1 工程概况

　　1.1 项目概况

　　横琴口岸及综合交通枢纽开发工程位于珠海市横琴新区，工程建设用地34.5hm²，总建筑面积131万m²，包含口岸通关、口岸配套、综合交通枢纽、综合配套服务区、酒店、办公、公寓、商业等单位工程。其中通关大厅主体工程地下3层、地上4层，在通关大厅主体建筑西段尽头，设有90m跨度的门头建筑造型，称为西侧门头，是口岸通关旅客出入口标志(见图1)。

　　1.2 钢结构概况

　　西侧门头采用大跨度异形管桁架结构形式，建于地下室顶板之上，地下室顶板厚250mm，其下方柱距18m，混凝土柱截面尺寸多为1 400mm×1 400mm。西侧门头整体可划分为竖向结构及屋面水平结构。竖向结构总高度40.8m，屋面水平结构跨度90m，宽度15.5m。西侧门头总用钢量约为680t，其中竖向结构用钢量320t，屋面水平结构用钢量360t，钢材材质均为Q345B。

　　

　　图1 西侧门头效果  

　　 

　　西侧门头钢结构横断面为三角异形，整个结构由6榀0～4m不等高桁架及桁架间连系杆件构成。结构杆件采用圆管及方管，最小钢管规格为114×6，最大钢管规格为500×25，方管截面规格为□400×200×10×12等。

　　西侧门头钢结构下方区域为通关建筑出入口及部分前广场地下室顶板结构，钢结构施工时混凝土结构施工已进入收尾阶段，现场陆续插入装修及机电等专业施工。由于空间受限，塔式起重机起重性能及覆盖范围不足，无法用于门头钢结构吊装，只能依靠汽车式起重机进行安装。西侧门头钢结构三维模型如图2所示，桁架单元如图3所示。

　　

　　图2 西侧门头钢结构三维模型  

　　 

　　2 施工重难点分析

　　1)钢结构施工精度要求高西侧门头钢结构体系庞大，杆件数量多、规格差别大，节点相贯杆件多，因此，施工前如何确定桁架各点预起拱值及施工过程中控制桁架对接精度是本工程的重难点。

　　2)人员施工安全保障难屋面桁架自身4m高，因此，在桁架拼装及安装过程中，施工人员操作环境为高空作业，应充分考虑施工方法的可操作性和便利性，以保证人员安全。

　　3)施工对结构安全影响大通常桁架结构施工完成后，受力情况与设计一次成型的受力情况存在较大差别。西侧门头结构跨度大，施工地点位于台风多发地区，若由于施工原因改变桁架杆件受力状态，主体钢结构施工完成后，待其他装饰材料与外界荷载施加至桁架结构时，将难以保证结构安全。因此，要减小施工过程对个别极限状态结构杆件强度、刚度的影响，使其贴近设计值，保证其在结构施工完毕后，受力分布状态贴近设计一次成型状态。

　　3 施工方案比选

　　西侧门头屋面水平结构若采用高空原位散拼，钢管满堂脚手架需搭至桁架底标高附近，逾35m高满堂架及桁架拼装自重荷载全部施加于地下室顶板上，将超过地下室顶板承载力，下方各层地下室需使用脚手架回顶至结构底板。若屋面水平结构采用高空分块单元吊装方法，所用支撑胎架措施量增大，由于桁架结构就位高度高、跨度大，吊装作业选用的起重设备型号势必很大，地下室顶板同样无法承载。因此，高空散拼及分块单元吊装两种方法均不适用于本工程。

　　结合现场施工工况及施工重难点，经过分析与比对，选用竖向结构单元吊装+屋面水平结构低空原位拼装后整体液压提升的方式进行施工。

　　4 施工总体方案

　　西侧门头两侧竖向结构在经回填后的消防施工车道上站位，采用80t汽车式起重机进行吊装，屋面水平结构在其下方投影区进行拼装，即在地下室顶板上及通关出入口等区域搭设拼装平台，使用50t汽车式起重机进行桁架结构拼装。由于屋面水平结构下方投影区存在多种标高，需在地下室顶板上使用胎架标准节及H型钢等措施进行拼装基础调平形成拼装平台;同时，将影响拼装平台搭建的出入口楼梯等结构后作。使用底部架空式分配梁技术将拼装过程产生的荷载传递至混凝土梁上，避免荷载直接作用于楼板，从而使其破坏。西侧门头施工平面布置如图4所示。

　　

　　图4 西侧门头施工平面布置 

　　 

　　屋面水平结构拼装完成后，在两侧竖向结构顶部及提升区域跨中位置布设提升平台等，提升区域结构液压提升就位与两侧竖向结构完成对接后，开始嵌补安装剩余杆件。

　　

　　图3 桁架单元  

　　 

　　施工前采用MIDAS,ANSYS有限元软件，对结构拼装与液压提升施工过程各阶段不同工况下的应力、结构稳定性和位移等进行理论计算分析，并及时分析选用的临时措施杆件受力情况，使杆件规格逐步调整为稳定受力杆件。

　　施工过程中，在桁架结构杆件上安装应力、应变片，同步开展监测工作，在应力、应变数据监测控制系统中设置数据报警，以确保结构安全。

　　5 施工关键技术

　　5.1 总体施工流程

　　钢结构制作→BIM技术模拟预拼装→有限元软件仿真模拟分析→划分施工单元→设计拼装支撑系统→安装两侧竖向结构→搭设拼装平台→拼装提升区域结构→布置提升吊点及提升平台→液压提升施工→应力、应变过程监控→安装嵌补杆件→结构卸载→拆除措施材料→安装完毕。

　　5.2 桁架整体预拼装

　　屋面水平桁架由6榀不等高90m桁架及连系杆件组成，桁架大、杆件数量多，均不适合在工厂完成实体预拼装。施工前，采用BIM技术模拟预拼装，提前模拟构件预拼装过程，优化桁架构件拼装顺序，确定整个桁架拼装过程中的施工组织(见图5)。

　　

　　图5 桁架预拼装演练  

　　 

　　5.3 施工单元划分

　　西侧门头结构为由圆管及方管组成的管桁架结构，原设计将桁架定义为x,y向桁架，后经施工优化，将整体结构分为两侧竖向结构和屋面水平结构，施工过程将y向90m跨度桁架定义为主桁架方向，x向15m三角桁架定义为相贯次桁架。

　　施工单元划分为两侧竖向结构、拼装提升区域及屋面矩形管(见图6)。两侧竖向结构总重约320t，竖向立柱分3段吊装，最重吊装单元为9.1t;拼装提升区域结构总重约270t，每榀桁架各分7个加工分段，最重吊装单元为7t;屋面矩形管总重约为80t，最重矩形管为0.8t。

　　

　　图6 西侧门头施工单元划分  

　　 

　　5.4 竖向结构安装

　　在柱脚基础施工阶段提前利用全站仪进行各柱中心点打点放样，控制基础安装精度。两侧竖向结构高度为41m，总重约为320t，单侧竖向结构分3段吊装分段，分为立柱与散杆结构，将2根立柱与柱间平面散杆组成平面吊装桁架单元，每段所有桁架单元吊装完成后再嵌补柱间散杆。根据现场场地工况，布置80t汽车式起重机于两侧经回填后的消防施工车道上，即可满足竖向结构吊装。

　　5.5 拼装支撑系统设计

　　桁架提升区域拼装过程所涉及混凝土板面有4处不同标高，分别为地下室顶板标高-1.700,-1.500m、下沉庭院洞口底标高-10.000m、出入口首层板标高3.100m。采用支撑标准节、H型钢及圆管等组合方式，将拼装平台底部基础标高调平。

　　为避免支撑标准节底部与地下室顶板点接触，造成应力集中，在支撑标准节底部垫规格为H700×300×13×24,H488×300×11×18型钢，以增大支撑标准节与地下室顶板接触面积。H型钢与事先埋设在出入口首层板混凝土梁顶及地下室顶板混凝土梁顶的钢板焊接，以保证H型钢不移位。支撑标准节规格为1.8m×1.8m×2.5m，其与顶部框架及钢板配合，使拼装基础标高一致。

　　待基础调平后，在支撑结构顶部放置H488×300×11×18型钢作为顶部横梁，在顶部横梁上方固定安装桁架支撑架，桁架支撑架高度由结构放样得知，截面尺寸为H200×200×8×12。

　　桁架结构宽度达15m，为减小拼装过程顶部横梁下挠，控制桁架拼装精度，在顶部横梁中间位置对应混凝土梁的位置，支撑1根273×8圆管。拼装支撑系统立面如图7所示。

　　5.6 提升吊点布置

　　本工程提升区域桁架跨度90m，宽15m，主桁架高度由大变小，整个横截面呈三角状，质量分布前轻后重。经过对多种提升吊点布置方案下杆件内力分析对比，决定采用“2+2+2”吊点布置方案，即两侧竖向结构顶部各2个吊点与跨中区域2个吊点，共6个提升吊点。此吊点布置方案可将提升区域桁架跨度缩小为45m，从而改善整个提升结构杆件受力状况。提升吊点布置如图8所示。

　　

　　图7 提升区域桁架拼装支撑系统立面  

　　 

　　

　　图8 提升吊点及提升平台布置  

　　 

　　提升吊点节点做法为吊具直接焊接在被提升桁架上弦杆顶部。吊具通过受力计算分析，由25mm或30mm厚Q345B钢板焊接制成，用以连接卡固钢绞线与桁架。

　　5.7 提升平台布置

　　6个提升吊点上方对应6处提升平台(见图8b)，提升平台类型分为2种:竖向结构顶部为悬挑式提升平台(见图9)、跨中位置为扁担式提升平台(见图10)。悬挑式提升平台由提升梁、立柱、斜撑、拉杆和水平加固杆组成。扁担式提升平台由临时支架、分配梁、垫板和提升梁组成。2种类型提升平台均在提升器穿好钢绞线后定位固定在提升梁顶。

　　悬挑式提升平台所用斜撑、拉杆及水平加固杆相互配合可保护结构不受侧向力和弯矩影响，从而使提升平台在提升施工时处于稳定受力状态。

　　扁担式提升平台构造相对复杂，在地下室顶板上搭建格构式临时支架，临时支架高度逾40m，以满足液压提升施工的要求。由于整个提升平台基础起于地下室顶板，施工过程中跨中提升平台所受最大荷载值达1 118k N，临时支架底部采用底部架空式分配梁及荷载分布框架等措施，以分散荷载，确保不超过顶板混凝土结构承载力。在临时支架顶部放置垫板及十字形分配梁，将提升时的荷载通过横梁均匀传递至临时支架4个主肢，从而消除临时支架偏心力，减小支架在施工过程中的弯矩值。

　　

　　图9 悬挑式提升平台示意  

　　 

　　

　　图1 0 扁担式提升平台示意  

　　 

　　由于临时支架需穿过门头屋面桁架，为满足桁架间隙的要求，临时支架截面尺寸为1.8m×1.8m,1.5m×1.5m，单标准节高度为2.5m，部分调整标高的非标准节高度为4m。经MIDAS计算分析后，临时支架下部非标准节主肢、横杆与斜杆采用截面尺寸分别为180×10，60×6，76×6圆管焊制，材质为Q345B;标准节主肢、横杆与斜杆采用截面尺寸分别为146×10，60×6，76×6圆管焊制，材质为Q235B。

　　5.8 提升设备配置

　　针对提升区域桁架6个吊点施工工况，并结合MIDAS有限元软件计算分析结果，得到各吊点提升反力值，用于配置提升设备型号及数量，如表1所示。

　　  

　　表1 提升设备配置 

　　 

　　 

　　

　　表1 提升设备配置

　　5.9 结构临时加固

　　5.9.1 桁架两侧加固

　　提升区域桁架由于提升就位后需在高空与两侧竖向结构预留牛腿完成对接，因此设置了部分后装杆件。后装段设置既可保证提升桁架无阻碍提升，又可降低结构对接难度。

　　提升区域桁架未与竖向结构完成对接前，临近两侧桁架隔空被视为不稳定区间。提升过程桁架主要受力点分布在提升吊点附近，且单榀桁架受力后具有水平移动趋势，因此，需使用临时杆件对提升区域桁架两侧吊点位置进行加强。

　　原桁架结构横断面为三角状桁架结构，因此临时加固杆件参照桁架结构形式进行加强，可保证加固杆件与桁架结构杆件直接受力，加固补强效果明显。临时加固桁架由方通及托座组成，加固方通弦杆及斜杆规格均为350mm×12mm，托座规格为PL400×400，钢材材质均为Q345B，所有临时杆件之间或临时杆件与结构之间均采用焊接连接。托座起到中间联系作用，可使加固方通杆件与桁架圆管杆件联系更紧密。提升分段及桁架两侧加强位置平面布置如图11所示，临时加固桁架尺寸如图12所示。

　　

　　图1 1 提升分段及桁架两侧加强位置平面布置  

　　 

　　

　　图1 2 临时加固桁架尺寸  

　　 

　　5.9.2 桁架替换杆件

　　通过有限元软件计算分析发现，在提升过程中，桁架在提升吊点附近有11根杆件应力比>0.8，接近杆件受力极限，且结构吊装完成后，11根杆件应力无法卸除。为保证结构安全性，对这11根杆件进行设计优化，替换为截面更大杆件。替换杆件位置及替换前后杆件截面规格对比如图13所示。

　　

　　图1 3 杆件替换位置及对应规格  

　　 

　　6 结语

　　横琴口岸通关大厅西侧门头为90m大跨度管桁架结构，采用竖向结构分单元吊装+屋面水平结构低空原位拼装后整体液压提升方式进行施工。该技术克服了原位拼装场地复杂、标高变化大等困难，设计了2种形式提升平台以适应施工工况，采用MIDAS等有限元软件对各施工工况下结构应力及变形进行验算，对提升结构进行临时加固，确保施工和结构安全。横琴口岸通关大厅西侧门头大跨度异形管桁架施工技术的顺利应用，不仅节省临时措施材料，减少钢结构高空安装施工工作量，而且降低了施工过程安全风险，加快了施工进度。