液压同步顶升技术在风筝造型大跨度双曲面钢网架施工中的应用论文_刘卫

摘要：潍坊火车站新建南站房钢网架跨度大、风筝造型结构复杂、双曲面。对比分析搭设满堂脚手架高空散装方案，脚手架搭设面积大、安全风险大、安拆费用高、网架投影部分工序暂停施工、施工周期长。通过研究分段对称拼装、液压同步顶升技术在大跨度双曲面钢网架安装中的应用，在接近地面的位置完成安装与检测工作。实践表明分段对称拼装、液压同步顶升技术造价低、提高施工和结构的安全，缩短施工工期。

关键词：火车站；风筝造型；双曲面；大跨度；液压同步顶升；数值模拟

1.工程概况

潍坊火车站新建南站房设计以潍坊风筝文化为切入点，通过对称的蝴蝶造型，营造南北站房比翼齐飞、相得益彰的外观效果。站房建筑面积25495.94 ㎡，主体为钢筋混凝土框架结构，上部屋盖为空间网架结构采用正放四角锥螺栓球节点网架，下弦支承，网格单元尺寸约3m×3m。双曲面布置、风筝造型，平面投影最大尺寸67m×175m，投影面积15700m2，最大跨度63m。网架下弦为弧形、高低差达8.16m，网架厚度为1.3m～3.5m，总重量为650吨。南立面A轴有10根圆钢管柱支撑，其他均为钢筋混凝土柱。网架支座位于柱顶、为抗震球形钢铰支座。主体钢结构模型、钢网架屋面三维图如下：

图1-1主体结构模型

图1-2 钢网架屋面三维图

2.工程特点和方案选定

2.1 工程特点及难点

2.1.1屋面钢结构跨度大，南北最大跨度63m。

2.1.2 网架建筑高度大、网架支座呈阶梯布置，下弦为弧形，最高点+25.915m、最低点为+17.75m、高差8.165m。

2.1.3 网架杆件规格型号多，杆件有10种结构形式，螺栓球有11 种结构形式。

2.1.4 网架结构复杂，呈双曲面布置，风筝造型独特复杂。

2.2 方案选定

从技术、经济、工期、安全四个方面考虑采用中心网架起步单元现场地面拼装、利用液压同步顶升逐步分段对称拼装、分级顶升就位的施工方案。

本方案先确定好顶升架与支座位置关系，然后在一层大厅安检区域搭设顶升架后进行整体拼装，拼装完成后顶升至二层8.25m楼板平台处，同时在8.25m楼板将D~G轴网架延伸拼装形成整体后进行分级顶升。见图2.2.

（a）二层平台处向外延伸拼装

（b）网架分段拼装完成后分级顶升

图2.2 钢网架分段拼装、分级顶升

3.液压同步顶升系统

3.1 液压顶升设备校验

液压同步顶升系统是由电动泵站、油泵、控制阀、仪表、千斤顶、电脑控制系统、顶升架等组成的一种完整的液压动力系统装置。使用前应委托特种设备检测机构对油泵、控制阀、仪表和千斤顶等主要设备进行空载调试校验，确保设备运行状态良好。

3.2 顶升支架安全验算

借助3D3S软件受力分析，按照每个顶升点顶升最大量500KN，最大高度按照24m进行强度、刚度和稳定性验算。顶升支架顶部节点约束按单点铰接点约束考虑，顶升支架根部节点按四点铰接点约束考虑。本项目中千斤顶单个顶升量额定为500KN，根据施工方案拟布设24个顶升点位（见图3.2），即根据顶升网架结构自重，利用3D3S软件整体验算得出每个受力点实际受压值。

图3.2 网架顶升点布置图

表3.2：各顶升点安全技术参数

4.液压同步顶升施工技术（以中间区为例）

4.1 施工工艺流程

以施工难度大的中间区域为例。

准备工作（顶升设备进场）清点网架杆件、球杆件（球）分类编号在网架中心位置组对、借助临时支撑安装地面起步网架安装顶升架、分段对称顶升网架（参见图4.1）二层平台处向外延伸安装网架（参见图2.2）每次顶升前尺寸校核顶升至支座设计标高、分级卸载安装支座（参见图2.2）。

图4.1 地面小拼、分段对称拼装

4.2 顶升安装实施步骤及措施

4.2.1 顶升支架构造

按照施工模拟分析3D3S软件设置好的顶升点采用全站仪进行精准定位顶升架安装位置及下弦球的投影位置，安装顶升设备。见下图

图 4.2-1 顶升架三维图

4.2.2 网架顶升施工工况（以中间为例）

顶升范围中间区域A～G轴交5～12轴，顶升高度约为9.6～23.88m。按照此重量设置12个顶升点，现场分两步顶升：

（1）A～D轴地面网架，此部分设置8个顶升点

（2）D～G轴8.25米平台处网架，在原有8个顶升点基础上再增设4个顶升点。详见顶升点平面布置图3.2。

4.2.2.1 工况一：起步网架安装

图4.2-2 起步网架拼装完成及监测点布置示意图

利用临时支撑在地面上拼装起步网架，有4个顶升点B2、B3、B6、B7，起步网架完成后进行预顶升，静止24h后观察顶升架与网架状态；

根据已测设完成的平面位置及标高控制点，进行正负零部分网架的拼装工作，网架从中间向两侧逐网格对称延伸，先下弦后上弦。起步网架下弦球必须在其投影上，若偏差大于20mm则必须调整后再顶升，检测三点下弦球中心设计坐标及标高D1-D3点，其挠度沉降变形符合现荷载允许设计值。

4.2.2.2 工况二：将拼装完成后的起步网架顶升至可以满足后续网架安装的预定高度，对称安装后续网架。

有8个顶升点B1-B8，网架下弦球必须在其投影上，若偏差大于20mm则必须调整后再顶升，检测五点下弦球中心设计坐标及标高D1-D5点，其挠度沉降变形符合现荷载允许设计值。

图4.2-3 地面网架顶升安装完成及监测点平面布置图

4.2.2.3 工况三：拼装二层平台8.25米标高处网架，拼装完成后继续顶升至整个中间区域网架完成拼装。有12个顶升点B1-B12，网架下弦球必须在其投影上，若偏差大于20mm则必须调整后再顶升，检测九点下弦球中心设计坐标及标高D1-D9点，其挠度沉降变形符合现荷载允许设计值。

图4.2-4 中间区域网架拼装完成及监测点布置图

图4.2-5 最大负位移组合 10：Uz（mm）

根据计算分析模型，进行规范检验，检验结果表明，结构能够满足承载力计算要求，应力比最大值为0.84。

4.2.3网架安全就位

网架顶升至比支座设计顶标高高30cm后安装网架支座，按照《钢结构工程施工质量验收规范》核实抗震球形钢铰支座安装质量，重点为中心偏移、支座最大高差≤30mm，相邻支座高差≤15mm。网架支座验收完毕、顶升网架就位、加固。

图4.2-6 杆件应力比分布图

图4.2-7 网架就位后最大负位移组合 10：Uz（mm）

图4.2-8 网架就位后杆件应力比分布图

根据计算分析模型，进行规范检验，检验结果表明，结构能够满足承载力计算要求，应力比最大值为0.92。

4.2.4 顶升架设备的卸载

本工程每个顶升点采用同步卸载方法。即先将中间4个千斤顶同步降落，每次同步降落10mm，观察网架及顶升设备是否有异常现象。一切正常再进行第二个10mm的降落。直至降落至与周边顶升点设计挠度的差值。12个顶升点再同步降落与被顶升球脱离。

支架拆除：支架应于网架就位后按照顺序拆除，利用就位的网架作为拆除支架的支点，边拆除支架边降落千斤顶。随时监测网架在拆除支架时的挠度变化情况。

5.顶升施工关键控制点

5.1 双曲面拼装精度控制

研究如何实现渐变双曲面结构是关键，通过运用3D3S14.1空间结构设计软件整体建模，根据建筑装修造型，先定位网架支座点，在空间坐标系中通过逐个绘制节点球及杆件、调整下弦标高和网架厚度，结构模型精度精确至毫米，可以实现双曲面造型。

按照3D3S14.1空间结构设计软件模型导出施工图纸，顶升架和临时支撑顶标高按照网架下弦曲面设计标高精确设置；搭设顶升架轴线位移偏差控制在3mm内，高度偏差控制在5mm内。拼装和顶升过程中有专人用全站仪全过程监控校核网架下弦节点坐标是否在其投影线上，控制容许偏差30mm。

图5.1 网架正立面曲线模型图

5.2 顶升支架稳定性

5.2.1 顶升支架基础

经验算顶升支架地基承载力需满足100Kpa，为确保顶升支架基础不发生沉降，经计算架体底部增加5*5*0.5m的承台基础、砼强度等级为C30，承台底部配筋双向HRB400直径12@150mm。顶升架柱脚与钢板用钢折件焊接在一起，钢板每边焊接2个M20化学螺栓，固定顶升架的柱脚。

5.2.2 顶升支架刚度稳定

顶升架的高度按照B2点最高顶升架验算满足承载力要求，辅助构造措施。如：D轴侧共设2道刚性连接，在8.25米处设1道抱箍用140X4钢管与二层梁进行连接，在顶升架体14.4米处设置1道抛撑用2根114X4mm钢管与8.25m梁连接。另顶升架顶部向下第5节处增加设置2道直径15mm（6×37）览风绳。

图5.2 顶升架稳定措施三维示意图

5.3 顶升同步控制的要求

控制各点同步顶升，是保证施工安全和确保顶升顺利进行的一个重要方面。顶升时对同步的要求：网架顶升同步报警数值控制在5mm。制定顶升操作规程和顶升操作细则，并专门组织顶升操作人员培训、学习。

6.结语

本工程钢网架借助计算软件3D3S14.1对网架杆件应力进行细化设计及施工模拟分析，钢结构厂内按照设计规格尺寸精准下料、现场精准拼装、采用液压同步顶升技术，实现了风筝造型、双曲面、大跨度钢网架顺利安装。本安装方法相比较常规搭设满堂架手架后拼装施工方案，节省资金，为其他附属共工程施工创造工作面缩短工期，减少大量高空作业确保安全。

施工过程中顶升设备安装、分段对称顶升，到网架外延、增加顶升设备、再继续顶升，采用24套液压顶升系统计算机控制、同步运行，指挥系统和操作人员协调配合保证了操作的步调统一，安装完成后各项指标一次性验收合格。钢网架结构安全、优质、高效完成，本工程获得2019年度山东省优质结构工程。

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论文作者:刘卫

论文发表刊物:《基层建设》2020年第2期

论文发表时间:2020/4/30