澳门东亚运动会多功能场馆钢结构主桁架整体提升技术

澳门东亚运动会多功能场馆钢结构主桁架整体提升技术 澳门东亚运动会多功能场馆钢结构主桁架 整体提升技术 2006~-1月第上期总152期1磐笤INSTALLATION Jan.2oo6N..1T.taIN..152 ? 钢结构安装技术? 澳门东亚运动会多功能场馆钢结构 主桁架整体提升技术 澳门项目部 (中国机械工业建设总公司,北京100044) 摘要:澳门为2005年举办东亚运动会而新建的大型多功能体育馆的建设项目,经 过一年多的建设,已胜利完成并投 入使用.本文就其中该场馆建设的核心技术之一,钢结构主桁架整体提升技术做一 个介绍,以便在今后的工 程项目中对整体提升技术更好地加以推广应用. 关键词:大型场馆;钢结构安装;主桁架整体提升;计算机同步控制 中圈分类号:TU393文献标识码:B文章编号:1002—3607(2006)1-0021—04 1概况 澳门大型多功能体育馆是为2005年东亚运动会兴 建的主场馆之一,位于澳门路凼填海区,体育馆占地 122400平方米,建筑面积4.36万平方米.场馆结构为 半椭球型钢结构屋盖,屋盖展开面积约43600平方米 (+0.2米标高处投影椭圆长轴328米,短轴224米):屋盖 中心最大高度约54米. 体育馆钢结构共分为三部分,一是半椭球型钢屋 盖,二是主场馆围护钢结构,三是通道两侧支承钢结 构.半椭球钢屋盖沿长轴方向剖面顶线为椭圆,所有沿 短轴方向剖面顶线为圆弧.半椭球钢屋盖结构形式采用 多点支承的交叉桁架体系,纵向设二榀空间三向弯扭主 桁架.二榀主桁架最小投影水平距离为l1.0m,横向在 (2),(28)轴线处每根轴线设一榀单向弯曲,倒三角形断 面的次桁架,共26榀,在屋面边缘处设支承钢柱及柱顶 环向稳定桁架.所有桁架形式均为圆钢管相贯线桁架, 详见图1.其中两榀空间三向弯曲主桁架断面高度约为 12.0m.分为上下两部分,上部断面宽度为4m,高约为 4,4.5m(与椭球面相交),下部近似梯形,高度约7.0m, 上口宽度4m,下口宽度2m,该桁架中心线垂直于大地, 如图2所示.覆盖整个场馆空间的屋盖主体钢结构为纵向 两榀320米跨的大跨度空间主桁架,26榀最大跨度224米 的(平均跨度190米)纬向次桁架和环向桁架刚性联接形 成,整个屋盖由钢柱支撑.两榀纵向主桁架的安装为本 的关键工序,也是安装难度最大的一个工序. 环向桁桨 . 1 一 直{l锅柱 _ ,}一 图1钢屋盖系统平面图 : 图2主桁架断面图 2主桁架安装确定 主桁架因无法在澳门安装现场完成制作,故采用在 境内工厂进行分段制作,海运至澳门现场,然后在澳门 安装现场完成分段拼接和吊装就位.考虑运输问题,在 境内工厂将每,榀主桁架分为16段制作,每段长度约为 22m,最重的一段重约为80t.选择怎样的安装方案,安 全,便捷,经济将两榀重约2800H~的主桁架安装就位, 将是整个屋盖钢结构安装中的一个重要课题和难题,也 是完成该项工程的关键. 2.1常规分段吊装拼接方案 做法是:先根据起吊设备的能力,在地面将主桁架 按安装顺序一段一段拼接成若干个吊装分段单元,然后 分点搭设支撑拼接胎架,用大型吊车将分段单元吊装至 支撑拼接胎架上按安装位置摆放好并与下一个相连分段 单元拼装焊接,完成整个主桁架的安装工作. 由于主桁架重量重,高度高(主桁架中间部位高度达 54米),空间曲面桁架(重心不对称,难以确定),因此这 种方案有明显的缺点: 支撑拼接胎架用料大,且胎架材料重复利用率很 低; 需5001q]的大型吊机,租赁费用高; 高空作业施工效率低,安全性差: 高空拼焊施工难度大,质量不易控制: 澳门施工期正值台风季节,构件高空拼接需采取专 门措施防止构件倾覆: 拼装操作平台搭设工作量大,耗费人工. 2.2整体提升安装方案 针对常规分段吊装拼接方案的不足,提出主桁架整 体提升就位的方案.方案是:先将主桁架在地面拼装成 两个吊装分段单元(两个分段单元加上相连的中间次桁 架重量约28001q]),然后采用在提升架上放置液压提升 装置,将两个吊装分段单元同步整体起吊,进行空中合 拢对口,从而完成主桁架安装工作. 2.3两种方案的对比和整体提升安装方案的优点 由于拼装高度由42米降到了11米(指胎架高度),整 体吊装方案与常规方法相比,胎架材料节省75%(胎架平 均高度由20米降为5米),即可节约钢材6001q],胎架的 制作费用相应降低60%以上.吊机吊装能力从500~q]降至 2501q],从而机械费降低40%以上.最主要的是提高了工 效50%以上,施工质量得到保障及大大降低了施工中的 不安全性. 通过方案对比并经过专家论证,最终确定采用主桁 架地面拼装,液压整体提升的安装方案. 3主桁架整体提升工艺 主桁架整体起吊采用液压提升法,其安装工艺流程 如下: 主桁架地面拼装一提升架制作安装一设置提升架缆 风系统一安装液压提升设备一安装应力应变监测系统一 安装桁架落端滑移装置应力应变监测和过程数据统计分 析一加载,提升,超提一拆除滑移装置固定落地端一空 中对口拼接一拆除提升架. 4主桁架提升解决的技术难点 4.1提升架的设计 主桁架以及相连中间次桁架拼装完后,重量约为 28001~,提升所用提升井架需要自行设计.根据提升就 位需要,提升架高度应在65米左右,由于安装现场紧临 海边,且施工时间处于台风季节,因此,风载是必须加 大考虑.还有,由于提升架承受载荷大,还必须考虑提 升架基础的不均匀沉降对其影响.另外根据现场情况, 充分利用工程原有材料,以提高材料的重复利用率,降 低成本. 4.2主桁架提升的同步要求 由于两榀主桁架中间用次桁架联接,在主桁架的提 升过程中,如果两榀主桁架不同步,将产生变形,这是 不允许的.因此,在本方案中采用计算机控制液压同 步提升系统.提升油缸为4台350吨,4台2001q],均为 穿芯式结构.钢绞线采用高强度低松弛预应力钢绞线, 公称直径为15.24mm,截面积为140mm,抗拉强度为 1860N/mm,破断拉力为260.7KN,伸长率在1%mj-的最小 载荷221.5KN.液压泵站是提升系统的动力驱动部分, 它的性能及可靠性对整个提升系统稳定可靠工作影响最 大.在液压系统中,采用比例同步技术,可以有效地提 高整个系统的同步调节性能. 主控计算机除了控制所有提升油缸的统一动作之 外,还必须保证各个提升吊点的位置同步,只有这样才 能保证各吊点受力均衡.在提升体系中,设定主令提升 吊点,其它提升吊点均以主令吊点的位置作为参考来进 行调节,因而,都是跟随提升吊点.主令提升吊点决定 整个提升系统的提升速度,可以通过泵站的流量分配和 其它因素来设定提升速度.根据本次提升系统的设计, 最大提升速度控制在5米/JJ,,时左右.主令提升速度的设定 是通过比例液压系统中的比例阀来实现的.在提升系统 中,每个提升吊点下面均布置一台激光测距仪,这样, 在提升过程中这些激光测距仪可以随时测量当前的主桁 架高度,并通过现场实时网络传送给主控计算机.每个 跟随提升吊点与主令提升吊点的跟随情况可以用激光测 距仪测量的高度差反映出来.主控计算机可以根据跟随 提升吊点当前的高度差,依照一定的控制算法,来决定 相应比例阀的控制量大小,从而,实现每一跟随提升吊 点与主令提升吊点的位置同步. 为了提高提升系统的安全性,在每个提升吊点都布 置了油压传感器,主控计算机可以通过现场实时网络监 测每个提升吊点的载荷变化情况.如果提升吊点的载荷 有异常的突变,则计算机会自动停机,并报警示意. 4.3主桁架落地端的滑移处理 主桁架在提升过程中落地端随之处于水平滑移状 态,由于提升锚具要求提升钢绞线偏斜角度不大于3., 同时钢绞线偏斜角度过大产生的水平力对提升架以及缆 风系统受力不利.因此需在主桁架提升的同时对落地端 进行水平牵引滑移,滑移的平稳,轨迹的正确性以及滑 动摩擦力将直接影响到整个提升过程的安全性以及主桁 架定位的准确性. 主桁架落地端每个支点载荷约为200n~,共8个支 点,采用新型滑移材料聚四氟乙烯板来代替传统的滚杠 或滑轨,滑移装置主要包括:落地端滑移导向装置,滑 移牵引装置及防止两榀主桁架外移的牵引装置等;滑移 导向装置包括滑移导轨和滑移小车.滑移过程中为保证 提升和滑移的同步协调进行,滑移牵引装置,我们采用 规格为H32X4D的32吨滑轮组及由电气控制其同步的卷 扬机组成,共4组. 4.4中间嵌补段取消 采用中间嵌补段可以很好地控制调整主桁架整体拼装 ,保证质量,但同时也带来了需要另外的大型吊机,空 中对口工作量增加一倍,安全性能降低等诸多不利.我们 权衡利弊,决定取消中间嵌补段.为此,在主桁架地面拼 装过程中我们应用了激光全站仪,对主桁架分段地拼装进 行精确的定位.根据设计院的设计模型,将主桁架的空中 状态调整到地面拼装状态,对关键节点的三维坐标进行量 取,取得设计的理论值,然后据此应用全站仪对实际拼装 尺寸进行测量和精确地调整,从而保证了主桁架分段以至 整体的定位尺寸,达到了质量控制. 4.5吊点,支点.顶点结构设置 4.5.1吊点结构 主桁架在提升过程中吊点处存在转动,因此将吊点 设置为铰支连接,吊点如图3所示. 图3吊点结构图 4.5.2落地端支点 主桁架在提升时落地端存在集中载荷,为此需对主 桁架落地端支点及支点上部杆件进行加固. 4.5.3顶点处理 主桁架提升到位后,需要拆除主桁架落地端的滑移 小车及滑道等,安装落地端支座,此时需要用千斤顶顶 起主桁架落地端才能进行.因此,需要在主桁架落地 端千斤顶顶升处设置顶点,顶点位置应设在主桁架节点 上,且受集中载荷下而不发生失稳及变形,这样保证主 桁架落地端在拆除滑移小车顶升时,不会对主桁架的结 构造成破坏,从而保证主桁架是安全的. 4.6主桁架提升时,保证提升钢绞线垂直度的措施和 主桁架弹性变形的处理 4.6.1提升钢绞线垂直度的措施 主桁架在提升过程中,主桁架落地端一直处于滑移 状态,因此提升钢绞线的垂直度保证显得非常重要,体 现在以下两个方面:其一,锚具对钢绞线的垂直度要 求,这对吊装安全起重要作用;其二,提升架以及缆风 系统对钢绞线垂直度的要求,如果钢绞线垂直偏移较 大,将对提升架以及缆风系统产生较大的水平分力,对 整个提升系统不利.措施如下: 在主桁架提升的过程中,用经纬仪全程跟踪钢绞线 的水平偏移量,设置边界值; 列出主桁架提升高度与落地端滑移距离的对照, 在滑移导向轨道上画出距离标记,用全站仪测量主桁架 的提升高度; 滑移端设置导向装置. 4.6.2主桁架弹性变形的处理 主桁架提升脱离胎架后,经过计算,因拱变形影响, 单侧主桁架伸长1lOmm(对非拱形构件无此影响),且在中 部的下挠度达360mm,为消去主桁架弹性变形对主桁架合 拢拼接定位及对后期次桁架安装定位的影响,保证主桁架 拼装定位精度,措施如下: (1)在主桁架地面分段拼装时,两个拼装单元中间需 留出300mm间隙,同时提升时采用错位提升的方法,以便 在提升时,不会因主桁架伸长而发生干涉. (2)因主桁架变形影响,主桁架提升到设计标高时 落地端支座并未到达设计水平位置,解决此问题的方法 是对主桁架进行超提,落地端支点到位后,拆除滑移装置 及定位导向装置,安装落地端支座,然后再下降主桁架至 设计标高. (3)为消去主桁架变形(主要是伸长和下挠度),其方 法是将主桁架单侧中部增设一组临时支撑和主桁架八个支 撑钢柱一同支撑主桁架,此时主桁架最大下挠度降为8mm, 伸长量基本消除,从而基本上消去了主桁架变形对其安装 定位精度及对次桁架安装定位精度的影响. 4.7应力应变监测 为保证主桁架整体提升过程的安全性和可靠性,对 其结构和提升架在提升过程的受力,变形进行充分计算 分析.在此前提下,对主桁架各主要受力杆件和提升架在 提升过程中的应力应变进行实时监控,为提升过程提供 有力的科学保证. 在主桁架的安装过程中,对主桁架上的监测点应变数 值进行测量.在主桁架提升的过程中,按每提升]一2米及在 计算书中强度验算所选取的高度下记录应变数据.最后对 整个提升阶段的应变数据进行整理并选取典型测点做应力 随主桁架安装过程变化曲线. 根据施工过程,将主桁架的安装过程分为以下四个 阶段: 阶段一:主桁架从地面提升至设计标高: 阶段二:主桁架从设计标高提升至超出设计标高 1米处: 阶段三:将主桁架下落至设计标高: 阶段四:主桁架对接完成,撤除提升装置. 测试结果根据安装过程的四个阶段进行记录,根据 各监测点的应变数据和应力一应变关系:盯=E?,(E= 2.06x10sN/mm~),可以得到各测点的应力值. 4.8抗台风处理 由于本工程施工地点位于填海区,并且施工时间是 台风季节,主桁架提升周期大约在15天左右,要保证整 个提升过程绝对安全可靠,即在台风到来时,有防台风 措施.我们根据气候的中,近期预报,确定提升时间, 同时制订了提升过程中的防台风方案.因该方案在特殊 地点采用,故在此不作详述. 5提升过程中数据统计分析技术 除应力应变的监测外,还对整个提升过程中64个监控 点进行全程实时监控.保证提升的每一个指令都是在切实 的实际测量状态和一定的理论计算保证的前提下发出的. 实时监控的项目主要包括:主桁架提升高度,提升井架的 沉降,不均匀沉降及垂直度,缆风系统拉力及其滑轮组的 工作状态,四个落地端滑移距离,与滑移导向装置间隙及 其滑轮组工作状态,提升装置各组钢绞线垂直偏角,提升 油缸油压,各提升点相对高差等.在提升的准备工作中,我 们进行了大量的计算工作,把每一个监控点理论的状态进 行了量化,同时把允许的上下浮动的偏差状态(边界值)一一 进行了量化,制作成了主桁架提升过程监控数据库模式,同 辱理论状态,边界值状态各数据生成曲线图.在实施中, 每一个提升分段点通过多台对讲机报数,实时将实际获 取的数据生成的曲线同上述三条曲线进行比较,分析与理 论曲线的差异大小是否在允许的范围内,确定是否需要调 整,为下一步提升动作提供充分的监控数据,为下一个指 令的发出提供有力,科学,有效的依据. 6应用效果 该方案通过本次项目的实际运用,完全达到了预期 的目的,安全,可靠,经济,快捷地完成了主桁架的提 升就位工作,整个提升过程完全在我们预计控制范围 内,提升系统(含提升架)载荷及主桁架应力应变情况也 与理论计算基本相符.本次液压提升技术通过大胆创新 及综合运用多项先进科学技术,成功完成了超大跨度的 大型拱形钢结构的吊装工作,为大型构件的整体提升技 术开创了一个新的应用领域,也是推广运用建设部"十 大新技术"的成功范例.