传统的大跨度网架顶升施工过程中, 顶升点位随着网架面积的增大而不断增加, 顶升高度也随着网架外形及就位位置不断提升, 不但增加顶升施工措施成本, 增大施工难度的同时也带来更多安全隐患。

网架顶升过程中以顶升点作为其支撑体系, 该过程中由于顶升点处临时支撑和设计支点位置不同, 网架整体受力和设计工况不符, 容易出现由于部分杆件超应力或整体失稳的状况, 如不采取相关措施, 易导致整个架体出现安全事故。

本文以某电厂干煤棚网架工程为实例, 采用单向顶升逐步拼装的施工方法, 该种方法不需要顶升支架的不断升高, 降低了施工难度。网架临时支撑和设计支撑体系相符, 架体受力合理, 大大减少了超应力杆件的出现。整个过程采用MST软件对网架的整体稳定性和杆件承载力进行同步模拟分析, 为安全施工提供了科学依据。

某电厂封闭煤棚钢网架结构为筒壳式螺栓球、焊接球一体网架结构, 整个网架由网架上弦、网架下弦及上下弦之间支撑相互组合支撑固定而成, 其中网架上弦、下弦均由网架杆、网架球、高强螺栓、锥头、套筒、销钉连接组合而成。架体长116m, 横向轴向拱形跨度113m, 高42.0m, 纵向柱距8m。网架采用周边下弦支座支撑。网架如图1所示。

拟将整体架分成4个部分进行顶升作业, 分部如图2所示。

架体沿纵轴方向共设19个顶升机位, 机位位置如图3所示。

架体分步施工过程中, 模拟分析采用实时工况分析, 本文选择分步施工过程中最不利工况进行表述。

首先纵向先拼装靠近 (A) 轴的3排螺栓球作为起步架, 如图4所示。

1) 模型简图如图5所示。

2) 模型受力分析 经验算, 在施工过程中, 网架杆件强度、整体稳定应力、长细比、挠度和螺栓强度均满足JGJ7—2010《空间网格结构技术规程》要求。

第2部分架体以第1部分起步架为基础向 (A) 轴拼装至支座处 (期间共挪顶升设备3次) (见图6) 。

第1步:在第1部分拼装完成后顶升设备不动位置, 待拼完焊接完成2排焊接球后将顶升设备向 (A) 轴方向挪至焊完的下弦焊接球处。

第2步:继续向 (A) 轴方向拼装2排焊接球, 完成后挪顶升设备。

第3步:依照上述方法继续向 (A) 轴推进2排焊接球, 并挪顶升设备。

第4步:向上持续增加顶升设备高度, 并向 (A) 轴处拼装直至就位。

第2部分拼装过程中, 待拼装至第6排下弦焊接球部位时, 即用ϕ20钢丝绳进行张弦拉固。每隔16m拉1道, 共拉8道。

1) 模型简图如图7所示。

2) 模型受力分析 经验算, 在第2阶段顶升过程中, 网架杆件强度、整体稳定应力、长细比、挠度和螺栓强度均满足《空间网格结构技术规程》要求。

第3部分以 (A) 轴为基础向 (J) 轴处拼装完成剩余部分网架 (见图8) 。

第1步:以 (A) 轴为轴心点, 将顶升点支在第1部分已拼装完成的螺栓球节点上, 待向 (J) 轴方向拼装完成3排螺栓球后, 将顶升设备向 (J) 轴方向移动。

第2步:以此为基础, 继续向 (J) 轴方向拼装3排螺栓球, 拼装完成后将顶升设备向前挪3排。

第3步:继续向 (J) 轴方向拼装3排螺栓球, 并将顶升设备向 (J) 轴方向移3排。此时拼装面积已过半, 之前第1部分张拉的钢丝绳与地面形成角度, 已无张拉效果。将之前的钢丝绳张拉位置变更为 (A) 轴起第7颗焊接球水平张拉至第6颗螺栓球;并增加2排钢丝绳, 分别从 (A) 轴方向第4颗焊接球水平张拉至第9颗螺栓球, (A) 轴方向第2颗焊接球水平张拉至第12颗螺栓球。

第4步:继续向 (J) 轴方向拼装3排螺栓球, 并向 (J) 轴方向挪顶升设备。

第5步:继续向 (J) 轴方向拼装剩余4排螺栓球部分, 并向 (J) 轴方向挪顶升设备3个网格。

1) 模型简图如图9所示。

2) 模型受力分析 整体稳定应力比最大的前25个单元验算结果如表1所示。

经验算在第3阶段顶升过程中, 有21根杆件稳定应力超限, 需在顶升过程中进行杆件加固以保证安全。

网架挠度和螺栓强度均满足《空间网格结构技术规程》要求。

第4部分以 (A) 轴为基础继续向 (J) 轴支座处拼装剩余网架, 直至网架安装完毕 (见图10) 。

第1步:向 (J) 轴方向拼装2排焊接球, 并将顶升设备向 (J) 轴方向挪动。

第2步:继续向 (J) 轴方向拼装2排焊接球, 并将顶升设备向 (J) 轴方向移动。

第3步:向 (J) 轴方向拼装第5, 6排焊接球, 并将顶升设备前移。

第4步:拼装剩余2排焊接球, 拼装网架到最后临近支座处时, 为防止顶升架与杆件互碰, 则顶内弦球时安装外弦球, 顶外弦球时安装内弦球, 同时在安装支座球时利用倒链进行微调, 将网架支座连接到基础上, 完成网架拼装。

顶升点为内侧时, 安装外侧焊接球网架→将网架顶升至可以拼装内侧的高度→将顶升设备挪至外侧, 并顶外侧→顶升设备顶外侧, 开始拼装内侧网架→焊接、就位。

1) 模型简图如图11所示。

2) 模型受力分析 经验算在第4阶段顶升过程中, 网架杆件强度、整体稳定应力、长细比、挠度和螺栓强度均满足《空间网格结构技术规程》要求。

顶升架卸载, 脱离网架, 拆除顶升架, 完成顶升工作。

液压系统最高工作压力为22MPa, 液压系统额定工作压力为16MPa。每台设备的顶升起重能力设计50t, 最大提升能力是理论能力的1.5倍 (根据GB/T15622—2005《液压缸试验方法》规定) , 试验压力为公称压力 (额定工作压力) 的1.5倍。顶升设备是安装工程专用的液压提升机, 由电控同步操作, 操作性良好, 在常规结构液压机的基础上, 采用了无级调控比例控制阀等技术。机器设有手动调整与半自动工作方式。还配有液压大油缸、电动同步调整机构。机器升降不仅能实施自由, 而且液压升降工艺的行程内设置可分机单独使用调整。将地面正位拼装的网架直接整体提升就位。提升设备的地锚, 支撑面积2.43×2.43=5.9m²;采用四肢截面的空心钢管格构式支撑件, 1.5×1.5=2.25m², 每节高度1.1m;理论最大提升高度为30m。多台设备的提升采用电控连动同步、电子全自动操作及现场总线控制等多项技术, 具有远程控制功能。1m同步提升误差各台提升设备之间≤±5mm。

顶升设备支座及各节间连接采用铰接, 顶升点位置与网架采用制作半圆托板与网架球连接, 并用钢丝绳绑扎。

下弦顶点球必须采用≥200mm×10mm的球节点, 腹杆钢管采用≥ϕ76×4钢管, 对应下弦杆件最小采用≥ϕ76×4。

顶升支座为1m×1m;顶升支架自重为0.15t/m²;网架拼装部分的质量为0.06t/m², 因此每个顶升点1m²质量约为9.46t, 液压油缸顶升架对应地面进行夯实处理便可达到所要求强度。

1) 顶升部分网壳在地面拼装完成, 验收合格后方可进行顶升施工。

2) 对顶升支架和支撑钢管及顶升支座进行顶升过程中全过程核算, 使其满足承载力和刚度要求;并在顶升过程中对顶升点、顶升支架顶点和千斤顶顶点进行监控, 发现超限位移和异常立即停止顶升。

3) 在顶升过程中要通过构造措施保证网壳和顶升支架的平面外稳定性, 并保证顶升支架和网壳不发生相对水平位移。

4) 在顶升过程中, 对超应力杆件进行加固或改为粗一号杆件。

5) 顶升网架时, 最左侧的支座球与支座板采用活连接, 使得支座球可在支座底板上转动, 同时为防止支座球发生水平位移, 可使用扁钢或钢筋做一球套防止位移。

6) 当顶升架上升, 网架绕支座旋转时, 顶升点处将产生水平位移, 顶升架自身最大水平位移调节量为200mm (左、右各100mm) , 当水平位移超出此位移量时便需通过顶升架置换来调节。具体方法为:顶升架初始安装时, 预先向水平位移相反方向放置100mm, 然后通过顶升架顶部千斤顶升降来调节水平位移, 即通过顶升架偏心受压来调节水平位移;顶升架置换的原则是利用增加顶升架来替换原顶升架, 原顶升架卸载后水平移动, 重新顶升受力, 利用2组顶升架来回换顶将水平位移消除掉。消除水平位移步骤如图12所示。

顶升千斤顶伸出, 将钢桁架顶升大于1个顶升架标准节的高度。

顶升千斤顶下落, 使顶升上托架落在上部横杆上, 并使上托架受力。

顶升千斤顶继续下落, 将顶升下托架提升, 此时顶升千斤顶不受力, 使其向水平位移方向移动;顶升千斤顶向上伸出受力, 此时上托架不受力, 将其向水平位移方向移动;顶升千斤顶继续伸出, 将钢桁架顶升大于1个顶升架标准节的高度。

重复上述步骤, 不停地边顶升钢桁架边消除水平位移, 直至顶升架自身不能继续消除水平位移为止 (最大水平位移量为200mm) 。

顶升支架验算采用浙江大学MST2006软件进行, 按每个顶升点顶升力为500kN计, 顶升高度为31.2m进行验算 (采用该顶升施工方法, 实际最大顶升支架高度为8m) , 建立力学模型 (如实输入顶升支架的杆件截面配置) , 模型如图13所示。

顶升支架上节点约束按单点铰接点约束考虑, 顶升支架下节点按四点铰接点和单点铰接点2种铰接形式考虑;本工程顶升设备中千斤顶单个顶升重为650kN, 每个支架最大顶升重经验算用于本网架工程的整体顶升支架安全可靠。其中, 相邻任意支架失效, 整个体系依然保持稳定。

顶升网架时, (A) 轴的支座球与支座板采用活连接, 使得支座球可在支座底板上转动, 同时为防止支座球发生水平位移, 可使用扁钢或钢筋做成球套防止发生位移, 如图14所示。

在拼装至 (J) 轴方向 (螺栓球北侧) 焊接球时, 此时网架结构自重较大, 且有一定的水平推力。应使用钢筋或扁钢做一球套对网架进行固定, 以防止其发生水平位移。

该网架施工过程中, 只在拼装第3部分过程中出现了21根超应力杆件。顶升支架高度最大≤5m, 拼装现场工人操作安全简便。

综上所述, 单向顶升逐步拼装施工方法作为一种新的顶升施工工艺具有以下优点。

1) 在施工过程中网架结构临时支撑受力合理, 确保了网架在各工况的整体稳定性, 大大减少了施工过程中超应力杆件数量, 也提高了架体在施工过程中的安全性。

2) 采用该种工艺, 施工过程中顶升支架高度较低, 使用支架数量较少, 工人操作更便捷、更安全, 大大提高工作效率同时也大大降低措施费用。

3) 顶升法施工, 网架安装、檩条安装、油漆刷涂、马道、通风管线、上置空调机房等>90%的工作量都是在地面或接近地面完成。便于施工质量的跟踪、检查和整改, 特别在网架安装方面, 能更有效地避免工人因“不便”或其他原因而“漏”处理的质量隐患。同时, 极大地降低了安全事故发生的概率, 保证施工顺利进行。

4) 由于顶升法施工大部分工作量在地面或接近地面的位置进行, 能更有效地保证工程施工进度, 极大地提高施工工人的工作效率。特别是在较恶劣的气象条件下 (如大风、雾、雨雪等) , 大部分的安装工作能照常进行, 这是其他常规安装方法不可比拟的。

5) 该方法顶升过程中, 利用替换支架时水平移动千斤顶的方法, 消除了顶升位移, 使得单向顶升施工能够顺利实现。

本文以某电厂干煤棚网架工程为实例, 利用MST软件对施工过程中网架的整体稳定性和杆件承载力进行同步模拟分析, 对单向顶升逐步拼装施工方法的优点进行了详细分析与对比。由于施工条件所限, 该种施工方法还未在业内被广泛推广, 望从业者在借鉴该施工方法的同时, 不断提升改进, 推动行业发展。