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巨型鋼管拱施工技術(shù)

作者:明希峰 邢長(zhǎng)利 劉廣厚    
時(shí)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(diǎn)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(duì)吊裝單元及支撐體系進(jìn)行了有限元分析。為今后類(lèi)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(diǎn)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(duì)吊裝單元及支撐體系進(jìn)行了有限元分析。為今后類(lèi)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(jiǎn)介
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    圖1大拱桿件平面布置(巨型鋼管拱施工技術(shù))

    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(guò)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(guò)變截面的錐形鋼管過(guò)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(guò)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(xiǎn)。施工的難度也可想而知,并且對(duì)整個(gè)工程的施工工期會(huì)有很大的影響。方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)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(diǎn)和難點(diǎn)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(guò)變截面的錐形鋼管過(guò)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(guò)鋼管連接,因此,對(duì)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(diǎn)有以下幾個(gè)方面:
    1)大口徑鋼管采用鋼板卷成2.4m、2.1m、2.5m等不同長(zhǎng)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(jì)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(fèi)。
    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(diǎn)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)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(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)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(diǎn)的設(shè)置、構(gòu)件吊裝過(guò)程中的穩(wěn)定性和吊裝方案的經(jīng)濟(jì)性等五方面因素進(jìn)行綜合考慮。
    由于主拱的四個(gè)角均有一段長(zhǎng)度約11m的鋼管需埋入混凝土基礎(chǔ)內(nèi),我們稱(chēng)該段為大拱基礎(chǔ)段,如圖2所示,這四段長(zhǎng)度為13.153m的鋼管單獨(dú)加工和吊裝。
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    圖2大拱基礎(chǔ)段(巨型鋼管拱施工技術(shù))

    根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的具體條件,結(jié)合以往類(lèi)似工程的成功經(jīng)驗(yàn),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(tái)的位置各設(shè)置一支撐架,在體育館場(chǎng)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(dú)進(jìn)行加工和吊裝。大拱每部分均采用吊車(chē)吊裝至預(yù)先搭設(shè)的支撐架上,然后進(jìn)行高空組對(duì)、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(jì)要求,我們?cè)O(shè)計(jì)了主拱的分段拼裝專(zhuān)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(jì)了6個(gè)拼裝胎架,所有胎架的設(shè)計(jì)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(jì)要求。大拱拼裝胎架分段見(jiàn)圖3所示。圖4為1號(hào)拱拼裝胎架示意。
    根據(jù)分段、加工區(qū)和施工現(xiàn)場(chǎng)的具體情況,對(duì)能夠運(yùn)輸?shù)墓暗锥?,?、4號(hào)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(zhǎng)度太大,因此2、3、5、6號(hào)胎架及相應(yīng)的拱中段和拱頂段在施工現(xiàn)場(chǎng)制作。
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    圖3大拱制作拼裝胎架分段示意

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    圖4拱拼裝胎架示意(1號(hào))(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(duì)接。主拱鋼管的拼接在上述專(zhuān)用胎架上進(jìn)行,該方案既能設(shè)計(jì)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(shí)保證了操作人員的施工安全,也節(jié)約了施工措施費(fèi)用。
    4  大拱的安裝
    4.1 大拱總體安裝過(guò)程
    空間曲線拱結(jié)構(gòu)最高點(diǎn)軸線標(biāo)高+45.500m,最低點(diǎn)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(guò)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(duì)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(duì)接、焊接;第四步整體吊裝拱頂部,吊裝就位后與各拱中段對(duì)接、焊接。
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    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(jì)
    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(jì)算每段主拱在整個(gè)吊裝過(guò)程中各種工況下的支承反力,我們采用3D3S10.0計(jì)算分析軟件對(duì)支撐架及其基礎(chǔ)進(jìn)行了周密的設(shè)計(jì),所設(shè)計(jì)的支撐架及其基礎(chǔ)能夠滿足施工過(guò)程中每個(gè)工況的受力及變形要求。圖6為拱安裝支撐架的軸測(cè)圖。
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    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。
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    圖 7支架2的一階屈曲模態(tài)(巨型鋼管拱施工技術(shù))

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    圖 8支架2的六階屈曲模態(tài)

    2)經(jīng)計(jì)算分析,在拱施工過(guò)程中支架的穩(wěn)定性能夠滿足要求??紤]到大拱安裝過(guò)程中工況復(fù)雜,在計(jì)算的基礎(chǔ)上,我們對(duì)格構(gòu)柱在第二道連梁下加大了截面,作為施工過(guò)程中的二次安全儲(chǔ)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(jì)算模型,利用有限元分析軟件對(duì)每段大拱在吊裝過(guò)程中的受力和構(gòu)件變形進(jìn)行了計(jì)算分析。圖9所示為曲線拱典型節(jié)段分段吊裝過(guò)程中桿件變形及受力圖。
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    (a)   吊裝模型

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    ( b )  x向變形

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    (c)y向變形

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    (d )  z向變形

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    (e)應(yīng)力
    圖9典型階段分段吊裝過(guò)程中桿件變形及受力

    經(jīng)計(jì)算分析,在拱分段吊裝過(guò)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(zhǎng)度為13.153m的四段,每段總重量為15.1噸,考慮到每段長(zhǎng)度較小,便于運(yùn)輸,我們?cè)跇?gòu)件加工區(qū)加工完成后運(yùn)至安裝現(xiàn)場(chǎng),再進(jìn)行吊裝。吊裝軸線最高點(diǎn)為3.75m,分別采用2臺(tái)25t的汽車(chē)起重機(jī)抬吊至預(yù)定支架位置。
    2)大拱底段,每段長(zhǎng)30.3米,每段總重量為29.3噸,該步安裝如圖10所示。
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    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(zhǎng)49.3m,每段總重量為28.9t,吊裝軸線最高點(diǎn)為41.2m,該步安裝如圖11所示。
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    圖 11空間曲線拱中段安裝示意



    4)對(duì)于拱頂段,在場(chǎng)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(gè)整體,長(zhǎng)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(tái)200t和汽車(chē)起重機(jī)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。
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    圖 12空間曲線拱頂段安裝示意


    參考文獻(xiàn)
    [1] Chen Lui ru,Wang Boqin,H$ Zhaoqin .Constructs the steel structure construction handbook[M] . Beijing : China Project Press,2002.
    [2] Code for acceptance of construction quality of stell structures.[M] .  Beijing : China Project Press First edition,2002.
    [3] ] GB 50017 :2003  Code for design of steel structures[S] . Beijing : China Project Press First edition,2003.

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