中國建筑金屬結(jié)構(gòu)協(xié)會
建筑鋼結(jié)構(gòu)分會主辦
[摘 要]:介紹了昆明新機(jī)場鋼屋蓋的胎架滑移技術(shù)，并對胎架滑移施工過程進(jìn)行模擬計算，重點(diǎn)闡述了滑移軌道的設(shè)置、胎架的設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)踐證明該施工技術(shù)保證了昆明新機(jī)場鋼屋蓋的順利安裝就位，取得了顯著的工期效益和經(jīng)濟(jì)效益，可供此類工程參考。
[關(guān)鍵詞]:大跨度；鋼屋蓋；胎架；滑移
1 引 言
昆明新機(jī)場建設(shè)項目是國家“十一五”期間的重點(diǎn)建設(shè)工程，也是云南省特大型城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工程。其定位是中國面向東南亞，南亞和連接歐亞的國家門戶樞紐機(jī)場，因此國家和云南省都對此給予高度重視，確定了“建世紀(jì)工程，立千秋偉業(yè)，創(chuàng)中國一流”的項目目標(biāo)，建設(shè)“節(jié)約型，環(huán)保型，科技型和人性化的現(xiàn)代化綠色機(jī)場”。建成后，昆明將成為繼北京，廣州，上海之后全國第四個擁有國家大型門戶樞紐機(jī)場的城市。
昆明新機(jī)場航站樓，目前是我國單體投影面積和建筑面積最大的航站樓，其屋蓋為雙曲面外形，南北方向長約850m，東西方向?qū)捈s1120m，投影面積約17.828萬平米。在航站樓南端入口處有22m～32m的室外懸挑屋頂、北端局部區(qū)域設(shè)有11m的懸挑屋頂。屋蓋結(jié)構(gòu)設(shè)有6道溫度縫，將整個航站樓屋頂分為七部分，其中核心區(qū)（A區(qū)）屋蓋面積最大，其東西長約328m,南北方向?qū)捈s277m,屋蓋面積約8.5萬平米。屋蓋主體采用曲面空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，為四角錐網(wǎng)架和正交桁架系結(jié)合的網(wǎng)架形式。核心區(qū)(A區(qū))是屋蓋支承在彩帶結(jié)構(gòu)、懸臂鋼管柱、鋼管混凝土柱和搖擺柱柱頂，其他區(qū)域的屋蓋支承在懸臂鋼管柱和搖擺柱柱頂。網(wǎng)架通過三向固定鉸支座與下部支承結(jié)構(gòu)連接，整體效果圖如圖1所示。為了達(dá)到“彩帶”的建筑效果，建筑師將A區(qū)中心屋蓋支承結(jié)構(gòu)布置的十分簡潔流暢，各拱頂將作為屋頂網(wǎng)架支承點(diǎn)，如圖2所示。整個結(jié)構(gòu)線條流暢，造型新穎，但同時給施工帶來很大難度。
圖1.昆明新機(jī)場效果圖
圖2.A區(qū)彩帶軸測圖
2 施工方案
大跨度鋼屋蓋的安裝方法主要有高空散裝法、分條分塊吊裝法、高空滑移法、頂升法及整體吊裝法等[1-4]?？紤]到本工程A區(qū)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、場地條件以及施工工期等要求，最后采用高空滑移法中的設(shè)置滑移裝置，每次拼裝完一個單元后，滑移至下一位置組拼。
鑒于象征“七彩云南”的七根彩帶中，（與滑移直接有關(guān)的是4#~7#彩帶），均各以中心SO1軸東西對稱。而在東西半?yún)^(qū)的彩帶拱頂高度均為從邊向中由“較高——較低——最高”呈馬鞍形變化。為此，折線式滑移軌道，也應(yīng)按“較高——較低——最高”而變化。這樣在滑移時，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)下口不會碰到彩帶拱頂。因此，滑移軌道就簡化為在邊上初始位置的拼裝區(qū)一段距離平行抬高一段高度，以讓開彩帶沿邊上一段為較高的拱頂；然后通過一段傾斜的過渡軌道，再與+10.20m樓層面上的水平軌道相連接。相反，如果是直接在+10.20m樓面上的水平軌道上滑移，那么就只能按該滑移分塊滑移至其真實(shí)位置前，能通過的邊上彩帶拱頂和中心彩帶拱頂而定下滑移胎架的高度。這樣滑移胎架就要做得足夠高，否則網(wǎng)架結(jié)構(gòu)就要與彩帶初始位置相碰無法滑移。雖然軌道的做法簡易，卻給滑移分塊到位后，往下降至網(wǎng)架真正位置高度時帶來巨大的麻煩：需將滑移胎架頂上的頂升油泵（其行程只允許≤300mm）多次下降，則相應(yīng)要將滑移胎架頂部結(jié)構(gòu)逐步割去。這樣工作繁瑣，且增加了大量極不安全的高空作業(yè)，還會大大影響工程的周期和質(zhì)量。
2.1 滑移分塊及滑移軌道布置
由于A區(qū)屋蓋為對稱結(jié)構(gòu)，取1/2模型進(jìn)行分析，如圖3所示。
圖3.滑移分塊圖
滑移分塊總共分為10塊，以6#彩帶所在的12軸對稱分兩區(qū)，每區(qū)各分5塊，編號為A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8、A9、A10?；栖壍拦?條，分別位于3、4、7、8、11、13、15、18/5、軸上。其中滑移分塊A5、A10所在位置為安裝區(qū)域，即在該處對各個滑移分塊進(jìn)行拼裝，然后沿著滑移軌道滑到鋼屋架結(jié)構(gòu)的設(shè)計位置，A9分塊直接吊裝，A5、A10分塊在其設(shè)計位置進(jìn)行現(xiàn)場拼裝即可。在布置滑移軌道時，充分利用原有建筑結(jié)構(gòu)的混凝土梁作為軌道支撐，盡量避免對原有建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，減少臨時結(jié)構(gòu)費(fèi)用支出。選取原混凝土框架第三層結(jié)構(gòu)梁鋪設(shè)八條滑移軌道，網(wǎng)架的滑移分塊下弦焊接球節(jié)點(diǎn)支承在滑移胎架上，通過液壓爬行器牽引胎架沿著軌道滑動?；铺ゼ苤貜?fù)利用，每次滑到位后用臨時支撐換撐，滑走胎架，根據(jù)原建筑結(jié)構(gòu)，滑移分區(qū)及軌道布置如下圖4所示。
圖4.軌道布置圖
特別注意的是，滑移分塊A1～A5跨過5#彩帶，滑移分塊A6～A10跨過7#彩帶，故而在設(shè)計滑移軌道時需綜合考慮施工的可行性、以保證各滑移分塊可以順利通過彩帶。
2.2 滑移胎架設(shè)計
滑移胎架系統(tǒng)由格構(gòu)柱、聯(lián)系桁架組成（圖5），底部通過滑移箱梁與胎架連接，滑移箱梁上焊接耳板與液壓爬行器連接?；葡淞簲R置在滑移軌道上，在滑移箱梁與軌道接觸的兩側(cè)設(shè)置擋板，以便于適當(dāng)調(diào)節(jié)不同步的狀況。胎架尺寸及構(gòu)造如圖6所示。由于各分塊的安裝高度不統(tǒng)一，將胎架設(shè)計成標(biāo)準(zhǔn)節(jié)和非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)，通過組合調(diào)整，使胎架高度滿足各分塊的安裝要求?，F(xiàn)場胎架及液壓爬行器如圖7所示。
圖5.滑移胎架圖
圖6.胎架構(gòu)造圖
圖7.現(xiàn)場胎架及液壓爬行器
整個滑移結(jié)構(gòu)體系（網(wǎng)架、聯(lián)系桁架和滑移胎架）是一個剛性體。滑移過程中，在通過滑移軌道的變坡時，剛性體在斜坡上傾斜將會使上部網(wǎng)架重心前傾，增加施工不安全系數(shù)，且這樣的結(jié)構(gòu)無法自適應(yīng)變形，因此在軌道平衡梁下設(shè)置轉(zhuǎn)鉸機(jī)構(gòu)，如下圖8：
滑移胎架底部采用此機(jī)構(gòu)后，過斜坡時，滑移體系的自適應(yīng)過程如下：
圖8.滑移胎架底部自適應(yīng)體系及在斜坡軌道處的自適應(yīng)過程
對于這種高空的鋼結(jié)構(gòu)在斜坡上滑移時，結(jié)構(gòu)是否會傾覆是必須考慮的問題，為此通過sap2000的計算，得出了滑移體系在斜坡滑移時并不會出現(xiàn)傾覆的結(jié)論；但是后排滑移胎架的雙軌鉸點(diǎn)反力中，存在一個為負(fù)的反力，即此鉸滑移過程中會出現(xiàn)上翹，這對于滑移施工是很不利的。對于這種高空結(jié)構(gòu)，防傾覆也應(yīng)該作為一種安全保障。綜合考慮現(xiàn)場條件最后采用如下設(shè)計見圖9：
圖9.軌道處防傾覆裝置
該反鉤機(jī)構(gòu)安裝在后排胎架的平衡梁底部，用于防止結(jié)構(gòu)的傾覆，通過計算后鉸點(diǎn)的上翹力并不大，此反鉤機(jī)構(gòu)完全能夠滿足抗彎要求。
不過經(jīng)過滑移的實(shí)踐，可以對此機(jī)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化，使其在滑移過程中不僅可以防傾覆，而且可以起導(dǎo)向作用，防止滑移體系跑偏；結(jié)構(gòu)形式如下圖10所示：
圖10.防傾覆裝置改進(jìn)型
此結(jié)構(gòu)的局部放大圖11如下：
圖11.改進(jìn)型詳圖
此機(jī)構(gòu)的安裝位置也是后排胎架的軌道平衡梁下部。工作原理如下：當(dāng)滑移體系有傾覆或一個鉸翹起時，該機(jī)構(gòu)的輪子和軌道上翼緣下部接觸，防止結(jié)構(gòu)傾覆，且機(jī)構(gòu)的抗彎能力要明顯好于前面的反鉤機(jī)構(gòu)。而當(dāng)滑移體系跑偏時，輪子將和軌道腹部接觸防止跑偏，并可以很好的起到導(dǎo)向作用。
滑移胎架底部安裝的轉(zhuǎn)鉸機(jī)構(gòu)雖然解決了結(jié)構(gòu)過斜坡的問題，但由此產(chǎn)生了局部結(jié)構(gòu)的傾覆問題，下圖12分別為后排胎架和前排胎架在斜坡滑移時，轉(zhuǎn)鉸下部結(jié)構(gòu)的受力圖：
圖12.在斜坡軌道處的滑移胎架下部轉(zhuǎn)鉸結(jié)構(gòu)受力圖
通過受力分析可知，N和Fy產(chǎn)生的力偶為抵抗局部翻轉(zhuǎn)的力偶，對于防止該結(jié)構(gòu)的翻轉(zhuǎn)是有利的，為了增大此力偶，可以從增加力臂的長度考慮，設(shè)計如下圖13：
圖13.下部轉(zhuǎn)鉸處結(jié)構(gòu)改進(jìn)型
此滑撬結(jié)構(gòu)可以很好的增加力臂的長度，防止結(jié)構(gòu)繞轉(zhuǎn)鉸翻轉(zhuǎn)，但此時滑撬結(jié)構(gòu)受彎，為了提高結(jié)構(gòu)的抗彎能力，滑板上面采用工字鋼，在滑板與平衡梁連接處焊后進(jìn)行打磨平滑，這樣既可以很好的起到導(dǎo)向作用，而且避免出現(xiàn)滑板卡切軌道的情況。
當(dāng)然，受滑雪用的雪橇啟發(fā)，可以將結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計如下圖14：
圖14.轉(zhuǎn)鉸結(jié)構(gòu)改進(jìn)型的優(yōu)化
這種結(jié)構(gòu)不僅可以很好的起到局部抗翻轉(zhuǎn)作用，而且可以很好的起到滑移導(dǎo)向的作用。
3 滑移過程有限元分析
為了保證胎架系統(tǒng)在滑移過程中的整體穩(wěn)定性和安全性，有必要對滑移過程作模擬有限元分析，驗(yàn)算在各種工況下的結(jié)構(gòu)承載力和變形。本文采用SAP2000有限元軟件做滑移分析，并取最重的分塊1作滑移計算。
3.1 荷載工況
3.1.1荷載(D)
滑移胎架和網(wǎng)架自重。
3.1.2風(fēng)荷載(W)：考慮X向和Y向風(fēng)荷載，具體
風(fēng)荷載計算如下：
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