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年度好文推荐曹操高陵保护项目双向正交网格结构带巨型加强桁架累积滑移技术

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摘要 Abstract



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以安阳曹操高陵本体保护与展示工程B区遗址保护棚屋盖为例,介绍大跨度双向正交网格结构带巨型加强桁架累积滑移技术 该技术首先利用有限元方法中的生死单元技术接触分析和位移加载,对屋盖结构拼装滑移卸载的全过程进行时变模拟分析 根据分析结果,在屋盖端部桁架上方合理设置加强桁架,并借助有效的施工监测手段,确保了项目顺利实施。

Part 01

工程概况

安阳曹操高陵本体保护与展示工程位于安阳市殷都区安丰乡西高穴村高陵保护区内,系为2013年被列为全国重点文物保护对象的安阳高陵而建,建成后将成为研究三国文化及汉魏历史的重要平台。

工程B区遗址保护棚地上1层,建筑高度16.75m,采用钢筋混凝土独立柱+大跨度双向正交正放H型钢桁架空间网格结构屋盖形式,H型钢桁架横向跨度119m、纵向跨度140m、四周悬挑9m。屋盖中间位置结构截面高度7.275m,支座位置高4.3m,屋盖下弦底面呈水平布置,屋盖上弦向四周找坡,坡度5%。建筑效果如图1所示。 

图1  建筑效果

Part 02

工程难点、特点 

1) 文物保护要求高,无法跨内吊装,施工方案选择受限  曹操高陵遗址距今约1800年,工程B区遗址保护棚屋盖投影下方均为文物保护区,保护区内有墓坑、土层线,壕沟及未发掘区等重要考古文物。墓坑最深处距室外表面约15m,距BJ 轴混凝土柱6.1m( 见图2)。墓坑内甬道已变形,侧壁有明显开裂变形及脱落等情况,施工时需严格控制和监测墓坑附近土压力与侧向位移,防止墓坑变形坍塌。而土层线的每一层代表一定时期、上下文化层的叠压关系遗址各层文化内涵及相对年代,施工时亦不得对屋盖下方土体碾压、开挖及扰动,文物保护要求极高,无法跨内吊装和设置临时支撑,施工方案选择受限。

图2  墓坑位置

2)大跨度双向正交钢桁架空间网格结构受力复杂,结构成型过程变形控制难度大  屋盖结构为大跨度双向正交钢桁架空间网格结构,四周设置支座,呈典型的双向受力特征。对于此类结构,适宜的施工方法有单元吊装法整体提(顶) 升法及多轨道累积滑移法。但出于文物保护方面的考虑,不允许在屋盖下方搭设临时支撑结构进行屋盖拼装,也不允许在场内进行吊装作业,因此上述方法均不适用。在制定施工方案时,如何控制保结构成型过程中的变形和保证结构受力安全并符合设计要求尤为关键,亦难度巨大。

Part 03

施工方案选择

根据屋盖双向正交网格结构受力特点、以往类似工程施工经验及现场实际情况,在初步选定地面单元小拼、高空定点整拼、双轨道累积滑移的基础上,通过施工全过程模拟,及“双轨道+预应力拉索”与“双轨道+加强桁架”2种施工方案的对比分析,同时考虑到因屋盖结构下弦水平、屋盖高度不高导致预应力拉索作用效果不明显及场内存在旧的保护棚障碍物等实际情况,最终选择地面分单元小拼、高空定点整拼、双轨道+加强桁架高空累积滑移总体施工方案。

综合考虑屋盖结构平面布置、桁架高空拼装时的吊装作业半径、总体施工效率等因素,将整个屋盖划分为16个施工单元( 见图3) ,其中1~15施工单元在高空拼装完成后自B9~B1轴方向依次累积滑移到位,首个滑移单元包含4榀桁架,第2次累积滑移时再增加3榀桁架,后续每次增加2榀桁架,共滑移15次,最后1个施工单元采取原位分段吊装。地面分段小拼时,沿119m跨方向,每榀桁架分为5段,由1台260t 履带式起重机负责吊装。

图3  施工单元划分

Part 04

施工关键技术

4.1  高空拼装平台设计

根据施工总体方案及施工全过程时变模拟分析结果,施工时,在B8~B9轴间搭设高空拼装平台,在BA,BJ轴混凝土柱顶标高处分别设置2条通长主滑道,2条主滑道间增设6条辅助滑道。考虑到屋盖滑移过程中的受力变形协调及平面外稳定性,辅助滑道长度设为32m 同时,为确保拼装工作质量安全可控便于操作,根据高空拼装单元划分情况,高空拼装平台设计宽度为16m,由H型钢格构柱(外侧利用混凝土结构柱)、柱间正三角主桁架(兼作高空拼装区域滑移梁)、平面次桁架H型钢平台梁等组成,平台上满铺4mm厚花纹钢板,平台四周设置安全防护栏杆(见图4)。

图4  高空拼装平台布置

格构柱高9m,截面尺寸为2m×2m,主肢、腹杆分别采用HW300×10×15,L100×10型钢;正三角主桁架高2m、底部宽2m、长32m,上弦采用H600×800×20×30焊接型钢,下弦、腹杆分别采用HW300×10×15,HW200×8×12热轧型钢;连系桁架高2m,上弦杆采用HW250×9×14型钢,下弦杆及腹杆均采用HW200×8×12型钢;H型钢平台梁规格均为HW200×8×12,间距2m。

4.2  滑道设计

项目下部混凝土结构柱间距较大,最大达24m。应文物保护要求,柱间亦无法设置临时支撑。滑移梁采用正三角桁架形式,桁架底部宽2m,混凝土柱间距14m处桁架高3m,混凝土柱间距22m处桁架高4.5m。桁架上弦采用H1 000×800×35×50焊接型钢;下弦和腹杆采用HW300×10×15轧制型钢。同时,为便于施工,确保受力安全和清水混凝土柱成品保护,除桁架上弦通过预埋件与混凝土柱侧面连接外,下弦通过外包钢框形式与混凝土柱相连,钢框均采用HW300×10×15轧制型钢( 见图5)。所有滑道措施材质均为Q345B。

图5  滑道三维示意

为确保滑移过程中屋盖高空拼装与滑移措施受力安全,根据总体施工方案,采用MIDAS/Gen分析软件进行施工全过程模拟分析,得出BA,BJ 轴滑移梁在施工全过程中的受力情况,及每次滑移到位时,高空拼装平台、混凝土柱、外包钢框及滑移梁变形与应力水平( 见图6,7)。

图6  首次滑移完成后滑移梁变形

图7  第12次滑移完成后滑移梁应力比

从图6,7可知,在标准工况组合下,首次滑移完成后,混凝土柱间滑移梁竖向变形最大,为35.42mm,小于60mm( 24 000/400) ,满足GB 50017—2017《钢结构设计标准》及设计要求,且与实测最大挠度值32mm基本一致。第12次滑移完成后,混凝土柱间滑移梁杆件应力比最大,为0.85,施工过程安全可靠。

4.3  滑靴和液压爬行器布置

采用液压滑移技术需设置专用滑靴和液压爬行器,每个爬行器对应1个顶推点,即液压顶推设备与屋盖连接节点,用以传递液压爬行器水平顶推力。根据屋盖滑移总重,BA,BJ轴分别设置4处顶推点,中间4条辅助滑道上各设置2处顶推点( 见图8) ,且随着屋盖向前滑移,中间4条辅助滑道上顶推点需循环往复变换位置,确保液压爬行器始终处于滑轨上。

图8  顶推点平面布置

滑移过程中,屋盖荷载需由滑靴传递至下方滑道结构。考虑到本工程屋盖结构自重较大,根据施工模拟分析结果,在BA轴滑道上设置19个滑靴,BJ轴滑道上设置17个滑靴,6条辅助滑道上每隔2榀桁架设置1个滑靴,且始终保持每条滑道有3个滑靴位于滑道上( 见图9)。

图9  滑靴平面布置

4.4  液压爬行器与滑靴非共轨设计

常规情况下,滑移施工时,液压爬行器与滑靴均布置在滑移轨道上。但在本项目中,由于液压爬行器与另一方向桁架下弦位置冲突,造成桁架下弦杆件无法安装,因此,在设置液压爬行系统时,采用非共轨设置方式,即滑靴直接布置于滑移梁上,上端与桁架下弦节点焊接;液压爬行器布置在滑移轨道上,其上端作用在桁架节点处,桁架节点做加强处理( 见图10)。

图10  滑靴与液压爬行器布置

4.5  巨型加强桁架设计

对于四边支撑的双向正交H型钢桁架空间网格结构体系,如在不采取任何措施条件下应用双轨道累积滑移技术,由于结构滑移过程中屋盖前端缺乏支撑,在结构前端滑出拼装平台和辅助滑轨后,滑移部分结构仅左、右两端支撑在BA,BJ 轴上,故形成三边简支、一边自由的状态,结构受力将发生显著变化,滑出平台部分的屋盖结构跨中变形急剧变化。

为控制屋盖滑移过程中结构应力与变形,保证结构本身与施工安全,解决结构施工过程中滑移最前端B1 轴桁架跨中挠度过大的问题,并尽量使结构受力和变形分布与设计保持一致,根据模拟分析结果,在滑移最前端3榀桁架上方设置临时巨型加强桁架,以提高屋盖结构滑移过程中的局部刚度( 见图11)。

图11  加强桁架示意

为充分发挥加强桁架刚度与抗弯能力,根据施工全过程模拟分析结果,加强桁架设计成高12m宽、8m长、119m空间矩形桁架。桁架上弦采用 □600×600×30×30箱形杆件,中弦杆、直腹杆、斜腹杆则均采用HW350×16×20热轧型钢,顶部横梁规格为H400×250×12×14,材质均为Q345B,重约380t。

4.6 巨型加强桁架有效性分析

为掌握屋盖滑移过程中的受力与变形情况,保证结构本体与施工安全,为巨型加强桁架设计、优化提供依据及验证加强桁架效果。根据巨型加强桁架初步设计,结合现场总体施工工艺,采用有限元软件SAP2000分别建立有、无巨型加强桁架时屋盖整体有限元模型,并利用生死单元技术、接触分析、位移加载进行施工全过程时变模拟分析。在全过程模拟分析中,重力荷载通过计算模型自动施加,滑靴顶推作用则采用强制位移加载方法进行模拟。同时对于部分经初算应力比>1的杆件( 位于巨型桁架下方和屋盖结构平面中心区域),施工时,需将此部分杆件进行替换,然后重新建模分析。

由模拟分析结果可知,有、无加强措施条件下屋盖结构滑移施工时,结构应力水平、最大变形值及变形规律差异明显:无加强措施屋盖在滑出辅助滑道后,屋盖前端跨中挠度持续加大,滑移至设计位置时,最前端B1轴桁架跨中挠度达1 218mm,相应位置最大应力达528.9MPa,且诸多杆件应力>300MPa,严重超过设计与规范要求;而有加强桁架屋盖在整个滑移过程中,结构受力和变形较复杂,但结构变形与应力水平明显降低,整体屋盖变形分布更趋于合理,与设计基本相符。屋盖结构全部滑移到位后,B1轴桁架跨中挠度减小为153.9mm,挠度最大值为189.3mm,出现在屋盖结构悬空部分中间位置。应力最大为159.7MPa,结构仍处于弹性范围且有较大安全储备,滑移过程安全可靠。

由此可见,屋盖滑移过程中巨型加强桁架效果较明显。究其原因,主要是因为巨型加强桁架改变了屋盖刚度分布,尤其增强了屋盖滑移过程中结构最前端刚度。

4.7  施工监测技术

1) 应力应变监测

安阳曹操高陵项目屋盖结构跨度较大,滑移过程中结构受力与应力分布较复杂,为确保结构施工过程中的安全,选取屋盖滑移过程中的关键位置及结构分析中应力较大位置布置应变监测点(见图12) ,如加强桁架区域中加强桁架跨中上弦杆、B1轴与加强桁架相连的桁架跨中下弦杆、加强桁架最外侧斜腹杆、B1轴桁架最外侧斜腹杆及屋盖悬空区域中间位置杆件,实时监测杆件应力。为方便数据读取及远程控制,建立分阶段变工况信息化监测系统,监测仪器采用智能振弦式传感器,并利用收集到的应变信息对滑移过程的安全状态进行实时评估,同时与施工模拟分析结果进行对比,以验证监测与模拟分析数据的可靠性。

图12  应变监测点布置

由于受前期布点影响,监测从第4次滑移开始,第4次滑移时布置11个测点,第5次加装5个测点,第6次加装5个测点,共21个监测点。为补偿部分测点在屋盖结构受力后才布设完成,导致测得的数据偏小无法实现预警作用,采取将监测点布点时的理论计算值作为该测点初始应力,然后再与实测值进行叠加,以此作为该点监测修正值。

由各测点监测反馈数据与施工时变模拟计算分析结果对比可知,实测数据与模拟值较接近,且变化趋势一致,但存在一定波动。原因为:①由于滑移前期屋盖悬空部分较少,受约束较强,此时各顶推点微小的顶推不同步会使实测杆件应力产生一定波动;②由于滑移梁自身存在挠度,进而影响滑靴底部刚体运动和桁架所受剪力,最终影响斜腹杆轴力。此外,滑移过程中边界约束条件的变化、滑道表面光洁度不均匀导致摩擦系数变化及顶推器顶推时产生的应力集中与各顶推器之间的不完全同步等实际情况,均会对实测数据造成一定程度影响。

2)温度监测及应力、应变分析

安阳曹操高陵项目屋盖短轴跨度119m,长轴跨度140m,为典型的大跨度空间网格结构。此类结构在温度变化时,内部势必会产生一定的温度变形和温度应力。经通用结构分析软件SAP2000初步模拟计算分析发现,结构对温度较敏感。由于该项目钢结构施工时间为2018年1月至2019年6月,时间跨度长,春、夏季节早晚温差大,短时间内结构由于温度变化导致的变形也较大,尤其是在结构尚未卸载条件下,结构所受约束不足,在温度变化较大情况下变形更大。

为掌握该结构温度作用效应,消除温度变形造成的安装尺寸偏差,尤其是支座定位偏差,合理安排结构滑移到位后的卸载与支座焊接固定时间,保证结构最终成型质量及使用过程中的受力安全,需对整体结构进行施工模拟分析及整体尺寸变形测量,并对个别杆件进行应力、应变监测。

通过对钢结构本体施加±15℃温度荷载,得出钢屋盖B1轴短跨方向长度变化量的绝对值为19~24mm( 见表1)。第14次滑移完成后,B1轴右侧支座在温度变化下的位移计算结果如图13所示。

表1  B1轴桁架温度变形模拟分析统计    mm

图13  ±15℃时B1轴右侧支座位移

钢结构施工期间,通过温度计、测温枪、钢卷尺分别对环境温度、构件表面温度及支座位移进行实体监测。根据2019年6月实际测量结果得出,滑移结束后B1轴桁架在24℃温差影响下,短跨方向变形绝对值为23mm(见表2),与施工模拟计算结果基本吻合。

表2   钢屋盖温度变形监测

为掌握屋盖结构温度应力情况,在结构滑移到位后继续对滑移过程中的应变监测点进行监测,同时通过智能振弦式传感器测得对应点位的温度。考虑到气温变化情况,每日选取8: 00,12: 00,18:00,22:00的数据作为参考数据,形成动态曲线。

当温度降低时,监测点压应变增大,拉应变减小,个别构件拉应变转化为压应变并不断增大;当温度升高时,拉应变增大,压应变减小,个别构件压应变转化为拉应变并不断增大。因此,钢结构合龙时间,即支座落位固定时间需严格遵守合龙温度要求,并选在温度相对较低和稳定的凌晨。

4.8  文物土体保护技术

安阳曹操高陵项目高空拼装平台下方土体1.7m以上为回填土,1.7m以下有壕沟、古河道、土层线等文物,且现有墓坑侧壁有开裂、脱落等现象,根据文物保护要求,施工时,墓坑侧壁向内最大水平位移应≤10mm,1.7m以下土体竖向变形量应≤20mm。为控制高空拼装平台和辅助滑移轨道区下方土体沉降量,根据土体变形计算分析,钢结构施工时采取以下技术措施:①屋盖滑移施工时,增加滑靴数量以减小由滑靴传递给支撑胎架的竖向集中力;②在支撑胎架底部设置井字形转换梁并满铺20mm厚钢板,以扩大支撑胎架底部与文物土体接触面,减少单位面积土压力;③在20mm厚钢板下方铺设500mm厚塘渣,利用塘渣变形及扩散作用减缓下方文物土体变形;④建立土体变形监测与实时预警系统。根据现场实际情况,在墓坑周边、高空拼装平台与辅助滑移轨道下方设置土体变形观测点,并埋置土压力盒( 见图14) 。监测点埋设深度为地表下1.7m。墓坑周边土体倾斜报警值、高空拼装平台与辅助滑移轨道下方土体竖向沉降预警值均设定为10mm。

图14  土体变形监测点布置

根据施工全过程最大竖向荷载计算分析,1.7m以上土体竖向变形量为9.8mm,1.7m以下至地下8.799m厚度内的土体竖向变形量为12.3mm。从土体变形监测结果来看,屋盖施工滑移阶段,各监测点土体变形均匀并趋于稳定。施工完成后,高空拼装平台下方实体监测点D5,D6,D7,D8对应位置1.7m以上厚度内的土体竖向变形量为7.56mm,依此推算得出其1.7m以下至地下8.799m厚度内土体竖向变形量约9.4mm;墓坑周边实体监测点D1,D2,D3,D4的墓坑边向内最大水平位移为5mm,均未达到预警值,满足文物保护土体变形限值的要求。

Part 05

结语

针对大跨度双向正交钢结构空间网格结构的受力与变形特点,结合文物保护工程文物土体保护要求与现场实际情况,项目在方案策划前通过施工全过程时变模拟分析,创新提出大跨度双向正交网格结构带巨型加强桁架累积滑移技术。该技术通过在屋盖结构滑移最前端的桁架上方设置临时巨型加强桁架,以提高原屋盖钢结构局部刚度,有效解决了屋盖累积滑移施工过程中结构前端跨中挠度过大及整体结构受力与变形分布不满足设计意图等难题。同时,在项目实施过程中通过应力、应变、温度监测等手段与实时反馈系统,实时掌握结构受力与温度变形情况,明确了合龙时间,确保工程安全、顺利进行,项目实施效果良好。

(参考文献略)

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