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巨型鋼管拱施工技術(shù)

作者：明希峰 邢長(cháng)利 劉廣厚    
時(shí)間：2013-10-18 17:16:33 [收藏]
摘要：根據工程具體情況，結合工程特點(diǎn)分析、確定了大拱制作及安裝方案，并詳細闡述了大拱加工、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(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：根據工程具體情況，結合工程特點(diǎn)分析、確定了大拱制作及安裝方案，并詳細闡述了大拱加工、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(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  大拱結構簡(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構大拱由兩條空間曲線(xiàn)主拱通過(guò)水平連接桿件連接組成。大拱頂面軸線(xiàn)標高為+45.500m，跨度為204m，現工作與山東聊建現代建設有限公司任總工程師。
    兩條空間曲線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)主拱的水平連接桿件為ø325×8、ø377×10、ø450×10三種。大拱結構所用材料材質(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(xiàn)標高為+45.500m，跨度204m，結構自重較大。兩條主拱的軸線(xiàn)為空間曲線(xiàn)，必須由鋼板卷成許多小段鋼管拼接形成。若采用常規的分件高空散裝方案，需要搭設大量的高空腳手架，不但高空組裝、焊接工作量巨大，而且空間曲線(xiàn)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(gè)工程的施工工期會(huì )有很大的影響。方案的技術(shù)經(jīng)濟性指標較差。
    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(xiàn)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。主拱構件截面大，其軸線(xiàn)為三維空間曲線(xiàn)，定位困難。由于大拱與下面弦支穹頂的網(wǎng)殼通過(guò)鋼管連接，因此，對大拱的加工制作精度要求高。
    根據以上情況，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(cháng)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(xiàn)的順滑和設計精度。
    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，具體分段節點(diǎn)結合現場(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對施工現場(chǎng)的具體條件、起重設備的進(jìn)出條件及作業(yè)能力、吊裝后支撐點(diǎn)的設置、構件吊裝過(guò)程中的穩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(gè)角均有一段長(cháng)度約11m的鋼管需埋入混凝土基礎內，我們稱(chēng)該段為大拱基礎段，如圖2所示，這四段長(cháng)度為13.153m的鋼管單獨加工和吊裝。
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    圖2大拱基礎段(巨型鋼管拱施工技術(shù))

    根據施工現場(chǎng)的具體條件，結合以往類(lèi)似工程的成功經(jīng)驗，綜合考慮上述五方面因素，將大拱其余鋼結構分為九部分，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置一支撐架，在體育館場(chǎng)區內的最外側各設置一支撐架，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(chē)吊裝至預先搭設的支撐架上，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
    根據主拱吊裝方案的分析確定和小段鋼管的加工分節情況，按照設計要求，我們設計了主拱的分段拼裝專(zhuān)用胎架。根據大拱不同位置的形狀有所不同，我們共設計了6個(gè)拼裝胎架，所有胎架的設計均按曲線(xiàn)拱的軸線(xiàn)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計要求。大拱拼裝胎架分段見(jiàn)圖3所示。圖4為1號拱拼裝胎架示意。
    根據分段、加工區和施工現場(chǎng)的具體情況，對能夠運輸的拱底段，其1、4號胎架及相應的拱底段在加工區制作，拱中段和拱頂段構件長(cháng)度太大，因此2、3、5、6號胎架及相應的拱中段和拱頂段在施工現場(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）(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確對接。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(shí)保證了操作人員的施工安全，也節約了施工措施費用。
    4  大拱的安裝
    4.1 大拱總體安裝過(guò)程
    空間曲線(xiàn)拱結構最高點(diǎn)軸線(xiàn)標高+45.500m，最低點(diǎn)標高+3.750m。
    空間曲線(xiàn)拱結構的安裝，采用格構支撐胎架，分段吊裝高空拼接的安裝方案，空間曲線(xiàn)拱分步安裝構件分部示意圖如圖5所示。
    空間曲線(xiàn)拱結構的安裝過(guò)程主要分四步，第一步安裝拱基礎段的四節；第二步安裝拱底部的四節，吊裝就位后與各基礎段對接、焊接；第三步安裝拱中部的四節，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。
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    圖 5空間曲線(xiàn)拱分步安裝構件分部示意

    4.2  主拱分段吊裝支撐架的設計
    根據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(gè)吊裝過(guò)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進(jìn)行了周密的設計，所設計的支撐架及其基礎能夠滿(mǎn)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圖。
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    圖6拱安裝支撐架軸側效果圖

    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)計算分析，在拱施工過(guò)程中支架的穩定性能夠滿(mǎn)足要求?？紤]到大拱安裝過(guò)程中工況復雜，在計算的基礎上，我們對格構柱在第二道連梁下加大了截面，作為施工過(guò)程中的二次安全儲備。
    4.3 主拱分段吊裝桿件變形及受力分析
    我們根據分段情況，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(guò)程中的受力和構件變形進(jìn)行了計算分析。圖9所示為曲線(xiàn)拱典型節段分段吊裝過(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)計算分析，在拱分段吊裝過(guò)程中構件的變形及應力數值均很小，能夠滿(mǎn)足施工要求。
    4.4  安裝工藝
    1）大拱基礎段長(cháng)度為13.153m的四段，每段總重量為15.1噸，考慮到每段長(cháng)度較小，便于運輸，我們在構件加工區加工完成后運至安裝現場(chǎng)，再進(jìn)行吊裝。吊裝軸線(xiàn)最高點(diǎn)為3.75m，分別采用2臺25t的汽車(chē)起重機抬吊至預定支架位置。
    2）大拱底段，每段長(cháng)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(xiàn)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(cháng)49.3m，每段總重量為28.9t，吊裝軸線(xiàn)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(xiàn)拱中段安裝示意



    4）對于拱頂段，在場(chǎng)區內的拼裝胎架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件，將兩條大拱連接成一個(gè)整體，長(cháng)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(chē)起重機抬吊至預定支架位置，然后其兩端分別與前一段構件連接、焊接。該步安裝如圖12所示。
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    圖 12空間曲線(xiàn)拱頂段安裝示意


    參考文獻
    [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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