钢结构自重小、强度高, 是常用的大跨结构体系^[1,2], 而索膜结构因具有跨越能力强、结构美观等特点, 配合大跨度钢结构体系, 广泛应用于机场^[3]、体育馆^[4]、会展中心^[5]等大型公共建筑。大跨度钢结构体系设计复杂, 施工存在一定难度^[6], 尤其对于钢结构索膜体系的安装, 需对结构进行施工控制^[7,8], 确保索力、结构形状符合设计要求^[9,10]。因此, 在该类结构施工前, 应根据工程的实际情况, 制订切实可行的技术方案, 科学合理地解决钢结构及索膜结构安装过程中存在的问题。本文以岳阳三荷机场航站楼为例, 对钢结构和索膜结构安装技术进行介绍和分析。

岳阳三荷机场航站楼主体地上2层, 1层为混凝土结构, 2层屋面为钢结构和索膜结构组成的大跨屋面系统, 围护结构为玻璃幕墙。航站楼建筑面积7 863m², 建筑高度为28.15m。

钢结构主体由6榀主桁架、10根V形柱、10根幕墙柱、49个铸钢件、10根梭形柱、4榀拱门桁架、14榀屋面桁架组成。航站楼最大主桁架重约40t, 西侧梭形柱高21.14m、重19t, 东侧梭形柱高28.15m、重28t。索网分为背索及上、下悬索, 与钢结构协同作用, 膜体材料为PTEE膜材。建筑效果如图1所示。

1) 工程结构复杂本工程主要受力体系由钢构件、索、膜协同组成, 所有零配件的加工制作均在厂内完成, 由于构件尺寸较大, 运输条件受到限制, 部分立柱、梁及桁架需在现场拼装。安装时, 首先完成钢构件吊装, 然后进行钢构件、索、膜的协同安装。

2) 平面布置要求高本工程构件较多, 需解决现场构件的进场道路、材料堆场等主要设施的区域布置问题;现场进场道路需满足260t汽车式起重机吊装时的行走和站位要求;现场构件和材料堆场及拼装场地需满足50m桁架的拼装要求。

3) 焊接质量要求严格根据设计要求, 工程中焊缝质量等级按GB50661—2011《钢结构焊接规范》^[11]分为2类, 一级焊缝为钢管对接焊缝, 其余按三级焊缝检验, 焊缝均按要求进行探伤抽查。由于现场拼接构件多为对接焊缝, 拼接作业面必须平整整洁, 故钢结构安装需在道路施工硬化完成后进行。运至现场的构件长度均<15m, 在现场进行对接组装, 对接焊缝根据结构计算后设置。现场设置组装胎架, 对接处设置定位装置, 用于保证对接角度精确, 减少焊接变形, 确保焊缝平整。

4) 背索及上、下悬索安装虽然本工程索网结构每跨独立, 中间采用钢结构桁架分割, 相邻轴线间的索网内力影响较小, 每轴可单独施工;但背索及上、下悬索的直径与索力均较大, 且两者内力相互影响。因此, 本工程中的索网施工难点在于背索及上、下悬索安装及预应力施加。

5) 内、外膜体安装内、外膜体安装是本工程的另一个难点。由于本工程使用的PTFE膜材单体膜片面积较大, 且为玻璃纤维基布, 不能直接折叠, 所以无论是厂内打包运输还是现场展开安装均存在较大难度。

根据航站楼的结构对称性, 先安装钢柱构件, 再安装中间桁架, 最后安装两侧桁架。主体钢结构安装完成后, 进行索结构和膜结构的安装。本工程为索网与钢结构整体协同作用的结构, 施工难度较大, 经模拟分析得知:膜面安装前与安装后对索网内的影响很小 (约5%) , 即没有膜面作用, 索网与主体钢结构组成的结构体系也稳定。结合模拟分析结果和本工程特点, 采用先安装索网结构、再安装膜面的施工顺序。

索网结构安装顺序为:背索安装→上、下悬索安装→平衡索安装→上层吊索安装→膜面托索安装。膜结构的安装顺序为:边界索安装→外膜安装→内膜及脊索安装。

对钢构件进行吊装时, 单块构件最长跨距达50m, 为防止构件吊装时变形, 采用多点式2台起重机共同起吊进行吊装。根据吊点均分计算方式, 桁架总长为50m, 4等分后每段长度为12.5m。拟吊装最大桁架梁自重G_max=40t, 选用260t级起重机, 臂长40m, 起重机距离吊点位置为20m。吊装计算如图2所示。

根据勾股定理得:y=18.64m;根据三角形相似得:x=10.76m。通过查阅260t起重机吊装起重性能参数表可知, 在20m工作幅度范围内, 起重机臂长为40m时, 起重量为23.5t, 采用双机抬吊符合安全吊装要求。

对于梭形柱的吊装, 因其尺寸较大, 且梭形柱吊装完毕时需斜放, 故吊点需位于梭形柱2/3处。

利用Sap2000对施工过程中桁架产生的变形及应力进行验算分析。由验算结果可知, 第1, 2单元安装时, 梭形柱底部应力及变形较大, 结构拼装完成后, 中部弦杆受力较两侧大, 最大应力出现在1单元范围内两端柱上部位置。施工过程中, 结构最大应力为-63MPa, 最大位移为49mm, 均满足GB50755—2012《钢结构工程施工规范》^[12]要求。

根据航站楼索膜结构的安装流程, 进行模拟分析, 分析采用Easy Beam软件, 建立拉索结构整体施工模型, 施工过程中, 钢索安装索力变化如表1所示。

由表1可知, 背索安装完成时, 各桅杆背索内力较小且均匀, 上悬索安装完成后, 背索内力增幅明显, 最大内力出现在跨中低桅杆背索处, 为2 639kN, 其余背索内力均在2 000kN左右;下悬索完成时, 上悬索内力将有所下降, 这是由于下悬索承担了一部分自重;上层吊索完成后, 上悬索内力将大幅变小;最后膜面托索完成, 各桅杆内力达最大值, 上、下悬索内力均增加, 平衡索内力不变。综上所述, 施工过程中结构内力均满足设计要求。

本工程钢结构所有构件的加工制作均在厂内完成, 由于构件尺寸较大, 运输条件受到限制, 部分立柱、梁及桁架需在现场进行拼装。主要技术要点如下。

1) 拼装胎架现场加工制作先测量放出胎架位置, 将底部水平杆H型钢与立杆H型钢焊接成一个整体, 再对下弦T形胎架与底部水平杆H型钢进行焊接, 最后将上弦水平杆H型钢胎架与立杆焊接牢固。经现场测量管控, 按桁架施工图进行坐标定位, 完成桁架整体胎架现场加工制作。

2) 桁架弦杆拼装弦杆拼装分为5段, 需现场对接成型。先拼接中间段杆件, 然后向两侧顺序拼装。拼装时, 先安装下弦再安装左、右上弦, 接头采用钢板临时固定, 如图3所示。

3) 桁架两端腹杆、水平杆与上、下弦连接固定成整体 (1) 固定前需先按图纸尺寸校正到位, 再对两端的水平腹杆和斜支撑进行点焊加固; (2) 中间上弦水平杆和斜支撑连接固定; (3) 待测量校正与图纸尺寸一致时, 对两端水平杆和斜支撑分2个焊工同步施焊; (4) 两端焊接完成后再焊接中间水平杆和斜支撑。

4) 桁架水平腹杆与斜腹杆连接桁架水平腹杆和斜腹杆从中间往两边同时顺序拼装, 先点焊成型后再开始焊接。焊接顺序为:首先焊接下弦杆, 再施焊上弦杆, 最后从中间水平腹杆和斜腹杆同时向两侧施焊, 最终完成拼装, 如图4所示。

主桁架为整个吊装作业中质量最大的构件, 长50m, 重约40t, 需提升高度15m, 吊装过程为单体最复杂施工段, 在施工中采用2台260t吊装设备对其进行两侧抬吊吊装。

钢桁架起吊前先由拼装位置吊至混凝土支架下临时停放位置, 使用2台260t汽车式起重机进行抬吊。

桁架起吊前需进行试吊。2台起重机起吊各自试吊高度, 高度为钢桁架底部离地面200～300mm, 此时钢桁架质量全部负载于2台起重机上。施工人员需观察起重机的运转情况, 检查各钢丝绳受力是否均匀。待起吊持续5min后, 再查看有无下沉现象。如情况良好, 可进行正式起吊。双机抬吊时, 起重机驾驶员必须熟练掌握抬吊中配合程序, 起升和下降时, 2台起重机应基本保持速度一致。在起吊过程中, 2台起重机必须相互配合, 起重机驾驶员应时刻注意指挥人员的哨声和旗语, 严格遵守哨声和旗语的命令, 还应密切注意钢桁架, 使其在空中平稳。

1) 桁架起吊速度应均匀缓慢, 同时将桁架上的缆风绳固定在各角度, 使起吊时不致摆动。当构件由水平状态逐渐倾斜时, 应注意绑绳处所垫的破布、木块等是否滑落。

2) 当桁架逐渐落至支架、结构安装位置时应特别小心, 防止损坏预埋板的承力面, 并使桁架支腿尽量抵靠限位角钢, 此时可查看桁架支座底板的中心线和支架、牛腿结构上预埋件的中心线是否吻合, 并在桁架悬吊状态下进行调整。

3) 桁架提升超过建筑物结构或混凝土支架、安装位置300～500mm。然后将桁架缓慢降至安装位置进行对位, 安装对位应以建筑物的定位轴线为准。因此, 在钢桁架吊装前, 应用经纬仪在支架、结构安装位置上放出定位轴线。若截面中线与定位轴线偏差过大, 应调整纠正。桁架对位后, 立即进行临时固定, 待临时固定稳妥后, 起重机方可摘去吊钩。

钢桁架就位方式采取低端临时固定, 而后继续起吊高端就位。桁架经对位、临时固定后, 需校正桁架垂直偏差。根据《钢结构工程施工规范》^[12]要求:垂直度偏差≤h/250 (h为桁架高度) , 且应≤15mm;相邻两结构支架之间、支架与建筑结构物上, 安装栈桥支腿的预埋钢板的设计标高高差应≤L/1 500 (L为相邻两支架或支架与建筑物间距离) , 且应≤10mm。检查尺寸时可用铅锤或经纬仪, 校正无误后, 立即用电焊焊牢作为最后固定。焊接时采用对角施焊, 以防焊缝收缩导致桁架倾斜。

1) 卸货放索本工程最长背索长达23.66m, 索头总重4.17t, 钢索卸货至指定位置后, 利用放索盘一边放索, 一边牵引, 牵引过程中每隔3m放置滑轮小车, 对索体进行保护, 以防在牵引过程中对索体产生破坏。钢索可在地面开盘, 根据拉索规格的大小, 采用卷扬机或起重机牵引放索, 由一端向另一端牵引。放索过程中, 因索盘自身的弹性和牵引产生的偏心力, 会使转盘产生加速, 导致散盘, 易危及工人安全, 因此对转盘设置刹车和限位装置, 如图5所示。

2) 索长调整钢索在地面展开后, 根据现场预埋件测量数值, 并输入计算机辅助设计程序中, 进行三维空间位置对比, 如存在偏差, 根据偏差值进行背索索长调整;如没有偏差则检查并确保索头调节端在出厂加工标识位置。

3) 背索与飞柱连接将飞柱在地面平放, 背索连接到飞柱上端耳板, 同时将背索与飞柱采用临时绳索进行固定, 如图6所示。

4) 背索与飞柱起吊利用汽车式起重机将飞柱和背索整体起吊, 需考虑钢索质量。较高一侧钢索长23.66m, 较低一侧钢索长19m, 直径均为140mm, 背索总重为8.34t。

5) 飞柱支撑由于飞柱底采用铰接支座, 所以在顶部悬索安装完成前, 飞柱须采用临时支架进行支撑。根据结构设计要求, 飞柱支座允许偏转约4.58°, 为保证背索安装顺利进行, 飞柱在支撑时须向后倾斜, 比设计位置向后倾斜4.5°左右, 如图7所示。

6) 背索与地面耳板连接临时支撑施工完成后, 松开背索与飞柱临时固定绳索, 将背索与地面拉索耳板进行连接。由于飞柱在临时支撑时向后倾斜4.5°, 此时背索呈松弛状态, 无需张拉即可安装。

1) 卸货放索卸货及放索过程与背索相同。

2) 安装索夹钢索在桁架顶部展开后, 根据出厂标识的位置进行索夹安装。索夹上的标记是钢索在应力下的位置, 索夹采用高强螺栓连接, 每套螺栓采用扭力扳手拧紧, 扭力须达到设计值, 以确保索夹与钢索之间摩擦力达到设计要求。锁夹安装如图8所示。

3) 起重机起吊 (1) 索夹安装完成后, 采用2台50t汽车式起重机进行抬吊, 首先将1, 2号起重机就位, 并将吊钩与索头相连; (2) 1号起重机原地不动, 3号起重机就位, 并将索体中段与吊梁连接, 2号起重机将索头吊至空中, 使索体与斜坡段滑道脱离; (3) 1号起重机抬升主臂, 同时收紧吊钩, 2号起重机同时向内转动吊臂, 3号起重机抬升主臂, 并收紧吊钩, 将钢索吊至悬空位置; (4) 1, 2, 3号起重机同时转臂到主索安装位置上空, 此时1, 3号起重机保持不动, 2号起重机向下收主臂, 直至固定端索头到达安装位置, 并将高桅杆固定索头安装到位; (5) 固定端索头安装完成后, 1, 3号起重机保持不动, 以防主索与两侧钢结构碰撞, 2号起重机松钩; (6) 3号起重机保持不动, 1号起重机开始向下收主臂直至调节端的索头可平稳安放在张拉平台上, 并做临时固定, 以防从平台上滑落, 此时1号起重机松钩。吊装流程如图9所示。

4) 安装锚固端工装利用1号起重机将锚固端工装安装在低桅杆一侧柱顶的工装耳板上, 工装耳板在桅杆起吊前焊接在桅杆上。每根拉索有2套张拉工装, 分别置于拉索上、下, 以确保张拉过程中上、下受力平衡。

5) 安装张拉端工装及千斤顶根据模拟计算分析, 实施选用2 500kN的千斤顶, 可以满足要求。

6) 两端工装连接调节端与固定端采用张拉钢丝连接, 根据模拟计算分析, 上悬索安装过程中最大拉力为2 030kN, 张拉钢丝每侧选用8根直径为15mm的钢丝束, 单根承载力200kN, 单侧共可承载1 600kN, 满足要求。

7) 钢索张拉所有工装安装完成后即开始张拉, 待油泵启动供油正常后, 开始加压。通过千斤顶牵引钢丝, 将索头向前推进, 此时3号起重机同步放下吊钩, 直到主索不触碰两侧钢结构时, 即可松钩。当调节端索头到达位置后拧紧钢索调节器;压力达到钢索设计拉力时, 超张拉5%左右, 然后停止加压, 完成预应力钢索张拉。张拉时, 需控制给油速度, 给油时间应≥0.5min。张拉过程中需采集千斤顶读数, 控制张拉过程中索力变化, 并与施工模拟分析比较。钢索张拉如图10所示。

本工程膜屋面分为外膜屋面和内膜保温屋面2层, 由于内层保温屋面不得淋雨, 故本工程必须先安装外层膜屋面, 并确保不得渗漏雨水后, 方可施工内层保温屋面。

1) 外膜屋面安装 (1) 采用25t汽车式起重机将打包好的膜体吊至桁架顶面; (2) 在桁架顶面将膜体沿辅助绳索展开; (3) 采用紧线器等辅助工具张紧并固定四周膜体边界。

2) 候机楼外膜安装 (1) 在下悬索上安装施工吊篮。吊篮固定点位置用橡胶圈包裹索体, 保护钢索外表镀层, 如图11所示; (2) 采用50t起重机将打包好的膜体及放膜吊架吊到索网上空; (3) 膜体沿桁架纵向在辅助绳索上展开; (4) 采用紧线器等辅助工具张紧并固定四周膜体边界。

3) 内膜屋面安装 (1) 2榀桁架之间固定临时绳网和通行平台, 作为内膜安装平台; (2) 采用手拉葫芦将内膜吊至安装平台的绳网上; (3) 将内膜在安装平台上展开; (4) 在安装平台上将内膜与内膜脊索连接完成; (5) 将内膜与钢桁架连接, 并提升下层吊索与下悬索连接; (6) 安装内膜脊索索头, 因脊索预应力较小, 故脊索安装时采用紧线器进行张紧并安装。

本文介绍岳阳三荷机场航站楼屋面结构施工, 主要包括钢构件拼装与吊装、索网安装、膜体安装等施工流程及施工技术措施, 解决了施工过程中的重难点问题, 同时, 对钢结构和索膜结构的安装过程进行模拟验算。结果表明, 所采用的钢结构及索膜结构安装技术满足相关规范要求, 能科学合理地指导工程项目施工。