柔性大跨度索桁架結(jié)構整體提升技術魯班獎總結(jié)

柔性大跨度索桁架結(jié)構整體提升技術一、工程概況****大廈索桁架屋蓋長43.2m，寬40.5m，是由兩榀HJ2和31榀SHJ組成。其中HJ2單重約200t，SHJ單重約6噸，總重約600t，加上31根索及索頭，中庭屋面結(jié)構總重約650t。屋蓋安裝就位標高為53.5m。針對提升重量大、安裝標高較高的結(jié)構，一般有兩種施工方法：高空組拼式或地面拼裝后整體提升。結(jié)合****現(xiàn)場實際情況，高空組拼式安裝方法需要在中庭范圍內(nèi)由地面到53.5m高空搭設“滿堂紅”腳手架，地下室還需要支頂，工作量大，工期長，工作效率低。經(jīng)過計算分析決定采用地面散拼，整體提升就位的安裝方法。地面拼裝，整體提升的方法是先將散件在地面胎架上拼裝，難度相對空中散拼大大降低，最后整體提升到設計標高，具有工作量小，工期短，工作效率高等特點。本工程提升工作的難度在于控制柔性屋面的變形，避免吊點提升不同步給HJ2和索桁架屋面之間的支座造成損傷。二、整體提升計算分析1.結(jié)構計算模型圖4-3-1HJ2及屋頂張弦梁結(jié)構整體提升渲染圖2.荷載計算（1）中庭恒載：屋面恒載（0.9kN/㎡，不包括結(jié)構自重），結(jié)構自重由軟件自動生成?；钶d：0.5kN/㎡風載：根據(jù)風洞試驗報告得到風荷載取值如下：風振系數(shù)：βz=1.2負風壓：ωk=βzμsμzωo=βzrCpωo=1.2×（0.77＋0.2）×1.619×0.45=0.848kN/㎡（2）雨棚恒載：屋面恒載（0.7kN/㎡），結(jié)構自重由軟件自動計算活載：0.5kN/㎡風載：根據(jù)風洞試驗報告，雨棚風壓標準值，正風：0.5kN/㎡，負風：1.0kN/㎡（3）吊橋恒載：橋面恒載（3.0kN/㎡）,結(jié)構自重由軟件自動計算活載：3.5kN/㎡（4）玻璃幕墻恒載：玻璃自重恒載（0.6kN/㎡）,結(jié)構自重由軟件自動計算風荷載：根據(jù)根據(jù)風洞試驗報告得到風荷載取值如下：風振系數(shù)：正風壓取1.31，負風壓取2.42。50年一遇的風荷載值如下：正風壓：ωk=（0.58＋0.2）×1.619×0.45＝0.78kN/㎡負風壓：ωk=（0.53＋0.2）×2.42×0.45＝1.29kN/㎡100年一遇的風荷載值如下：正風壓：ωk=（0.58＋0.2）×1.619×0.5＝0.87kN/㎡負風壓：ωk=（0.53＋0.2）×2.42×0.5＝1.43kN/㎡其中0.58，0.53是試驗報告中的索幕面的風壓系數(shù)平均值，0.2為根據(jù)規(guī)范疊加的內(nèi)壓值。計算中按50年一遇的風壓計算變形，100年一遇風壓計算承載力。（5）水平地震荷載計算抗震設防烈度：8度影響系數(shù)：0.16（6）溫度荷載：溫度荷載考慮±343.施工過程模擬計算（1）HJ2、頂棚上弦整體拼裝計算先在地面拼裝頂棚張弦梁結(jié)構上弦與HJ2桁架，在頂棚上弦中部設置六處支撐點，兩側(cè)與樓房的連接處每8.1米處設置一個支撐。由于在地面拼裝，結(jié)構荷載僅有結(jié)構自重，荷載小，支撐點在滿足結(jié)構拼裝要求的情況下，上弦結(jié)構變位和應力很小，說明張弦梁結(jié)構是安全的。（2）HJ2、頂棚鋼結(jié)構整體提升(施加最終預應力的100％)在地面拼裝完HJ2和頂棚上弦的構件，安裝下弦的索，并施加預應力，施加到最終預應力的100%。頂棚整體提升時，保證張弦梁結(jié)構兩側(cè)提升點在提升過程中各提升點的同步性，盡可能控制各提升點提升高度差異，這樣保證了整體結(jié)構在提升過程中的內(nèi)力的分配均勻和結(jié)構的整體穩(wěn)定。在地面安裝下弦的索，并施加預應力到最終預應力的100%，頂棚結(jié)構中部最大起拱值為88mm。X向水平的最大位移為3.78mm，Y向水平最大位移為1.5mm。整體提升時HJ2在結(jié)構自重下的撓度為13.62mm。圖4-3-2頂棚提升過程中整體變位圖圖4-3-3頂棚提升過程中整體變位圖最大值Uz=88mm最大值Ux=3.78mm圖4-3-4頂棚提升過程中整體變位圖圖4-3-5HJ2提升過程中HJ2的變位圖最大值Uy=1.5mm最大值Uz=-13.62mm在提升過程中，張弦梁結(jié)構中部起拱最大,約88mm，約1/450的撓度,基本滿足施工過程中結(jié)構的撓度要求。兩側(cè)的HJ2由于剛度較大，所以豎向位移較小，約14mm的位移，完全能保證提升過程中的剛度要求。各支座間最大位移差為6.4mm。（3）HJ2及屋頂張弦梁結(jié)構整體提升部分各桿件應力圖4-3-6圖4-3-7桁架及張弦上弦梁最大等效應力在45Mp（同步）索應力在28~300Mp之間（同步）圖4-3-8圖4-3-9桁架及張弦上弦梁最大等效應力在61Mp桁架及張弦上弦梁最大等效應力在50Mp（不同步+20mm）（不同步-20mm）4.提升支承牛腿的計算（1）HJ2提升支承牛腿的計算圖4-3-10HJ2提升牛腿整體模型圖圖4-3-11牛腿處荷載及變位圖（鋼構件自重標準值）豎向位移最大值Uz=1.7mm設計彎距為M=2405KN·M,剪力V=1726KN彎曲應力為(安全)剪應力為(安全)（2）張弦梁結(jié)構提升支承牛腿計算依據(jù)主中庭提升施工過程的模擬計算分析結(jié)果，中部提升各支座提升力的最大標準值為Vk=397KN。提升牛腿的截面：提升力設計值為：支座伸臂長度為，e＝1.1m偏心彎矩：截面抗彎模量：彎曲應力為(安全)剪應力為(安全)Fz=330KNKNFz=352KNKNFz=950KNFFz=330KNKNFz=352KNKNFz=950KNFz=580KNFz=907KNFz=397KNKNFz=565KNKN圖4-3-12各提升點的提升力包絡值三、提升體系的設計和布置1.提升吊點及同步觀測點的布置根據(jù)中庭整體受力值計算出了屋面各點的受力情況，具體數(shù)值見下圖：Fz=110KNKNFz=195KNKNFz=481KNKNFz=750KNFz=275KNKNFz=110KNKNFz=195KNKNFz=481KNKNFz=750KNFz=275KNKNFz=753KNFz=478KN圖4-3-13各吊點反力情況示意圖根據(jù)圖1各提升點的提升力標準值情況，以及結(jié)構自身特點共設置14個提升吊點，位置及編號如圖所示：76314131211109=45.6mm8=45.6mm吊橋側(cè)HJ25=45.6mm4=45.6mm2=45.6mm1=45.6mm76314131211109=45.6mm8=45.6mm吊橋側(cè)HJ25=45.6mm4=45.6mm2=45.6mm1=45.6mm圖4-3-14提升吊點布置圖在提升過程中，我們除了監(jiān)控提升的14個點以外，對于屋面中間還設置了五個觀測點。14mm10mm11mm12mm6=45.6mm19181716151=45.6mm2=45.6mm3=45.6mm4=45.6mm5=45.6mm14mm10mm11mm12mm6=45.6mm19181716151=45.6mm2=45.6mm3=45.6mm4=45.6mm5=45.6mm8=45.6mm7=45.6mm9=45.6mm圖4-3-15測量監(jiān)控點布置圖2.提升牛腿的確認在加工主中庭HJ2桁架時，我們已經(jīng)考慮到提升時需要牛腿支撐，因而將HJ2桁架牛腿上弦桿加長到1800mm，既可以承重千斤頂，又可以易于從下往上安裝HJ2。利用被提升桁架結(jié)構本身的一部分作為提升牛腿的方案，這種方案的優(yōu)點是，不用另做提升牛腿，省時、省力、省料、提高了安裝效率，降低安裝成本。具體牛腿形式如圖所示：圖4-3-16提升牛腿立面示意圖（HJ2外側(cè)）圖4-3-17提升牛腿立體示意圖（HJ2內(nèi)側(cè)）對于HJ2牛腿及其余六個點的提升牛腿，****機施公司提供牛腿節(jié)點形式，我方根據(jù)節(jié)點圖繪制完成了一套加工圖并復核牛腿強度。3.提升油缸的選擇與布置根據(jù)現(xiàn)有的設備能力及本工程的實際情況，經(jīng)過選擇后采用了40噸提升油缸。圖4-3-18最初確定提升設備平面布置圖根據(jù)各個提升吊點的受力情況以及結(jié)構本身的特點，我們將在圖中2、6、9、13號提升點各布置3臺LSD40，其它各個提升吊點各布置2臺LSD40。4.提升平臺及下吊點支架的設計（1）提升平臺的設計HJ2提升平臺形式如圖所示：圖4-3-19圖4-3-201、7、8、14號提升點上提升平臺示意圖2、6、9、13號提升點上提升平臺示意圖從提升同步性和結(jié)構本身點的反力來考慮，需要放置3個千斤頂，但考慮到一側(cè)放置1臺，而另一側(cè)放置2臺，會產(chǎn)生扭矩的不平衡，從而使HJ2上弦梁受扭，所以設計時使2臺千斤頂一側(cè)的力臂是另外一側(cè)放置1臺千斤頂?shù)牧Ρ鄣囊话?，這樣就使上弦梁兩側(cè)所受扭矩平衡。圖4-3-21HJ2提升上平臺安裝位置示意圖（2）提升下錨點支架的設計提升下錨點支架示意圖：圖4-3-22下錨點支架示意圖圖4-3-23HJ2提升下錨點支架安裝位置示意圖5.液壓系統(tǒng)的選擇與布置為滿足提升油缸驅(qū)動數(shù)量的要求、提升速度的要求、提升過程中同步調(diào)節(jié)性能的要求、控制模式要求等幾個原則，結(jié)合本工程提升油缸的布置，共準備6臺液壓泵站，流量為40L/min，兩側(cè)主結(jié)構上各布置3臺。該規(guī)格的泵站為雙泵、單比例閥和雙路液壓泵站。根據(jù)上述液壓泵站配置，提升速度可達3米/小時。6.計算機控制系統(tǒng)的選擇與布置為滿足控制能力強、傳感器檢測手段齊全、安全性、可靠性高的要求，我公司選用了以CAN-BUS總線技術開發(fā)的現(xiàn)場實時網(wǎng)絡控制系統(tǒng)。這種計算機控制系統(tǒng)來源于國外的高級汽車技術，更能夠適應惡劣的工作環(huán)境。相比傳統(tǒng)的集中控制系統(tǒng)，這種分散式的實時網(wǎng)絡控制系統(tǒng)，具有如下優(yōu)點：本控制系統(tǒng)配備先進的傳感器，以檢測提升過程中的系統(tǒng)狀況。分別為油缸行程傳感器和錨具傳感器。錨具狀態(tài)傳感器：檢測提升油缸的錨具狀態(tài)（錨具“松”或錨具“緊”），通過現(xiàn)場總線將錨具狀態(tài)信號傳遞給主控計算機。油缸行程傳感器：用于實時測量提升油缸在0～300mm內(nèi)的行程，測量誤差為0.25mm；本傳感器主要元件為日本進口。報警保護與顯示功能：在控制軟件中，設置載荷和位置超差報警、自動停機等功能，確保提升的安全；同時對載荷、位置等重要參數(shù)進行顯示，便于操作與監(jiān)控。完備的應急措施：停電對策；超差、超載停機；誤操作保護；電纜斷線保護；電磁干擾；強制緊停。自檢能力強：配備各種傳感器，實時監(jiān)控各項數(shù)據(jù)，及時發(fā)現(xiàn)故障。7.整體提升示意圖圖4-3-24提升前屋面桁架在腳手架上1圖4-3-25提升前屋面桁架在腳手架上2本工程整體提升不同于其它提升項目，并且也是工程中的難點部分的是液壓同步提升。簡單的說就是根據(jù)提升點的不同受力值，通過計算機控制油泵行程同步，從而保證整體屋面同步提升。對于這一點，我們協(xié)同各方專家共召開了五次專家論證會，仔細討論是否能保證計算機控制液壓同步提升。北京機施對此制定了專項方案。我們先對計算機控制液壓同步提升系統(tǒng)進行介紹：四、計算機控制液壓同步提升系統(tǒng)1.系統(tǒng)介紹計算機控制液壓同步提升技術是一項新穎的構件提升安裝施工技術，它采用柔性鋼絞線承重、提升油缸集群、計算機控制、液壓同步提升新原理，結(jié)合現(xiàn)代化施工工藝，將成千上萬噸的構件在地面拼裝后，整體提升到預定位置安裝就位，實現(xiàn)大噸位、大跨度、大面積的超大型構件超高空整體同步提升。計算機控制液壓同步提升技術的核心設備采用計算機控制，可以全自動完成同步升降、實現(xiàn)力和位移控制、操作閉鎖、過程顯示和故障報警等多種功能，是集機、電、液、傳感器、計算機和控制技術于一體的現(xiàn)代化先進設備。計算機控制液壓同步提升系統(tǒng)由鋼絞線及提升油缸集群（承重部件）、液壓泵站（驅(qū)動部件）、傳感檢測及計算機控制（控制部件）和遠程監(jiān)視系統(tǒng)等幾個部分組成。鋼絞線及提升油缸是系統(tǒng)的承重部件，用來承受提升構件的重量。用戶可以根據(jù)提升重量（提升載荷）的大小來配置提升油缸的數(shù)量，每個提升吊點中油缸可以并聯(lián)使用。本工程采用的提升油缸采用40噸一種規(guī)格，為穿芯式結(jié)構。 液壓泵站是提升系統(tǒng)的動力驅(qū)動部分，它的性能及可靠性對整個提升系統(tǒng)穩(wěn)定可靠工作影響最大。在液壓系統(tǒng)中，采用比例同步技術，這樣可以有效地提高整個系統(tǒng)的同步調(diào)節(jié)性能。 傳感檢測主要用來獲得提升油缸的位置信息、載荷信息和整個被提升構件空中姿態(tài)信息，并將這些信息通過現(xiàn)場實時網(wǎng)絡傳輸給主控計算機。這樣主控計算機可以根據(jù)當前網(wǎng)絡傳來的油缸位置信息決定提升油缸的下一步動作，同時，主控計算機也可以根據(jù)網(wǎng)絡傳來的提升載荷信息和構件姿態(tài)信息決定整個系統(tǒng)的同步調(diào)節(jié)量。2.同步提升控制原理及動作過程（1）同步提升控制原理主控計算機除了控制所有提升油缸的統(tǒng)一動作之外，還必須保證各個提升吊點的位置同步。在提升體系中，設定主令提升吊點，其它提升吊點均以主令吊點的位置作為參考來進行調(diào)節(jié)，因而，都是跟隨提升吊點。 主令提升吊點決定整個提升系統(tǒng)的提升速度，操作人員可以根據(jù)泵站的流量分配和其它因素來設定提升速度。根據(jù)現(xiàn)有的提升系統(tǒng)設計，最大提升速度不大于3米/小時。主令提升速度的設定是通過比例液壓系統(tǒng)中的比例閥來實現(xiàn)的。 主控計算機可以根據(jù)跟隨提升吊點當前的高度差，依照一定的控制算法，來決定相應比例閥的控制量大小，從而，實現(xiàn)每一跟隨提升吊點與主令提升吊點的位置同步。（2）提升動作原理 提升油缸數(shù)量確定之后，每臺提升油缸上安裝一套位置傳感器，傳感器可以反映主油缸的位置情況、上下錨具的松緊情況。通過現(xiàn)場實時網(wǎng)絡，主控計算機可以獲取所有提升油缸的當前狀態(tài)。根據(jù)提升油缸的當前狀態(tài)，主控計算機綜合用戶的控制要求（例如，手動、順控、自動）可以決定提升油缸的下一步動作。提升系統(tǒng)上升時，提升油缸的工作流程如下： 首先上錨緊，下錨停，油缸伸缸，張拉鋼絞線，將負載通過鋼絞線作用于上錨；當油缸伸到底以后，下錨緊，油缸縮缸，上錨松，將負載由上錨轉(zhuǎn)換至下錨；油缸縮缸到底，上錨緊，下錨停，油缸伸缸，將負載由下錨轉(zhuǎn)換至上錨，并且通過油缸伸缸將重物提升； 當油缸伸到底，一個行程結(jié)束，提升重物也隨油缸伸缸提升一個油缸行程； 下錨緊，油缸縮缸，上錨松，將負載由上錨轉(zhuǎn)換至下錨；油缸縮缸到底，上錨緊，下錨停，油缸伸缸，將負載由下錨轉(zhuǎn)換至上錨，開始新的一個行程，通過油缸伸缸將重物提升；這樣通過上下錨具負載的轉(zhuǎn)換，油缸的伸縮，將重物隨著油缸的伸缸動作逐步提升至規(guī)定高度。 集群油缸系統(tǒng)通過計算機控制系統(tǒng)對所有油缸的動作統(tǒng)一控制、統(tǒng)一指揮，動作一致（同時進行錨具的松緊，同時進行伸縮缸動作等），完成構件的提升作業(yè)。3.為保證整體提升同步制定了一系列控制措施（1）同步控制參數(shù)：相鄰兩提升點位移高差不超過2cm。每個提升點的力不超過該點設計標準值的10%。（2）首先我們在液壓系統(tǒng)總體布置思路上根據(jù)本工程各個提升吊點的受力情況作出了相應變化，總共設置了6臺液壓泵站，每榀HJ2兩側(cè)各布置1臺泵站，張弦梁部分，兩側(cè)各布置一臺泵站，這樣實現(xiàn)了對剛度較大的HJ2和剛度較小的張懸梁可以單獨控制。（3）張弦梁每個提升點放置兩臺LSD40千斤頂，提升能力80噸，兩側(cè)張弦梁的六個提升吊點的反力相對于80噸的提升能力來說，受力比較小，相差也比較懸殊，為了達到整體提升較高的同步性，除了現(xiàn)有的液壓系統(tǒng)外，另在反力相對較小的四個點安裝4個減壓閥以及4塊壓力表，這樣通過調(diào)節(jié)泵站溢流閥壓力與調(diào)節(jié)減壓閥的壓力相結(jié)合來平衡控制各個點千斤頂?shù)奶嵘Γ瑢崿F(xiàn)了對每個提升點的壓力都可以單獨調(diào)節(jié),從而保證了系統(tǒng)的同步性。4.正式提升過程經(jīng)過幾次專家論證，模擬現(xiàn)場計算，對已有結(jié)構測量定位，提升牛腿安裝等準備措施，中庭整體屋面于07年10月27日試提升。設計、監(jiān)理、業(yè)主及各方專家親臨現(xiàn)場指揮。提升單位對現(xiàn)場提升牛腿，泵站、鋼鉸線等進行最終檢查，確保無誤。測量公司配合在二層及四層架設兩臺經(jīng)緯儀、兩臺水準儀，對桁架四個點及屋面中間兩點進行監(jiān)控。第一次試提升，準備一次提升300mm（300mm是一個油缸行程）。但提升最初桁架出現(xiàn)了扭轉(zhuǎn)，由于設計提供屋面各點的受力值與實際值有出入，初步認為可能是桁架外側(cè)點受力值偏大或內(nèi)側(cè)點受力偏小，所以桁架本身出現(xiàn)了外高內(nèi)低的情況。圖4-3-26第一一次提升的桁桁架發(fā)生扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)1圖4-3-27第一次提提升的桁架發(fā)發(fā)生扭轉(zhuǎn)2為盡快找到準確的的屋面各點受受力值，并能能隨時控制提提升十四個點點的油缸流量量及壓力大小小，我們在每每個點增加截截流閥，南、北北各兩個減壓壓閥。要求測量全程監(jiān)控控，每提升225mm測量量一次整體標標高，然后單單點調(diào)整水平平度，保證整整體基本水平平后再繼續(xù)提提升。第一次次6號提升25mmm，9號點提升200mm,此時以14號點為坐標標原點（0，0），最大偏偏差是6號點（0，-59）。隨后再再單提6號點40mmm，9號點提升200mm，以14號點為坐標標原點（0，0），最大偏偏差是13號點（0，-39）。經(jīng)過一天的提升，以14號點為坐標原點（0，0），最大偏差是6、13號點（0，-9），為保證整體能保持穩(wěn)定的趨勢上升，我們決定調(diào)整油泵位置和油路連接形式。圖