鋼結(jié)構(gòu)技術論文
中國建筑金屬結(jié)構(gòu)協(xié)會
建筑鋼結(jié)構(gòu)分會主辦
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結(jié)合鄂爾多斯機場擴建工程大跨度空間結(jié)構(gòu)項目，提出了一種頂推累計滑移方法，詳細分析了其技術原理，提出了包括三向承力的滑道和滑道梁設計、減摩技術與減摩材料、模擬加載試驗技術、計算機控制技術等多項技術在內(nèi)的一整套施工工藝技術。采用有限元軟件對該方法的施工全過程進行了模擬分析，得到了施工過程中整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性能、桿件應力和結(jié)構(gòu)變形指標，進而制定了施工過程中關鍵的監(jiān)測點。通過實際施工過程中的監(jiān)測發(fā)現(xiàn)其與有限元分析結(jié)果吻合良好，驗證了本文提出的頂推累計滑移方法的施工過程的安全性、可行性和高效性。
關鍵詞：曲線頂推累積滑移 三向承力的滑道和滑道梁 減摩技術與減摩材料 模擬加載試驗技術 計算機控制技術
1 工程概況
鄂爾多斯機場新建航站樓整體造型為一只展翅的雄鷹，建筑物地上三層，地下一層，總建筑面積約為100277m2，，主體結(jié)構(gòu)采用鋼筋砼結(jié)構(gòu)，屋頂均采用大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋蓋,見圖1。
圖1 鄂爾多斯機場擴建工程效果圖
建筑中心位置（A區(qū)），為直徑108米的大型穹頂。A區(qū)結(jié)構(gòu)主要由圓形穹頂結(jié)構(gòu)和懸挑的鋼雨棚結(jié)構(gòu)組成。穹頂結(jié)構(gòu)主要由穹頂中心球殼、內(nèi)環(huán)桁架、主桁架以及主桁架之間扇形區(qū)域(包括外環(huán)桁架)鋼結(jié)構(gòu)組成。徑向主桁架共24榀，在其外側(cè)端部下方設有Y形鋼支撐柱，柱腳通過球形鋼支座與混凝土柱頂連接，混凝土柱頂標高為+21.8米。環(huán)向桁架共有兩圈，分別位于徑向主桁架的兩端。在內(nèi)圈環(huán)桁架的內(nèi)部，為穹頂中心球殼結(jié)構(gòu)，直徑為20米，頂部標高為+45.364米。
2 滑移施工工藝
結(jié)構(gòu)布置內(nèi)、中、外三環(huán)滑移軌道，內(nèi)環(huán)布置在內(nèi)環(huán)桁架下方（半徑10米），中環(huán)布置在半徑24.479米上，外環(huán)布置在穹頂結(jié)構(gòu)柱上（半徑54米），在結(jié)構(gòu)外環(huán)和中環(huán)布置頂推動力裝置，內(nèi)環(huán)安裝輪子作為從動軌道。
內(nèi)環(huán)桁架及中心球殼單元散裝安裝，環(huán)桁架下弦桿處安裝八個滑動臺車。徑向主桁架分兩段在地面拼裝，吊裝到滑移拼裝平臺上組裝完成主桁架，主桁架間單層網(wǎng)殼、環(huán)桁架和內(nèi)環(huán)采用高空散裝（圖2）。
大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)曲線頂推累積滑移施工:主桁架安裝
采用逆時針方向滑移，采用計算機控制的液壓同步推進設備，第一次滑移同時拼裝兩個區(qū)間（30度）進行滑移，以后每次左右同時累積結(jié)構(gòu)的1/24區(qū)間（15度），共累計滑移10次，直至24榀主桁架及其間網(wǎng)殼全部安裝到設計位置。
本工程中滑移頂推點共設置10處，分為兩組，分別在中、外環(huán)滑道上中心對稱布置。其中外環(huán)滑道上共6處，中環(huán)滑道上共4處。
滑移頂推點平面布置如圖3所示：
圖3 鄂爾多斯機場擴建工程:滑移頂推點平面布置圖
3 液壓頂推滑移關鍵施工技術
3．1 液壓滑移工作原理
“液壓同步滑移技術”采用液壓頂推器作為滑移驅(qū)動設備。液壓頂推器為采用組合式設計，后部以頂緊裝置與滑道連接，前部通過銷軸及連接耳板與被推移結(jié)構(gòu)連接，中間利用主液壓缸產(chǎn)生驅(qū)動頂推力。
液壓頂推器的頂緊裝置具有單向鎖定功能。當主液壓缸伸出時，頂緊裝置工作，自動頂緊滑道側(cè)面；主液壓缸縮回時，頂緊裝置不工作，與主液壓缸同方向移動。
液壓頂推器工作流程示意如圖4：
步序1：液壓頂推器頂緊裝置安裝在滑道上，靠緊側(cè)向擋板；主液壓缸缸筒耳板通過銷軸與被推移結(jié)構(gòu)連接；液壓頂推器主液壓缸伸缸，推動被推移結(jié)構(gòu)向前滑移。
圖4-1 大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)曲線頂推累積滑移施工步序1
步序2：液壓頂推器主液壓缸連續(xù)伸缸一個行程，頂推被推移結(jié)構(gòu)向前滑移一端距離（一個步距）。
圖4-2 大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)曲線頂推累積滑移施工步序2
步序3：一個行程伸缸完畢，被推移結(jié)構(gòu)不動；液壓頂推器主液壓缸縮缸，使頂緊裝置與滑道擋板松開，并跟隨主液壓缸向前移動。
圖4-3 大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)曲線頂推累積滑移施工步序3
步序4：主液壓缸一個行程縮缸完畢，拖動頂緊裝置向前移動一個步距。一個行程的頂推滑移完成；從步序1開始執(zhí)行下一行程的步序。
圖4-4 大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)曲線頂推累積滑移施工步序4
3．2施工監(jiān)測措施
鋼結(jié)構(gòu)頂推平移是由計算機自動控制的，滑移中同時安排人工測量對鋼結(jié)構(gòu)變形進行監(jiān)測，并由各頂推點操作人在行程中觀測滑道情況，行程結(jié)束時測量平移距離，采取多重保險。
3．3承載系統(tǒng)設計
頂推平移的承載系統(tǒng)由滑道、滑塊、反力架等組成。滑道、滑塊承受由結(jié)構(gòu)自重及摩擦力引起的三向反力，反力架承受結(jié)構(gòu)頂推滑移時的后座力，滑道起到導向作用，還受到一定的附加側(cè)向力。
(1)三向承力的滑道和滑道梁設計
滑道結(jié)構(gòu)在鋼結(jié)構(gòu)滑移過程中，起到承重、導向和橫向限制支座水平位移的作用，滑道和滑道梁承受三向反力。
外環(huán)利用柱頂標高為+21.8米的24根鋼筋混凝土立柱，沿環(huán)向設置鋼滑道梁形成通長滑道。中、內(nèi)環(huán)設置臨時支架鋼結(jié)構(gòu)，頂部設置環(huán)形鋼滑道梁。滑道直接鋪設在滑道梁的上面。滑道中心線應與滑道梁軸線重合，以減小滑移過程中滑移單元自重荷載偏心及水平推力對滑道梁的不利影響。內(nèi)環(huán)滑道采用從動滑移，考慮到其自轉(zhuǎn)、從動的工況特性，內(nèi)環(huán)滑移的設計應首先盡量減少摩擦，故選用了滾動摩擦的型式。另外，滑移支座處的架空高度盡量小，以增加整個內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)滑移過程中的穩(wěn)定性。
鋼滑道梁采用焊接H型鋼制作，滑道選用16a熱軋槽鋼制作，與滑道梁間斷焊接固定。滑道側(cè)面對稱設置擋板結(jié)構(gòu)，起到對槽鋼翼緣加固、以及抵抗滑移支座處可能側(cè)向推力的作用。如下圖5所示：
圖5 鄂爾多斯機場擴建工程 滑道側(cè)向擋板平面圖
屋面鋼結(jié)構(gòu)沿徑向的剖面為拱型結(jié)構(gòu)，有一定的支座水平推力，會對滑移的過程產(chǎn)生影響。為減小滑移支座對滑道的水平推力，采取釋放位移的方法來達到目的。實施時滑靴（鋼滑塊）與滑道側(cè)壁預留一定調(diào)節(jié)間隙，為水平推力的釋放預留空間。
(2)減摩技術與減摩材料
滑塊設計的關鍵是采用優(yōu)良的減摩材料制作減摩板。減摩板要求摩擦系數(shù)小，并且在額定壓力下變形小、摩損小、時效蠕變小，既能有效減小滑塊與滑道的摩擦力，又經(jīng)久耐用，附合頂推滑移的工況要求。同時，為保持良好的潤滑，還設置了潤滑油自動補給的孔道和裝置。
3．4頂推設備
本工程中采用液壓爬行器作為推進驅(qū)動設備。液壓爬行器為組合式結(jié)構(gòu)，一端以楔形夾塊與滑移重型軌道連接，另一端以鉸接點形式與滑移胎架或構(gòu)件連接，中間利用液壓油缸驅(qū)動爬行。選用的步進式液壓頂推器，是一種通過后部頂緊，主液壓缸產(chǎn)生頂推反力，從而實現(xiàn)與之連接的被推移結(jié)構(gòu)向前平移的專用設備。此設備的反力結(jié)構(gòu)利用滑道設置，省去了反力點的加固問題。
液壓推進器與被推移結(jié)構(gòu)通過銷軸連接，傳力途徑非常直接，啟動過程中無延時，動作精確度好。由于其反力點為步進頂緊式接觸，不會在滑移過程中產(chǎn)生相對滑動，所以同步控制效果更好。步進式的工作過程，使得同步誤差在每個行程完成后自然消除，無累積誤差，同步精度很高。
通過滑移設備擴展組合，滑移重量、跨度、面積不受限制。只要有合理的頂推位置，滑移距離不受限制，液壓爬行器具有逆向運動自鎖性，使滑移過程十分安全，并且構(gòu)件可以在滑移過程中的任意位置長期可靠鎖定。
液壓滑移設備體積小、自重輕、承截能力大，特別適宜于在狹小空間或室內(nèi)進行大噸位構(gòu)件滑移安裝。設備自動化程度高，操作方便靈活，安全性好，可靠性高，使用面廣，通用性強。
(1) 液壓頂推器
本工程中采用的YS-PJ-50型液壓頂推器。在外、中環(huán)滑道上根據(jù)單個滑移支點及總的反力值，按最不利工況計算配置滿足總的液壓頂推力需求的液壓頂推器數(shù)量，經(jīng)計算在中環(huán)滑道上配置4臺液壓頂推器，在外環(huán)滑道上配置6臺液壓頂推器。參見滑移頂推點平面布置圖。
(2)液壓泵源系統(tǒng)
YS-PP-60液壓泵源系統(tǒng)為液壓頂推器提供動力，并通過就地控制器對多臺或單臺液壓頂推器進行控制和調(diào)整，執(zhí)行液壓同步頂推計算機控制系統(tǒng)的指令并反饋數(shù)據(jù)。
在不同的工程使用中，由于滑移頂推點的布置和液壓頂推器的配置都不盡相同，為了提高液壓頂推設備的通用性和可靠性，液壓泵源系統(tǒng)的設計采用了模塊化結(jié)構(gòu)。根據(jù)頂推點的布置以及液壓頂推器數(shù)量和液壓泵源流量，可進行多個模塊的組合，每一套模塊以一套液壓泵源系統(tǒng)為核心，可獨立控制一組液壓頂推器，同時可進行多點擴展，以滿足各種類型工程的實際需要。
由于外、中環(huán)兩條滑道沿同心圓布置，之間距離較遠，故液壓泵源系統(tǒng)擬采用單滑道上跟隨液壓頂推器配置的方式，也可考慮采用跨兩條滑道對應液壓頂推器配置的方式。
本工程中，因兩條滑道上設備配置系數(shù)相差較大，采用每個分區(qū)每條滑道上一組液壓頂推器并聯(lián)，配置一臺YS-PP-60型液壓泵源系統(tǒng)的方式。另外，中環(huán)滑道半徑較小，且配置的液壓頂推器總數(shù)僅有4臺，故僅配置一臺YS-PP-60型液壓泵源系統(tǒng)，將4臺液壓頂推器兩兩并聯(lián)，分別由同一泵站的兩臺泵機提供動力。鋼結(jié)構(gòu)兩個分區(qū)對稱滑移的總配置為3臺YS-PP-60型液壓泵源系統(tǒng)。
(3)計算機控制系統(tǒng)
電器同步控制系統(tǒng)由動力控制系統(tǒng)、功率驅(qū)動系統(tǒng)、傳感檢測系統(tǒng)和計算機控制系統(tǒng)等組成。
電器控制系統(tǒng)主要完成以下兩個控制功能：集群頂推器作業(yè)時的動作協(xié)調(diào)控制。在牽引過程中，所有液壓頂推器都必須在計算機的控制下協(xié)調(diào)動作，為同步滑移創(chuàng)造條件；各點之間的同步控制是通過調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)的流量來控制液壓頂推器的運行速度，保持被推移結(jié)構(gòu)的各點同步運行，以保持其平面姿態(tài)。
液壓同步滑移施工技術采用傳感監(jiān)測和計算機集中控制，通過數(shù)據(jù)反饋和控制指令傳遞，可全自動實現(xiàn)同步動作、負載均衡、姿態(tài)矯正、應力控制、操作閉鎖、過程顯示和故障報警等多種功能。
操作人員可在中央控制室通過液壓同步計算機控制系統(tǒng)人機界面進行液壓滑移過程及相關數(shù)據(jù)的觀察和（或）控制指令的發(fā)布。通過計算機人機界面的操作，可以實現(xiàn)自動控制、順控（單行程動作）、手動控制以及單臺液壓頂推器的點動操作，從而達到鋼結(jié)構(gòu)累積滑移安裝工藝中所需要的同步頂推、姿態(tài)調(diào)整、單點毫米級微調(diào)。
本工程中共配置一套YS-CS-01型計算機同步控制及傳感檢測系統(tǒng)。
3．5穩(wěn)定性控制及頂推力的傳遞
本工程中鋼結(jié)構(gòu)屋蓋滑移單元滑移過程中，由于頂推點距離主桁架之間的水平結(jié)構(gòu)均有一定距離（鋼立柱處特別大）。頂推點的水平頂推力會產(chǎn)生繞其上部節(jié)點的附加彎距。此附加彎距不利于滑移過程中支撐結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。且當滑移單元開始滑移時，因為頂推點后面滑移支座與滑道的摩擦力與頂推力反向，將導致相鄰兩個鋼立柱分別朝相反方向的豎向扭轉(zhuǎn)，并將水平力直接傳遞給上部環(huán)桁架結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生不易控制的應力應變，對屋面鋼結(jié)構(gòu)滑移安裝過程的結(jié)構(gòu)安全不利。
為消除這種不易控制的影響，并從滑移安裝精度控制角度出發(fā)，保證后面的滑移支座與頂推點、以及所有滑移支座之間的同步性，應沿滑道方向，在相鄰的滑移支座之間加設臨時水平聯(lián)系桿件。
3．6液壓頂推系統(tǒng)調(diào)試及分級加載試滑移
液壓滑移設備系統(tǒng)安裝完成后，進行系統(tǒng)調(diào)試。待液壓頂推系統(tǒng)設備檢測無誤后開始試滑移。經(jīng)計算，確定液壓頂推器所需的伸缸壓力（考慮壓力損失）和縮缸壓力。開始試滑移時，液壓頂推器伸缸壓力逐漸上調(diào)，依次為所需壓力的20%，40%，在一切都正常的情況下，可繼續(xù)加載到60%，80%，90%，95%，100%。屋面鋼結(jié)構(gòu)滑移單元剛開始有移動時暫停頂推作業(yè)，保持液壓頂推設備系統(tǒng)壓力。對液壓頂推器及設備系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進行全面檢查，在確認整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及安全性絕無問題的情況下，才能開始正式頂推滑移。
4、屋蓋累積滑移施工模擬
根據(jù)施工方案，A區(qū)鋼屋蓋采用雙向累積滑移施工技術，由于拼裝、滑移過程中結(jié)構(gòu)受力與設計狀態(tài)時有所差別。一方面，邊界支撐條件和結(jié)構(gòu)受力體系可能不同；另一方面整個結(jié)構(gòu)體系是個逐步建立的過程，存在結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換，部分桿件受力特性可能發(fā)生改變，因此需要對施工過程中的若干關鍵工況進行計算，對可能發(fā)生的不利因素進行提前預警，以保證結(jié)構(gòu)施工的安全。
4.1計算模型圖6
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