天津自贸区拱门钢桁架施工工艺与施工过程仿真分析

 张  倩1,2，余  流1,2，樊云鹏1，朱  芳1，2，王大磊1,2

（1．中国建筑第六工程局有限公司，天津  300451;2．天津市土木工程绿色建造与节能技术企业重点实验室，天津  300451）

[摘要]天津自贸区拱门钢桁架安装工期紧，且桁架横跨行车主干道，为减少对道路交通的影响，本工程采用工厂加工、道路一侧拼装成两段再吊至安装位置合拢的施工方法。在高空合拢对接时，搭设临时支撑架对桁架进行高空落位和位置调节。对不同施工工况进行过程仿真分析，保证施工安全和施工质量。

[关键词]钢结构；拱门；桁架；施工工艺；数值模拟

[中图分类号]TU391.9 [文章编号]1002-8498(2016)08-0086-03

1工程概况

 天津自由贸易试验区3个标志性拱门之一位于天津市中心商务区天津大道与迎宾大道交口，造型简洁，外观大气，如图1所示。

 本工程钢结构为单榀管桁架形式，结构跨度82m，建筑高度约26m，桁架成拱形，半径45. 3m，桁架断面为正四边形，断面尺寸3m×3m，主弦杆为508 x12，腹杆均为咖245×8，材质Q345B，桁架质量约130t。

2施工工艺

 本工程工期紧，准备、采购和施工仅有28d，且处于农历春节期间，大型吊装设备很难租赁。结构横跨行车主干道，桁架拼装时不能影响交通，在吊装时需对主路短暂封路，协调难度大，且时间短，必须在约定好的封路时间段内完成吊装。针对以上施工特点、重难点，本工程施工工艺流程如下。

 1)工厂加工  主管工厂顶弯，腹杆工厂相贯线切割下料，所有杆件在工厂完成预拼装。

 2)现场拼装桁架为拱形，断面杆件外皮间距3. 5m，无法在工厂拼装后再运至现场，因此在道路一侧（另一侧距居民区较近）设置拼装区制作胎架，桁架成侧卧状分2段拼装（见图2），4根主弦杆通过胎架进行支撑定位固定，再填充腹杆，完成拼装。

 3)双机抬吊拱桁架分2段拼装完成后，采用双机抬吊由拼装区平吊至吊装区（见图3），桁架翻转900（见图4）由侧卧到直立，静置10min无异常，正式吊装（见图5）。吊装前，格构式临时支撑安装完成。

 4)落位调节  桁架一端直接落位在承台顶部预埋板上，另一端落位在临时承重平台上（见图6），用千斤顶进行微调，直至达到设计位置。就位完成后，再将拱脚与承台预埋板焊接。

 5)合拢主弦杆对接，腹杆填挡。焊接和涂装完成后，拆除临时支撑架。

 施工中需要注意的问题：①起重机底部垫板分散压力，支撑架基础夯实；②为节省工期，两拱脚基础同时施工，两桁架段同时拼装同时吊装；③起重设备选型合理，保证双机抬吊同步性；④焊接合拢前，起重机不脱钩；⑤确定合拢温度在午后；⑥验算临时支撑架，并采取一定构造措施保证安全稳定。

3  施工过程仿真分析

 施工临时结构是建筑工程施工过程中的重要辅助设施，对临时结构进行设计验算，并对整个施工过程进行仿真分析，能够多方位预测施工过程中可能出现的风险，采取有效措施进行避免，提高施工安全性。

3.1  临时结构设计

 在道路隔离带设4个格构式支撑架，搭设高度为桁架下弦管节点下方2. 5m左右，9个标准节约19. 8m高。格构柱顶做四棱台状的定位调节支撑装置，上铺钢板放千斤顶。格构柱顶部拉缆风绳，起稳固作用（见图7）。

 4个格构柱之间在底部、中部与顶部分别用工字钢连接，上端操作平台连为一体，形成整体平台。底部通过刚性工字钢传力至钢板。将隔离带上层种植土铲走，并夯实。

3.2工况分析验算 

本文对拱桁架平吊、翻转、竖吊、落位、合拢和支撑架拆除共6个工况进行了施工过程仿真分析。

 1)平吊时，尽可能使两吊点与重心这3点的平面投影位于一条直线上，但由于结构为拱形，只能使两吊点连线尽量靠近重心，此时节点最大竖向位移14cm，利用导链等施工措施保证结构平吊的稳定。

 2)翻身300时，结构单元最大应力63MPa；节点最大竖向位移11cm。翻身450时，结构单元最大应力52MPa；节点最大竖向位移10cm。

 3)竖吊时钢结构单元最大应力14MPa，出现在吊点位置；节点最大竖向位移2cm；两吊点反力均为360kN，双机抬吊时应选择吊装能力相当的起重机。

 4)落位和合拢焊接时，起重机不脱钩能够有效减小地面和临时支撑的反力，同时可降低结构合拢对接的难度。

 5)落位时临时支撑最大位移不足1cm，单元最大应力37MPa，说明临时结构设计合理，满足对桁架段支承、定位和调节高度的要求。

 6)临时支撑拆除后，钢桁架单元最大应力26MPa，出现在端部支座附近；跨中最大竖向位移6mm。通过各个工况的施工过程仿真分析，钢桁架和临时结构受力满足要求，同时为施工提出合理化建议。

4  施工监测监控

 桁架在地面固定胎架上拼装，整体尺寸及拱度等已符合理论状态。桁架在高空的定位主要取决于桁架合拢处4个下弦节点的定位，因此桁架合拢端4个下弦节点的定位是高空测量中的重点与核心。定位调节装置的安装方法有2种：①传统意义上的测量，即经纬仪、拉钢尺等方法；②先进的全站仪。本工程2种方法同时运用，互相校核，减免测量误差。在吊装各过程中，除对桁架进行测量，对承重平台也须进行测量，主要测量承重平台的沉降。在每个格构柱底部设2个测量点，对吊装前和吊装后的数据进行比对。

5  结语

 天津自贸区拱门钢桁架安装工期紧，且桁架横跨行车主干道，针对工程特点，采用工厂加工、道路一侧现场拼装再吊至安装位置合拢的施工方法。在高空合拢对接时，搭设临时支撑架对桁架进行高空落位和位置调节。对临时结构进行设计验算，并对不同施工工况进行施工过程仿真分析，保证施工安全和施工质量。