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上海浦东国际机场二期航站楼主楼钢屋架建造技术

发布于：2015-07-22 13:58:22 来自：建筑结构/钢结构工程 [复制转发]

提要：上海浦东国际机场二期航站楼设计方案完全为国内自行设计，航站主楼波浪形钢屋架采用刚性与柔性相结合的混合结构体系——三跨连续张弦梁，采用多曲面箱型主梁、树枝形钢柱、异型铸钢节点、螺纹钢拉杆等展现波浪形的钢屋架，结构新颖，造型优美，是我国推广大跨度美学建筑结构的完美典范。本文介绍了工程建造的技术难点及解决方案，为今后工程建设积累经验。

主题词：浦东国际机场建造技术大跨度空间结构
1. 概况
浦东国际机场二期工程其航站楼“慧眼”的设计方案，构思大胆新颖，造型独特，在继承一期工程海鸥展翅飞翔、气势雄伟的同时，给人以耳目一新之感。二期工程在机场整体布局中浑然一体，与一期工程又各具特色，充分体现了现代建筑个性十足又协调发展的大趋势。

图 1 二期工程航站楼主楼

航站主楼波浪形钢屋架为大跨度空间结构，采用刚性与柔性相结合的混合结构体系——三跨连续张弦梁，通过Y型分叉的中柱和边斜柱支承于下部混凝土框架结构。张弦梁上弦在柱顶支承部位为单根箱形截面构件，在跨中分叉为两根箱形构件，构件的截面高度由柱顶处最大逐渐向跨中减小。张弦梁下弦采用单根高强度钢拉杆，以铸钢锚具与上弦相连。中柱与高架道路一侧的边斜柱上端铰接于张弦梁下翼缘，下端刚接于钢砼悬臂柱顶。另一侧边斜柱上下端均为铰接。Y型的中柱、边斜柱与横向张弦梁及纵向连续梁共同形成屋架完整的抗侧力体系。
航站主楼屋架主体为46榀变截面曲形箱梁屋架，上弦基本箱梁截面宽度从300mm～1622mm，箱梁高度从768mm～2288mm，屋架上弦杆为600～200×300的焊接箱形管。下弦为φ100～φ180的钢拉杆通过铸钢结点，同腹杆与上弦箱梁形成混合结构，三跨连续梁跨度分别为46.85米、89米、46.85米，单榀屋架长度约218米，支承结构为单根箱形钢柱、单Y箱形钢柱、双Y箱形钢柱结合体系，钢柱上端均为铰接节点，通过销轴与屋架下端的异型铸钢件连接。屋架梁之间由箱形梁、工字梁、支撑系杆、支撑、百叶钢梁连接，形成一个稳定的屋架体系。航站楼屋架总长度415米，总宽度218米，钢结构总重量约15000吨。

图 2 航站楼屋架标准节间示意图

2. 工程建造技术难点
2.1 屋架梁由双向弯曲的变截面箱型梁组成，形状复杂、截面变化大是屋架梁的特点，在组装和焊接过程中怎样控制变形，保证尺寸精度成为屋架梁加工的关键；屋架梁通过异型铸钢节点与钢柱连接，铸钢节点的安装尺寸精度直接影响到结构安装精度。
2.2 工程结构的特殊性、屋架节点的多样性和复杂性，给工程检验带来了许多难题。有相当数量的验收项目没有现成的规范、标准可直接引用。因此，制订一个针对本工程的验收标准成为工程质量保证的关键。
2.3 作为屋架张弦梁下弦杆的钢拉杆系统，既要考虑建筑外形，又要考虑功能使用，这为钢拉杆及节点的方案确定、安装控制带来了巨大的难题。
2.4 异型铸钢节点的基面和轴心成空间角度，外表面为扭转面，这给铸钢件的检测、安装提出了很高的要求。
2.5 张弦梁分段的交货状态采用“在稳定的二支点状态下交货”具有特殊性，必须采取相应的技术措施来保证。
3. 关键制造技术
3.1 主楼钢屋架建造精度控制技术
屋架梁由双向弯曲的变截面箱形梁组成，箱形梁的最大截面为500x2200，最小截面为300×200，截面变化大、形状复杂。针对其组成特点，我们从组装，焊接方面进行了工艺研究，制定了许多相应的措施，来保证工程质量精度要求。
3.1.1 研究重点
屋架梁每榀分成三个张弦梁分段和两个柱接分段，见分段划分图。根据分段的组成特点和施工质量要求，张弦梁分段的控制难点在于分段的拱度、销轴耳板间距、腹杆垂直度和分段之间的接口配合精度；柱接分段的控制难点则是异型铸钢件节点的空间位置。
3.1.2 工艺措施
(1) 张弦梁分段
a. 拱度的控制
张弦梁制造过程中再细分成三段，两个叉型小分段和一个跨中小分段。小合拢过程中，通过计算机仿真放样技术和数控切割，首先解决了弧形板的展开问题。然后，我们根据张弦梁的线型，专门设计了弧形胎架，胎架的腹板线型与三个小分段吻合，这样在拼装过程中，用卡码卡牢分段，可以保证分段的制造线型。考虑到焊接工艺，我们主张尽可能采用平焊，避免仰焊和仰角焊以减少焊接变形，把弧形胎架设计成正造和反造两副胎架。先在反造胎架上拼装零件板，焊接上翼缘位置焊缝，再翻到正造胎架上焊接下翼缘位置焊缝。由于都是平焊焊接，梁上翼缘和下翼缘焊接热输入十分均匀，因此分段装焊后变形很小，对精度控制、分段拱度控制起到了重要作用。
b. 销轴耳板间距的控制
销轴耳板分别在两个叉型小分段上，安装时首先在弧形胎架上定位两个叉型分段，由于分段整体未成型，此时很容易调整好两个叉型小分段，保证耳板的相对位置和相对角度。将调整好的叉型小分段用卡码固定在弧形胎架上，然后吊装跨中小分段，小分段之间的坡口开成正阶梯形，保证跨中分段就位后上下翼缘板对齐。结构装焊后，测量耳板间距最大偏差-2mm，允许偏差为-3mm，达到了质量要求。
c. 腹杆垂直度的控制
张弦梁的腹杆垂直度对工程完工后的建筑效果好坏有极大的影响，在制定检测标准时，建筑师就提出腹杆垂直度偏差不得超过10mm，实际制造中，由于梁的下弦为张拉结构，螺纹张拉的一个行程就是10mm，这给腹杆安装提出了极高的要求。
对此，我们会同设计院、钢拉杆制造安装单位进行了专门研究，研究预应力张拉到位时，螺纹行程能够达到多少，这将为我们的工艺准备提供直接的数据。我们先通过计算机分析计算预先估计预应力值，然后用ProE软件对结构进行虚拟安装，确定了理论行程值。在实际工艺操作时，我们将理论值再进行偏差修正，加上一个负公差作为腹杆安装的预偏值，实际上就是腹杆安装时上翼缘支点固定，下翼缘支点首先根据理论值往预张拉行程反方向偏转，然后根据偏差允许值再偏转一定数值，以满足预张拉后的腹杆垂直度要求。首次安装时，我们在偏差修正值上增加了一倍允差，预张拉后测量腹杆垂直度偏差为7mm，获得了成功。有了经验后，我们调整偏差修正值，后面安装的腹杆垂直度可以控制到±5mm。
d. 分段间的接口配合
分段间的接口配合采用预拼装是直接而有效的方法。在工艺准备阶段我们决定采用预拼装方案解决接口配合问题。但在准备时我们注意到，屋架结构尺寸大、重量重，考虑到制造条件限制和施工进度，将五个分段进行预拼装几乎是不可能的。对此我们进行了方案优化，将五个分段继续拆分成11个小分段，然后仿照桥梁预拼装方式进行。每三个分段为一组，分为1-3、3-5、5-7、7-9、9-11五组进行预拼装，通过这样的由大化小，由难化易的预拼方式，很好的解决了分段接口的配合问题。
(2) 柱接分段
柱接分段制造的难点是异型铸钢件的空间定位问题。从屋架结构体系上看，由于分段下接树枝形钢柱，并采用销接定位。因此相应节点铸钢件孔轴线与主梁轴线并不是简单的平行或垂直关系，而是成空间一角度。在两个铸钢件同时定位到一个分段时，必须要仔细考虑安装措施，保证树枝形柱枝杈能同时穿入两个铸钢件孔内。
我们利用计算机进行此部分的结构建模后，认为采用常规的眼孔定位法无法确定其正确的位置。即使采用电子全站仪，由于反射点位置在眼孔中心，不能保证贴片的准确性，因此采用数字定位也存在相当的困难。这种情况下必须找到另外一种方法，来解决异型铸钢件的定位问题。
我们通过深入研究模型特点，注意到异型铸钢件底座正好是屋架梁下翼缘的一部分，其基面纵轴和横轴与屋架梁的纵轴、横轴是一致的。我们想到是否能够改变定位基点，用铸钢件底座来定位呢？如果能行，就可以用简单拉划线方法解决这个难题。
经过不断研究，我们决定采用底座基面定位法，将铸钢件的底座基面为结构基准，包括铸钢件制造、各面加工、眼孔钻膛、划线检验等都确定其为同一基面。这样，铸钢件安装时只要找准基面定位，就可以保证眼孔的位置。安装时，以基面的纵横轴线对应屋架梁轴线，以基面基准点作为定位基准点定位安装，既简单、又方便。从结构整体安装后的结果来看，安装误差在允许范围内。至于铸钢件底座基面与眼孔的制造、检测关系，请详见后面异型铸钢件制造的相关内容。
3.1.3 小结
在制定工艺措施的过程中，我们充分利用了现代施工技术，例如计算机仿真技术、模拟技术，同时开阔思路，在吸取传统制造工艺优点基础上不断创新，将工程难点由大化小，由繁化简，由难化易，目的都是为了保证工程质量，提高经济效益。
3.2 工程验收专用标准的提出及依据
3.2.1 问题提出
钢屋架由于节点的多样性和复杂性，给工程检验带来了许多难题。屋架梁上的铸钢节点、张弦梁的钢拉杆节点、梁柱连接的关节轴承节点，目前都缺乏现成的规范、标准可用。铸钢件标准和钢拉杆标准尚在报批阶段，关节轴承用于钢结构属于新型节点，目前仅有机械行业的相关标准。此外，结构复杂的空间体系和外形多变的空间曲线给检验带来了巨大的操作难度。需要验收那些项目，允许值定多少等实际问题都是现有钢结构验收规范（GB50205）所不能解决的。
3.2.2 解决办法
在此情况下，业主、制造单位、设计院和工程监理组成研究组，共同制订了针对本工程的验收标准，在参考各类相关标准、规范的同时，结合以往制造工程经验和积累的数据，给出了详细的验收项目，具有相当的可操作性。
铸钢件的制造，主要参考德国标准DIN17182确定了化学成分和物理性能指标，取样和检验方法则参考了国内报批稿的相关内容。其中争议较大的是铸钢件超声波的范围和等级确定，主要原因是工程用的铸钢件形式多样，有机加工面、螺纹面、扭转面等，具体操作难度很大。对此，研究组将本工程铸钢件进行了细化分类，每种类别的检测范围和等级加以明确，解决了实际难题。
钢拉杆的制造以报批稿内容为主，考虑到钢拉杆体系成型后对建筑效果的影响，对钢拉杆的直径偏差，不圆度偏差进行了严格限制；对钢拉杆表面的涂装、无损探伤等都给出了明确的要求。
关节轴承的使用在钢结构工程上尚属于新型节点，目前其承载能力主要以理论计算和试验值作为评判的依据。本工程使用的向心关节轴承制造参考了《关节轴承：向心关节轴承》（GB/T9163）的相关内容，在承载能力上，根据破坏试验研究结果，研究组对轴承的径向额定荷载和轴向额定荷载都进行了严格的规定。
钢屋架的验收主要是参考《钢结构工程施工质量验收规范》，但对于工程中许多项目和验收值，规范未能完全覆盖。例如张弦梁的验收细则，树型钢柱的验收细则，多曲面屋架组装和安装的验收细则等等。研究组在研读了规范水平并综合以往建筑制造水平的基础上，提供了具体的验收细则方案，为工程的可操作性提供了保障。
3.2.3 小结
专项验收标准的制订，给工程的顺利施工提供了保证，从安装后的效果来看，工程质量符合预期的要求，证明标准的制订获得了成功。另外，专项标准的可操作性强，部分内容具有通用性，对以后同类工程的建设具有一定的参考价值。
3.3 钢拉杆螺纹节点的方案设计、安装技术和预应力控制技术
3.3.1 螺纹节点的方案设计
在张弦梁钢拉杆设计初期，设计院提出钢拉杆与铸钢件节点采用螺纹连接，同时利用螺纹行程进行预应力张拉的总体方案，并给出了内螺纹铸钢件的主方案和外螺纹铸钢件的备选方案。我们通过施工分析后认为内螺纹铸钢件方案施工上不易达到，提出了采用外螺纹铸钢件方案。即铸钢件端头外螺纹，钢拉杆端头同样外螺纹并配备连接钢套筒。当铸钢件和钢拉杆两个外螺纹同向时，该节点作为张弦梁的安装节点，钢套筒仅起连接作用；当两个外螺纹异向时，该节点作为张拉节点，钢套筒不仅起连接作用，同时起张拉作用。为了评判两种方案的优劣，我们进行了对比。
(1) 铸钢件外螺纹方案
钢拉杆两端采用螺纹套筒，铸钢件采用外螺纹，在安装节点钢拉杆与铸钢件采用同向螺纹，在张拉节点拉杆与铸钢件采用反向螺纹。
优点：安装、张拉方便，结构尺寸容易控制。节点尺寸小，结构形式美观。
缺点：相对内螺纹铸钢件，节点长度稍长。
(2) 铸钢件内螺纹方案
铸钢件采用内螺纹，钢拉杆两端均为螺纹连接。
优点：节点尺寸小，结构形式美观。
缺点：安装困难，张拉不易控制，结构尺寸不易保证，铸钢件内螺纹质量不易控制。
从以上对比可以看出，钢拉杆螺纹节点采用外螺纹的设计方案虽然对建筑效果有影响，但是更易满足施工的需要。为了解决该方案节点长度稍大的缺点，我们对钢套筒的外弧线进行了进一步优化，减少视觉上的突兀感，优化后的方案得到了建筑师的肯定，被用于工程实践中。
3.3.2 安装技术
下弦为钢拉杆结构的张弦梁体系较为少见，通常都为索结构，因此我们对结构的安装进行了详细的工艺研究。通过研究我们发现安装有以下几点需要注意：首先必须事先确定张拉节点的位置；其次安装时上弦梁必须放松；然后必须考虑钢拉杆安装的先后次序；还有就是螺纹行程必须事先确定。
根据上述要点，我们进行了充分的准备，然后按照各要点展开安装工作。首先要确定张拉节点位置，考虑到张拉的均匀性，还有张拉工装的布置和易操作性，张拉节点定在张弦梁的中间节点，其余节点则作为连接节点。第二步是进行安装，先要放松上弦梁，上弦梁是箱形梁，外形成弧形，结构具有一定的刚性。在组装胎架上，我们选择上弦梁的中点，分成四点位用四个20吨油泵将其均匀顶高40mm，这样两侧的钢拉杆销轴耳板就可以向内移动，提高安装操作性。
接下来是设定安装顺序。根据张拉节点位于下弦杆群中间，其张拉节点是螺纹行程控制节点，因此该节点的螺纹方向相反，而其他连接节点的螺纹方向相同。由于这种螺纹连接方式，安装时必须整体考虑顺序，不能任意安装。通过研究，我们决定采用1-2-3-4-5-6的顺序安装各杆件，先安装连接节点，接着安装销轴节点，张拉节点最后安装。安装顺序考虑好后，就要确定螺纹行程，实际安装就是考虑直腹杆的偏转距离，保证张拉结束后直腹杆的垂直度符合验收要求。根据前文叙述，我们初定了偏转值，然后按照顺序依次安装钢拉杆，用特制扳手用钢套筒将铸钢件与钢拉杆进行连接。安装后保持中间腹杆垂直于地面，完成钢拉杆的安装。
3.3.3 预应力控制技术
按照设计图纸的要求，张弦梁的预张只是为满足结构体系的成立，同时确保拱形尺寸，对预应力的施加值并不做限定。因此，在准备时我们确定了以结构变形为主，以应力施加为辅的张拉方案。
(1) 首先是结构复位，钢拉杆安装完成后放松20吨油泵，让屋架复位。屋架复位后用电子全站仪检查屋架本体、直腹杆、钢拉杆和铸钢件位置，不符合初始张拉要求的需进行调整，调整完毕后，放松所有结构约束，屋架分段两端用50吨油泵顶升起50mm，使分段达到二支点状态。
(2) 接下来安装张拉装置，连接油路及各种线路，张拉前通过精确调整连接套筒，保证钢架下弦钢拉杆的初始长度控制在一定的范围内。
(1) 进行张拉施工，同步分级张拉、缓慢加载，保证张拉位移与连接套筒旋转跟进同步。通过张拉设备进行3～5次张拉调整，同步进行变形测量及数据采集，观察张弦梁拱度尺寸的变化。根据所测得的数据值及时进行张拉协调调整，当张弦梁拱度到达预定值时，停止张拉，完成张拉过程。
3.3.4 小结
张弦梁采用钢拉杆螺纹节点的方案较为新颖，设计、制造、安装具有一定的技术难度。我们在制造时，对方案的可操作性，施工的控制性都进行了详细的研究，制定了相应的工艺措施，使工程的完工验收取得了满意的结果。同时，在技术准备和工程施工中，我们对新技术、新方法、新工艺的运用，也为公司的科技进步积累了经验。
3.4 异型铸钢件的检测技术
3.4.1 问题提出
屋架分段与屋架钢立柱之间连接的铰接节点采用扭面异型铸钢件，结构形式新颖别致，但对于施工却造成了很大的困难。铸钢件出炉经过数控机床加工后如何检测，成为铸件验收的难题。
3.4.2 解决办法
根据结构特点分析，在计算机三维辅助设计下，我们考虑了一个巧妙的办法解决了上述难题。由于铸钢件尺寸比较复杂，我们采用平台交验法对铸钢件进行检测，采用了以下步骤：
（1）在工作平台上制作一固定的检测台，布置工艺基准块，并划出十字基准线；
（2）根据铸钢件空间位置制作一副平台交验胎架；
（3）按照其空间位置在加工成型铸钢件底座及各条边，划出十字线并用洋冲敲印；
（4）进行检测，在工作平台上定位铸钢件，采用预先加工的检测轴试穿铸钢件轴孔及定位支座。通过检验三者的同心度和检测轴的位置偏差，若满足验收方案要求，则说明铸钢件通过了检测。
3.4.3 小结
通过这个办法，很好的解决了扭面异型铸钢件的检测问题，同时划好的基准线作为铸钢件在分段的定位基准，也解决了铸钢件的定位问题。
3.5 张弦梁分段在稳定的二支点状态的控制技术
3.5.1 问题提出
根据张弦梁结构体系的特殊性，张弦梁分段现场组拼后需要在稳定的二支点状态下交货，这是指分段完成后需脱离胎架，仅在两个支点的作用下进行交验。这种交验状态符合张弦梁的实际受力状态，但对交验工作提出了很高的要求。
3.5.2 采取措施
通过工艺研究，我们发现施工中有两个问题需要解决。一是支点的确定，二是由于张弦梁结构重心高，二支点成立后如何防止其倾倒。
首先是确定支点，根据张弦梁结构的特点，我们将支点位置定在上弦杆和下弦杆母线交点的垂线上。这样在理论上能够符合体系受力情况，实际设计中也避让了销轴耳板构造和分段接口构造。支点设计成锲形，底面保持水平，对应的箱梁内部增设加劲板，用来满足支承受力要求。
接下来是考虑其侧向倾倒问题，我们在上弦梁中间位置设置了两组防倾板，作为结构的水平限位。只允许梁沿垂直地面的纵向移动，限制其水平位移，这样就起到了防止其倾倒的作用。
实际施工中首先在支点下布置砼墩、支点胎架，在胎架的顶部各布置一组50t的油泵。然后解除分段所有约束，利用二只50t油泵，缓缓顶起屋架50mm，同时检测屋架上弦杆逐渐脱离胎架情况下的线型变化。当屋架分段变形稳定后，检查支点状况，确认分段已完全处于二支点状态，随后进行后续交验工作。
3.5.3 小结
通过二支点交验方案，为工程总体安装后的变形控制提供了准确的第一手数据资料，而所采用的二支点施工控制技术，为其提供了有力的技术保障。同时，也为将来类似工程的施工提供了参考。
4. 技术创新点
(1) 虚拟制造和现实施工相结合，通过调整和验证确保施工的可靠性
现代计算机技术的飞速发展，使得工程虚拟制造不但成为可能，而且与现实施工的关联越发密切。在工程中，拱形梁的安装顺序，腹杆偏转值的确定，钢拉杆螺纹节点的设计，钢拉杆的安装控制，异型铸钢件检测方案的可行性研究等，都是利用虚拟技术确定方案，通过工程施工加以验证的例子。而工程施工的结果通过计算机虚拟制造的调整，可以优化成更合理的方案，有助于施工工艺性能的提高和工程质量的保证。
(2) 新型张弦梁体系的制造、安装技术
上弦为变截面箱型梁，下弦为钢拉杆，采用螺纹节点预张拉的张弦梁结构体系，形式新颖，结构复杂。螺纹节点的设计，腹杆的偏转安装方式，钢拉杆的安装要点控制和预应力控制等，都具有相当的技术含量，具有一定的创新性。
(3) 异型铸钢件的检测方法和安装方法
异型铸钢件的检测方法，突破了传统方法的限制，通过转换思路，采用了较为巧妙的办法解决了检测和安装两个难题。
(4) 张弦梁分段二支点的控制技术
张弦梁分段采用二支点交验法，符合其结构理论的要求。施工过程中采用的控制措施，为工程的顺利进行提供了保证。
5. 结束语
上海浦东国际机场二期工程建设中很多问题都超出了相应规范、相应标准的规定，为此还专门制定了工程制造安装各专项标准，确保了工程顺利进行，同时积累经验，为以后同类工程的建设提供参考。
通过本工程的施工，公司在大跨度结构的施工上积累了宝贵的经验，锻炼了一批精干的施工队伍，为今后在类似工程的施工提供了良好的技术保障。同时，在技术准备和工程施工中，对新技术、新方法、新工艺的运用，也为公司的科技进步贡献了力量。