构。建筑长103m, 宽65.2m, 屋架投影面积 6 715.6m², 网架端部高1.8m, 网架脊部高度为3.3m, 坡度为5%。所用杆件截面为ϕ60～ϕ180, 节点间距2.6～3.6m。

大跨度空间网架结构安装方式包括整体提升、操作平台安装、高空散装及高空滑移等工艺^[1,2]。本工程网架跨度大, 原设计采用满堂脚手架作为操作平台进行安装。实际现场网架下部布满各种管道及大型设备, 塔式起重机无法覆盖网架安装的全部工作面, 不能使用满堂脚手架和高空散装安装。根据本工程实际工况, 采用地面散装结合网架累积滑移的施工工艺, 并采用MIDAS软件对结构施工滑移过程的内力及变形进行仿真模拟。同时为控制网架变形及降低滑移时上弦杆的压力, 网架需预起拱并在滑移前将主檩条焊接就位。

网架安装前把杆件、螺栓球等按先后顺序排列, 在地面上拼装网架小单元并按施工位置摆放好, 确保网架基础梁等支撑系统的质量、标高、中心轴线、几何尺寸、平行度等准确, 同时完成起步脚手架搭设。

根据网架设计支座点位置, 对网架平面进行14个板块分区 (见图1) 。实际施工时, 从最左侧 (A) 轴开始向最右侧○R 轴方向滑移。实际需滑移为1～13区, 14区无须滑移。网架拼装滑移中, 每榀网架重约17t, 跨度5～9m。

将 (A) ～ (B) 轴、①～⑩轴区域的场地进行平整、压实后, 在此区域搭设1个长65m、宽10m、高31.5m的满堂脚手架, 该脚手架作为1～14区网架安装操作架平台, 用于将网架单元拼装为网架区块。脚手架强度及稳定性、变形等均按设计要求搭设, 上部铺设竹笆脚手板。

沿网架 (A) ～○R轴水平方向, 在混凝土梁上通长铺设2条滑移轨道, 轨道材料采用[36b, 高360mm, 腿宽98mm, 腰厚11mm, 槽钢腰顶部作为滑移轨道面, 采用膨胀螺栓将槽钢腿下部固定在混凝土梁上。应保证2条水平槽钢轨道基准保持一致, 轨道用磨光机打磨成光滑状并加以润滑, 表面粗糙度达到Ra1.6。轨道整体轴线偏移≤4mm, 挠度≤4mm, 整体高差≤15mm, 同时在轨道的侧面进行长度刻线, 利用刻线精确控制网架在2条滑移轨道上的滑移速度和距离, 以保证滑移时阻力较小及结构平稳。

为便于网架滑移, 对网架支座进行临时改造, 网架滑移时, 在每块网架分区的4个支座下部分别设置1个滑轮组, 每个滑轮组包含2个滑轮滚筒, 滑轮机架滚筒两侧钢板伸入轨道槽钢腿部, 调控滑移方向, 以保证滑轮行进方向与轨道一致。支座改造示意如图2所示, 箭头所指方向为滑移方向。

网架材料堆放在地面相应位置后, 安装人员在平地上拼装成小单元, 采用现场塔式起重机配合网架在起步脚手架操作平台上进行安装。首先设置并抄平脚手架平台支撑, 然后按安装图安装下弦球并连接下弦杆;在地面将上弦球及腹杆装成三角锥, 将已拼装成的上弦球及腹杆通过塔式起重机吊装到操作平台指定位置并将三角锥连接到下弦层;以同样方法连接第2网格上弦杆及腹杆, 将两网格安装成基本单元, 然后扩大基本单元, 安装腹杆, 拼装成较稳固基本单元, 同理扩大基本单元, 1区网架拼装完成。1区网架在起步脚手架上拼装完成后, 由左向右开始滑移。

正三角锥网格安装时, 应随时注意临时支点受力情况, 并对杆件加以适当调整。另外, 屋面主檩条在网架滑移前需焊接安装就位, 以减轻网架上弦杆滑移时的受压荷载。

在网架两端设置牵引点, 用手拉葫芦配合滑轮组对网架进行滑移。支座间加固杆采用ϕ140×4钢管, 采用5t手拉葫芦进行牵引, 并配以5t四门滑轮组。在原有混凝土柱中下部1.5m处, 埋置-25×500×500钢板, 开孔耳板满焊在埋置的钢板上, 用ϕ25钢丝绳的一端固定在耳板孔上, 钢丝绳与主体结构连接处放置方木, 防止钢丝绳磨损。钢丝绳另一端与手拉葫芦连接, 手拉葫芦的一端连接在滑移轨道的滑移板上, 将横跨方向的2只葫芦同时进行手动牵引, 缓慢滑移直至到位。

屋面网架工程 (B) ～○R 轴每个支座点需全部进行滑移, 1区就地在满堂操作架上拼装, 无须滑移。滚动摩擦的启动牵引力由式 (1) ^[3]计算可得。

$F{}_t=(\frac{k}{r{}_1}+\mu {}_2\cdot \frac{r}{r{}_1})\cdot G\cdot \xi (1)$

式中:F_t为总启动牵引力;G为需滑移网架自重;k为钢制轮与钢轨之间的滚动摩擦力臂, 取0.5mm;μ₂为滚轮与滚动轴之间的摩擦系数, 取0.1;r为滚轴半径, 20mm;r₁为滚轮的外圆半径, 取60mm;ξ为阻力系数, 由滑轮、滑轨安装精度、牵引的不同步程度等因素确定, 取1.2。经计算, 累积网架滑移过程中网架质量从单块17t累积至13块182t, F_t= (0.5/60+0.1×20/60) ×182t×1.2=9.1t。网架滑移时共需91kN的水平拉力, 共设置2个牵引点, 且每个牵引点处设置1个四门滑轮组, 则采用3t卷扬机牵引满足要求。

采用MIDAS软件对网架结构施工累积滑移过程进行仿真模拟。网架在各阶段累积滑移过程中, 下部原有的4个支撑节点在滑移过程中暂时不受力, 造成网架上弦杆及部分下弦杆由原来的受拉变成受压。为保证这部分受拉或受压杆件强度, 通过运用MIDAS软件进行模拟施工验算。为确保受压杆件顺利通过的同时, 控制网架在滑移中产生挠度, 采用网架预起拱的做法, 预起拱高度约为90mm, 并且增大支托管截面及支托板厚度, 将主檩网格连接, 螺栓球、支托、檩条进行满焊连接以满足网架滑移施工时其整体变形及刚度要求。

随网架累积滑移过程施工阶段的不同, 构件的最大应力及网架变形也在发生变化。因此, 为了确保结构施工阶段网架结构安全, 按照网架累积滑移施工顺序进行结构模拟分析。采用MIDAS/GEN结构软件进行模拟, 主要分析计算网架在滑移过程中有无过大和异常变形以及杆件的应力有无超过设计值。

网架累积滑移施工分为13种工况, 首次滑移为1区块网架, 第2次滑移为1区块及2区块组合, 第3次滑移为1, 2, 3区块组合, 依次类推, 最后一次滑移为 1～13区块组合。有限元分析结果如表1所示。

由表1可知, 滑移第11区块时, 杆件最大应力达到174.42N/mm², 应力比较高。由于网架下部原有的4个支撑点在滑移过程中不受力, 网架支撑点减少, 使网架部分杆件应力增大。滑移施工前应做好轨道调整、滑轮润滑等工作, 以减小杆件应力;另外, 由于网架滑移前, 屋面主檩条已焊接安装就位, 檩条跟网架同步滑移, 对于增加网架的整体刚度效果明显, 也大幅度减小了网架上弦杆的压应力。待滑移结束网架支撑点达到设计要求数量后, 该应力即可大幅度下降。由于网架杆件最大应力发生在施工滑移阶段, 故使用过程中不会出现结构超应力情况。

网架施工阶段允许值最大不超过跨度的1/250^[4]。本网架跨度为65.2m, 最大节点变形允许值为260.8mm, 滑移过程中节点变形模拟分析表明, 安装完成○R ～ (A) 轴节点变形最大为127.462mm。模拟分析结果表明, 网架杆件应力均小于钢材的设计强度, 网架变形均满足要求。

通过MIDAS/GEN软件模拟分析, 网架杆件应力及变形均满足要求, 滑移时密切对照工程实际与仿真模拟的差异并进行调整。根据现场实际情况, 在满堂脚手架上拼装完成的1区网架及主檩条, 将拼装好的网架滑移出操作平台;然后在操作平台上进行2区网架及檩条安装并将2区网架滑出操作架。依次类推, 装好一块区域网架后滑移一次网架, 直至全部拼装完成。

相邻两滑移单元之间的拼装在起步脚手架的施工操作平台上进行。1区网架在脚手架操作平台上搭设17个临时支撑点, 支撑点平面高度与支座部位网架下弦球标高一致 (临时支撑点位置已在满堂脚手架上进行加固) , 拼装完成的网架就位在滑移轨道上。1区网架滑移前, 先行拆除脚手架上所有临时支撑点, 然后开始进行整体滑移施工, 待1区网架滑出3个网格后, 开始在脚手架操作平台上进行2区网架散装, 散装形成2个网格后, 再次向前滑移2个网格, 依次循环在脚手架平台上进行整个网架的拼装及累积滑移。

网架滑移时, 牵引速度≤0.3m/min, 两端不同步值≤30mm, 确保网架滑移各牵引点同步。以每500mm作为一个等步距离, 各牵引点停歇1次, 待全部滑移到位后再同时启动, 以确保网架滑移同步, 并及时对偏差进行纠正。

整个网架滑移到安装位置后, 网架支座仍支承在滑轮上, 此时可将网架支座置换至混凝土梁上, 进行支座置换, 如图3所示。拆除滑轮及滑移轨道, 并对支座进行固定焊接, 最终完成网架主体结构安装, 进入面漆涂装及屋面板施工工序^[5]。

本工程结合MIDAS/GEN软件进行分析模拟网架在滑移过程中有无过大和异常变形以及杆件的应力有无超过设计值。工程实践表明, 滑移过程网架与MIDAS/GEN软件模拟过程相同。网架预起拱及檩条跟网架同步滑移, 对于增加网架的整体刚度效果明显。与原设计采用满堂脚手架进行安装及高空散装施工工艺相比, 采用累积滑移的施工具有如下优点。

1) 大幅度降低工程成本。与满堂脚手架相比, 减少安装费用50%以上。

2) 大幅度缩短工期。在做好安全防护下, 网架安装时最大限度地不影响下部正常施工, 大幅度缩短工期。

3) 保证工程质量;与高空散装施工工艺相比, 操作平台使安装到位, 调整充分。

4) 施工安全, 无须满铺安全网。满铺安全网将大大增加施工成本并且延长工期^[6,7], 采用累积滑移安装可以有效解决上、下交叉施工难题, 施工现场更加安全。