巨型鋼管拱施工技術(shù)
作者：明希峰 邢長利 劉廣厚
時間：2013-10-18 17:16:33 [收藏]
摘要：根據(jù)工程具體情況，結(jié)合工程特點分析、確定了大拱制作及安裝方案，并詳細(xì)闡述了大拱加工、制作、安裝施工工藝及方法，并對吊裝單元及支撐體系進(jìn)行了有限元分析。為今后類似工程的施工提供了一些參考。
關(guān)鍵詞：巨型鋼管拱施工技術(shù)
摘 要：根據(jù)工程具體情況，結(jié)合工程特點分析、確定了大拱制作及安裝方案，并詳細(xì)闡述了大拱加工、制作、安裝施工工藝及方法，并對吊裝單元及支撐體系進(jìn)行了有限元分析。為今后類似工程的施工提供了一些參考。
關(guān)鍵詞：大拱 制作及安裝方案 吊裝單元 有限元分析 屈曲
1 大拱結(jié)構(gòu)簡介
如圖1所示，茌平縣文體中心體育館鋼結(jié)構(gòu)大拱由兩條空間曲線主拱通過水平連接桿件連接組成。大拱頂面軸線標(biāo)高為+45.500m，跨度為204m，現(xiàn)工作與山東聊建現(xiàn)代建設(shè)有限公司任總工程師。
兩條空間曲線主拱最大間距在底部為52m，最小間距在頂部為13m。每條空間曲線主拱分別由ø1500×24和ø1000×16兩種主要鋼管組成，兩種鋼管通過變截面的錐形鋼管過渡。兩條空間曲線主拱的水平連接桿件為ø325×8、ø377×10、ø450×10三種。大拱結(jié)構(gòu)所用材料材質(zhì)均為Q345B。該巨型鋼管拱與下面的弦支穹頂通過鋼管連接成整體。
本文主要介紹巨型鋼管拱的制作安裝施工技術(shù)。
2 大拱施工方案的確定
2.1 施工作業(yè)條件分析
大拱頂面軸線標(biāo)高為+45.500m，跨度204m，結(jié)構(gòu)自重較大。兩條主拱的軸線為空間曲線，必須由鋼板卷成許多小段鋼管拼接形成。若采用常規(guī)的分件高空散裝方案，需要搭設(shè)大量的高空腳手架，不但高空組裝、焊接工作量巨大，而且空間曲線的鋼管拼接定位十分困難，存在較大的質(zhì)量、安全風(fēng)險。施工的難度也可想而知，并且對整個工程的施工工期會有很大的影響。方案的技術(shù)經(jīng)濟性指標(biāo)較差。
2.2 大拱加工制作方案的選擇
大拱加工制作的重點和難點是兩條空間曲線主拱，主拱由ø1500×24和ø1000×16兩種主要鋼管組成，兩種鋼管通過變截面的錐形鋼管過渡。主拱構(gòu)件截面大，其軸線為三維空間曲線，定位困難。由于大拱與下面弦支穹頂?shù)木W(wǎng)殼通過鋼管連接，因此，對大拱的加工制作精度要求高。
根據(jù)以上情況，經(jīng)綜合考慮，我們選擇在地面制作主拱拼裝胎架，在地面進(jìn)行分段主拱的拼裝、焊接的加工制作方案。該方案的優(yōu)點有以下幾個方面：
1）大口徑鋼管采用鋼板卷成2.4m、2.1m、2.5m等不同長度的小段，便于鋼管的加工。
2）小段鋼管在拼裝胎架上拼接可以很好地保證空間曲線的順滑和設(shè)計精度。
3）在地面進(jìn)行焊縫的焊接可以有效保證鋼管焊縫的焊接質(zhì)量。
4）在地面胎架上拼接、焊接施工大大減少高空作業(yè)量，有利于保證施工安全。
5）在地面胎架上拼接、焊接施工減少高空作業(yè)量，可以合理地減少施工措施費。
由于主拱的跨度為204m，拱高45.5m，因此必須分段制作，具體分段節(jié)點結(jié)合現(xiàn)場及吊裝方案確定。
2.3 大拱吊裝方案的分析確定
大拱吊裝方案的選擇應(yīng)對施工現(xiàn)場的具體條件、起重設(shè)備的進(jìn)出條件及作業(yè)能力、吊裝后支撐點的設(shè)置、構(gòu)件吊裝過程中的穩(wěn)定性和吊裝方案的經(jīng)濟性等五方面因素進(jìn)行綜合考慮。
由于主拱的四個角均有一段長度約11m的鋼管需埋入混凝土基礎(chǔ)內(nèi)，我們稱該段為大拱基礎(chǔ)段，如圖2所示，這四段長度為13.153m的鋼管單獨加工和吊裝。
根據(jù)施工現(xiàn)場的具體條件，結(jié)合以往類似工程的成功經(jīng)驗，綜合考慮上述五方面因素，將大拱其余鋼結(jié)構(gòu)分為九部分，其中兩條主拱中間跨度約48m連接在一起作為一部分即拱頂段進(jìn)行整體吊裝。在主拱的正下方，在體育館土建外圍最靠近二層平臺的位置各設(shè)置一支撐架，在體育館場區(qū)內(nèi)的最外側(cè)各設(shè)置一支撐架，這樣就將兩條主拱再各分為四部分單獨進(jìn)行加工和吊裝。大拱每部分均采用吊車吊裝至預(yù)先搭設(shè)的支撐架上，然后進(jìn)行高空組對、焊接。此種方法將大大降低安裝施工難度，并可以有效保證施工質(zhì)量、安全和工期。
3 大拱的加工制作
3.1 主拱的分段加工
根據(jù)主拱吊裝方案的分析確定和小段鋼管的加工分節(jié)情況，按照設(shè)計要求，我們設(shè)計了主拱的分段拼裝專用胎架。根據(jù)大拱不同位置的形狀有所不同，我們共設(shè)計了6個拼裝胎架，所有胎架的設(shè)計均按曲線拱的軸線進(jìn)行定位反算得到，使得制作完成的每段大拱均能完全符合原設(shè)計要求。大拱拼裝胎架分段見圖3所示。圖4為1號拱拼裝胎架示意。
根據(jù)分段、加工區(qū)和施工現(xiàn)場的具體情況，對能夠運輸?shù)墓暗锥危?、4號胎架及相應(yīng)的拱底段在加工區(qū)制作，拱中段和拱頂段構(gòu)件長度太大，因此2、3、5、6號胎架及相應(yīng)的拱中段和拱頂段在施工現(xiàn)場制作。
圖3大拱制作拼裝胎架分段示意
圖4拱拼裝胎架示意（1號）(巨型鋼管拱施工技術(shù))
每段主拱拼接、焊接完成后，在其兩端的接頭位置焊接連接耳板，以確保每段與下一段在高空的準(zhǔn)確對接。主拱鋼管的拼接在上述專用胎架上進(jìn)行，該方案既能設(shè)計要求，因在地面進(jìn)行施工，大大提高了施工效率，又能很好地保證鋼管拼接焊縫的焊接質(zhì)量，同時保證了操作人員的施工安全，也節(jié)約了施工措施費用。
4 大拱的安裝
4.1 大拱總體安裝過程
空間曲線拱結(jié)構(gòu)最高點軸線標(biāo)高+45.500m，最低點標(biāo)高+3.750m。
空間曲線拱結(jié)構(gòu)的安裝，采用格構(gòu)支撐胎架，分段吊裝高空拼接的安裝方案，空間曲線拱分步安裝構(gòu)件分部示意圖如圖5所示。
空間曲線拱結(jié)構(gòu)的安裝過程主要分四步，第一步安裝拱基礎(chǔ)段的四節(jié)；第二步安裝拱底部的四節(jié)，吊裝就位后與各基礎(chǔ)段對接、焊接；第三步安裝拱中部的四節(jié)，吊裝就位后與各拱底段對接、焊接；第四步整體吊裝拱頂部，吊裝就位后與各拱中段對接、焊接。
圖 5空間曲線拱分步安裝構(gòu)件分部示意
4.2 主拱分段吊裝支撐架的設(shè)計
根據(jù)主拱吊裝方案支撐架位置的確定和制作拼接的具體分段情況，計算每段主拱在整個吊裝過程中各種工況下的支承反力，我們采用3D3S10.0計算分析軟件對支撐架及其基礎(chǔ)進(jìn)行了周密的設(shè)計，所設(shè)計的支撐架及其基礎(chǔ)能夠滿足施工過程中每個工況的受力及變形要求。圖6為拱安裝支撐架的軸測圖。
圖6拱安裝支撐架軸側(cè)效果圖
1)支架2的屈曲模態(tài)如圖7、圖8所示。
圖 7支架2的一階屈曲模態(tài)(巨型鋼管拱施工技術(shù))
圖 8支架2的六階屈曲模態(tài)
2）經(jīng)計算分析，在拱施工過程中支架的穩(wěn)定性能夠滿足要求。考慮到大拱安裝過程中工況復(fù)雜，在計算的基礎(chǔ)上，我們對格構(gòu)柱在第二道連梁下加大了截面，作為施工過程中的二次安全儲備。
4.3 主拱分段吊裝桿件變形及受力分析
我們根據(jù)分段情況，分別建立大拱的計算模型，利用有限元分析軟件對每段大拱在吊裝過程中的受力和構(gòu)件變形進(jìn)行了計算分析。圖9所示為曲線拱典型節(jié)段分段吊裝過程中桿件變形及受力圖。
(a) 吊裝模型
( b ) x向變形
（c）y向變形
(d ) z向變形
（e）應(yīng)力
圖9典型階段分段吊裝過程中桿件變形及受力
經(jīng)計算分析，在拱分段吊裝過程中構(gòu)件的變形及應(yīng)力數(shù)值均很小，能夠滿足施工要求。
4.4 安裝工藝
1）大拱基礎(chǔ)段長度為13.153m的四段，每段總重量為15.1噸，考慮到每段長度較小，便于運輸，我們在構(gòu)件加工區(qū)加工完成后運至安裝現(xiàn)場，再進(jìn)行吊裝。吊裝軸線最高點為3.75m，分別采用2臺25t的汽車起重機抬吊至預(yù)定支架位置。
2）大拱底段，每段長30.3米，每段總重量為29.3噸，該步安裝如圖10所示。
圖 10空間曲線拱底段安裝示意(巨型鋼管拱施工技術(shù))
3）大拱中段，每段長49.3m，每段總重量為28.9t，吊裝軸線最高點為41.2m，該步安裝如圖11所示。
圖 11空間曲線拱中段安裝示意
4）對于拱頂段，在場區(qū)內(nèi)的拼裝胎架3和拼裝胎架6制作完成后，安裝、焊接兩條大拱的水平連接構(gòu)件，將兩條大拱連接成一個整體，長度約為48.12m，總重量為40.9+10.8=51.7t，最大起吊高度為47m，采用2臺200t和汽車起重機抬吊至預(yù)定支架位置，然后其兩端分別與前一段構(gòu)件連接、焊接。該步安裝如圖12所示。
圖 12空間曲線拱頂段安裝示意
參考文獻(xiàn)
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(山東聊建現(xiàn)代建設(shè)有限公司，山東 聊城 252000)
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