日照机场航站楼外观汲取“贝壳”的寓意, 采用“贝之壳”的设计构思, 主楼与指廊一体化设计, 整个造型如同贝壳静立在海滩之上, 展现日照海滨城市的特色 (见图1) 。航站楼采用前列式构型方式, 采用一层半式结构布局, 首层为值机大厅和迎客大厅, 2层为候机大厅并包含部分办公及商业功能, 屋面最高点标高19.000m, 局部设置地下室, 为设备用房和地下通道。本工程钢结构主要由地下钢柱、地上钢柱、2层夹层框架结构、航站楼屋盖桁架及车道雨篷组成, 总用钢量2 200t。

屋盖钢结构由托架、屋架、上弦水平支撑、上弦系杆、屋盖钢梁、幕墙钢结构、钢管混凝土柱组成, 如图2所示。柱顶支座为铸钢件, 材质为G20Mn5QT。航站楼屋盖③~12轴间共包括17榀倒三角形桁架 (上弦杆规格为ф299×12, ф299×16;腹杆规格为ф102×6, ф180×12;下弦杆为异形) 和2榀倒三角形托架, 桁架下弦杆为异形六边形截面, 其余杆件均为圆管, 单榀最大长度为74m, 最小长度为64.4m, 高2.8m;托架杆件截面均为圆管 (上弦杆规格为ф299×12;下弦杆规格为ф400×12, ф400×20腹杆规格为ф133×8, ф152×10) , 长162m, 高2.25m。屋盖桁架材质均为Q345C。航站楼屋盖①~③轴及12~14轴间各设有5道弧形异形主梁及H形、圆管次梁, 主梁单榀最大长度为62m, 最小长度为32m, 截面最大高度为2.832m, 最小高度为2.125m, 材质为Q345C。屋架、屋盖钢梁上弦处设置水平支撑、系杆, 以增加屋盖结构整体稳定性^[1], 水平支撑规格为ф35钢棒, 材质为GLG650;系杆规格为ф180×16, 材质为Q345C。航站楼屋盖两侧设有幕墙造型区域, 该区域内幕墙主梁分为L形落地和U形接二层楼面2类, 截面均为变截面H形。

航站楼屋盖结构桁架跨度大, 拼装难度大, 拼装精度要求高^[2,3]。对于大跨度结构, 拼装精度如控制不好, 会使桁架内力重新分布, 对结构承载力产生很大影响, 因此采取有效措施严格控制钢屋架结构中管桁架拼装精度, 是本工程的一大重点。

为确保桁架拼装的精度, 桁架分段出厂前首先采用Tekla Structures软件, 依据工程设计图纸绘制出工程建筑结构各构件的三维标准图, 建立三维模型图和标准图库, 然后用三维激光扫描仪对实体构件进行测量, 导入计算机得到三维立体图像, 并在计算机内用Geomagic Qualify将测量实体构件与三维模型图进行对比检验, 再通过采用实测构件对整体结构进行模拟拼装, 找出实测构件模拟拼装构件间的连接部位偏差数值并进行修正, 最后出具构件模拟拼装检测参数报告, 指导现场安装。出厂分段桁架单元运输至现场后, 对接成吊装单元进行吊装。

本工程中圆管使用量大, 而且有部分较大直径管件如ф299×12, ф299×16, ф400×20需要弯圆, 如何保证钢管弯圆后弯圆矢高、钢管外观、端口拼装吻合度等直接关系到结构的坐标定位和造型, 因此选择合理弯制设备和施工方法是确保杆件弯圆质量的关键。为确保杆件弯圆质量采取措施为:①确定管件弯曲半径、管件弯曲起始点及终点, 并做好标记;②优选弯圆设备, 采用J×W-700型弯管机进行管件的弯圆;③精细化操作确保弯曲后钢管表面不出现折痕和凹凸不平;④弯圆切割端头后在管件上划出4条相隔90°纵向直线及节点圆周环线并打样冲眼以便钢管对接。

本工程结构跨度大, 工程体量大, 总用钢量达2 200t。钢结构施工场地复杂, 吊装难度大。钢结构施工计划工期30d, 金属屋面60d, 工期紧张。采用合理的施工组织方案和有效的施工技术措施是确保工期的关键因素。为确保施工顺利按期完工, 主要采取措施为:①选派有经验的管理人员, 成立项目管理组织机构, 并建立深化设计部尽早完成深化设计工作;②深化设计过程中, 逐步进行材料采购及工厂加工制作, 保证构件及时运输至现场且不影响安装工期;③进行首批构件加工工期分析, 制定制作计划;④优化组合劳动力, 合理安排施工进度计划, 实行轮班制, 停人不停工;⑤合理安排施工机械, 提高机械化施工程度和施工效率。

进行航站楼钢结构屋盖施工时, 下部及周围混凝土结构已成型, 如何对已完工的建筑成品进行保护和防护, 并在钢结构施工过程中确保该部分施工荷载不会对混凝土结构造成不可逆转的破坏, 是确保工程质量的一个重点。另外由于钢结构耐火、耐久性差, 需进行防腐、防火涂装, 构件的涂装质量将直接影响到建筑的美观和整体结构的耐久性。因此, 构件涂装完成后的成品保护也显得十分重要。为保护好完工结构, 采取的措施为:①加强对安装人员教育, 强化成品保护意识, 并通过相应的奖惩措施提高员工对成品保护的积极性;②加强物、料、机等的管理, 建立相应管理责任制度, 减少对结构物造成破坏的主动因素;③采用合理保护措施, 如在与钢结构相连的结构物外表面设置防护网等, 以降低结构物的被动破坏;④履带式起重机行走和拼装区域进行地面的平整硬化。对支撑架搭建区域进行局部加强;⑤加强钢构件涂装的防碰擦踏踩、防灰尘或水汽污染措施, 防止涂层破坏。

航站楼为金属屋面, 金属屋面施工过程的焊接容易引发火灾事故。同时在屋面铺设保温棉、PVC防水卷材等材料后安排动火工序易引起火灾。因此在施工中必须严格控制防火施工程序和措施, 确保施工安全。为保证施工安全进行, 采用的措施为:①合理安排施工工序, 将需要焊接的工序均安排在铺设PVC防水卷材前, 卷材铺设后禁止动火, 后续工序采用冷连接系统;②屋面板的主次檩条均采用螺栓连接, 连接板采用工厂焊接, 局部檩条托板需调整的, 在地面焊接后再吊装;③现场焊接施工前进行技术交底及安全教育, 严格按照防火安全规范施工, 施工时远离易燃易爆材料, 如无法避免, 则做相应的隔断措施, 施工中必须严禁擅用明火;④配备专职安全员在现场进行安全监督管理工作, 发现问题及时制止。

根据工程特点和要求, 屋盖钢结构以桁架分段、主梁分段的形式进行安装。构件在工厂制作、拼装为运输分段, 在现场地面对接为吊装单元后再吊装。屋盖主梁、幕墙钢梁等平面钢梁, 在现场采用钢板凳进行对接;屋盖主桁架为倒三角形空间桁架, 在现场搭设胎架对接。

在充分利用胎架及符合现场用地要求的基础上, 根据屋盖桁架施工阶段, 在南侧、北侧各安排2个拼装班组, 并分别在南侧、北侧各设置4组主桁架拼装胎架和4组次桁架拼装胎架 (见图3) ;屋盖钢梁施工分区各安排1个拼装班组并各设置2组钢梁对接马凳 (见图4) 。拼装胎架根据最大拼装单元的投影外边线先铺设钢板, 并将每块钢板相互连接形成刚性平台, 胎架设计应结合相应拼装单元的外形尺寸、分段质量及高度进行全方位优化选择, 另外胎架最低高度应能满足全位置焊接所需高度 (800~1 000mm) , 胎架搭设后不得有明显晃动, 经验收合格后方可使用。为防止刚性平台沉降引起胎架变形, 胎架旁应建立胎架沉降观察点。结构质量全部作用于路基板上时, 观察标高有无变化。如有变化应及时调整, 待沉降稳定后方可进行焊接^[4]。

桁架吊装分段地面对接质量的好坏将直接影响高空分段拼接的质量, 为确保桁架对接精度, 主要从4个方面进行控制:①对接前对胎架的总长度、宽度、高度等进行全方位测量校正, 然后对桁架杆件的搁置位置建立控制网格, 对各点的空间位置进行测量放线并设置好杆件放置的限位块;②桁架对接过程中对对接位置的弦杆及弦杆间腹杆一一测量定位;③桁架对接完成后对构件节点标高、轴线位置、构件节点间距及起拱尺寸等进行自检、专检, 经监理验收合格后进行焊接;④完成一次对接后对胎架尺寸进行一次全方位的检测复核后方可进行下一次拼装。

根据航站楼结构超长的工程特点, 为提高施工效率和节省工期, 航站楼屋盖钢结构采用分区分段方法进行施工。整体屋盖钢结构吊装分为A区、B区、C区3个施工区段, 如图8所示。A区屋盖分2个作业面自③轴向瑏瑢轴进行安装。B区, C区屋盖分2个作业面自③轴、12轴向①轴、14轴进行安装。

根据吊装构件的结构特点, 选择合理的吊装分段方案和吊装设备:①屋盖主桁架分段出厂 (见图5) , 现场对接为2榀吊装分段, 使用2台SCC2000型200t履带式起重机进行临时支撑吊装, 分段位置位于B, C轴间;②主桁架间的托架分段、水平支撑、系杆、屋盖檩条等次结构使用2台SCC1500型150t履带式起重机整段吊装;③屋盖主梁分段出厂, 现场对接为吊装分段后使用SCC2000型200t履带式起重机吊装, 其中③, 12轴的主梁分为2段吊装, 其余主梁均整段吊装。屋盖次梁等使用2台AC50-1型50t汽车式起重机整段吊装。幕墙造型的钢梁分段出厂 (见图6) , 受造型需要的限制, 为避免起吊时发生构件与地面拖曳造成构件损坏的情况, 采用双机抬吊法起吊, 在构件起吊过程中采用50t汽车式起重机主吊和1台25t汽车式起重机辅助, 防止构件尾部与地面发生拖曳并采用手拉葫芦控制调整钢梁分段吊装的空中状态。据现场安装思路, 以屋盖桁架中具有代表性的主桁架WJ-1及托架TJ-1为例说明分段方案并对最不利工况进行验算。

临时支撑架应具有足够刚度, 确保钢结构初始几何位置准确;临时支撑支点应设置在主桁架交叉节点的位置, 避免出现次弯矩;合理确定临时支撑架的位置与数量, 并减少临时支撑对混凝土结构施工的影响;应考虑临时支撑在竖向荷载作用下的压缩变形量;支撑架结构应具有足够的安全度;在整个施工期间, 应保证各种构件与结构的稳定性。

本工程屋盖钢结构临时支撑架高度最高约15m, 支撑架以每4m为1个标准节, 采用单片组合, 外型基本组合尺寸为2m×2m, 可扩展为以2m为模数的任意组合。支撑架由A, B, C 3个组件构成, 如图7所示, 可在施工中根据需要随意组合, 任意扩展。支撑架所有组件均由圆管构成。

该标准支撑架立柱采用法兰系统对接, 组件B与组件A, C间采用螺栓连接, 可方便支撑架的安装、拆除及支撑架的运输及堆放, 缩短施工周期。支撑架弦杆采用ф168×8无缝钢管, 腹杆采用ф89×5, 法兰板板厚为16mm, 其他节点板厚为12mm, 钢材采用Q235B钢。由于屋盖桁架尺寸较大, 桁架最高约2.8m, 宽2m, 为保证桁架分段吊装就位后空间位置及标高的准确性, 胎架自身应具备足够的强度和稳定性。

钢屋盖安装支撑架通过预埋件与二层楼混凝土楼面连接, 为保证土建结构及支撑结构的使用安全, 楼面下方至地面结构采用圆管构件反顶加固处理, 将支撑荷载通过型钢梁传递至混凝土梁或楼板, 最终通过混凝土柱或楼层间临时支撑传递至基础地梁。临时支撑架安装布置如图8所示。

钢屋盖桁架吊装分段地面拼装完成后使用吊装设备起吊并在高空进行对接, 施工难度大, 技术要求高^[5]。桁架高空安装时采用悬挂于桁架弦杆上的吊篮作为高空操作平台。分段桁架采用耳板对钢桁架实施空中对接。为准确定位, 已安装就位的桁架预留牛腿上设置安装托板, 后安装的桁架一端可直接搁置于安装托板上, 调整水平位置后利用连接耳板进行固定。整榀桁架安装完成、检测无误后, 实施最终焊接。同时在安装过程中需采用经纬仪、水准仪对临时固定、调整定位和测量校正等进行全过程监测。桁架高空吊装流程如下:高空对接支撑架搭设→复核柱顶连接节点轴线位置及标高→使用起重机将桁架分段吊装至支撑架上临时固定→调整分段桁架的轴线位置、标高→按吊装顺序将分段桁架吊装到位→对整榀桁架进行测量校正→焊接→焊缝探伤→涂装→中间验收。

为保证钢梁安装质量, 完成吊装前的校核和表面平整处理后采用下列技术措施进行钢梁安装。

1) 确定好钢梁安装位置, 将钢梁吊运至安装点处缓慢下降使钢梁平稳就位, 待钢梁与牛腿对准后, 用冲钉穿孔做临时就位对, 并将另一块连接板移至相对位置穿入冲钉中, 将梁两端打紧逼正, 节点两侧各穿入不少于1/3的普通螺栓, 临时加以紧固。

2) 每个节点上使用的临时螺栓和冲钉不少于安装总孔数的1/3, 临时螺栓不少于3套, 冲钉不宜多于临时螺栓的30%。

3) 调节好梁两端的焊接坡口间隙, 并用水平尺校正钢梁与牛腿上翼缘的水平度达到设计和规范规定后, 拧紧临时螺栓, 将安全绳拴牢在梁两端的钢柱上。

4) 任何一个单元钢柱与框架梁安装时, 必须校正钢柱, 柱间框架梁调整校正完毕后, 将各节点上的安装螺栓拧紧, 使各节点处的连接板贴合好以保证更换高强螺栓的安装要求。

本工程体量大、结构跨度大、涉及的施工工艺复杂。根据工程特点, 本文系统介绍了施工的重、难点和解决措施, 详细说明了桁架拼装精度的控制、胎架和临时支撑架的设置及桁架和钢梁的分段吊装等诸多施工技术措施。采用的合理施工方案和技术措施使整个钢结构吊装得以顺利完成。