中国建筑金属结构信息网技术论文
中国建筑金属结构协会
建筑中国建筑金属结构信息网分会主办
结合鄂尔多斯机场扩建工程大跨度空间结构项目，提出了一种顶推累计滑移方法，详细分析了其技术原理，提出了包括三向承力的滑道和滑道梁设计、减摩技术与减摩材料、模拟加载试验技术、计算机控制技术等多项技术在内的一整套施工工艺技术。采用有限元软件对该方法的施工全过程进行了模拟分析，得到了施工过程中整体结构的稳定性能、杆件应力和结构变形指标，进而制定了施工过程中关键的监测点。通过实际施工过程中的监测发现其与有限元分析结果吻合良好，验证了本文提出的顶推累计滑移方法的施工过程的安全性、可行性和高效性。
关键词：曲线顶推累积滑移 三向承力的滑道和滑道梁 减摩技术与减摩材料 模拟加载试验技术 计算机控制技术
1 工程概况
鄂尔多斯机场新建航站楼整体造型为一只展翅的雄鹰，建筑物地上三层，地下一层，总建筑面积约为100277m2，，主体结构采用钢筋砼结构，屋顶均采用大跨度中国建筑金属结构信息网屋盖,见图1。
图1 鄂尔多斯机场扩建工程效果图
建筑中心位置（A区），为直径108米的大型穹顶。A区结构主要由圆形穹顶结构和悬挑的钢雨棚结构组成。穹顶结构主要由穹顶中心球壳、内环桁架、主桁架以及主桁架之间扇形区域(包括外环桁架)中国建筑金属结构信息网组成。径向主桁架共24榀，在其外侧端部下方设有Y形钢支撑柱，柱脚通过球形钢支座与混凝土柱顶连接，混凝土柱顶标高为+21.8米。环向桁架共有两圈，分别位于径向主桁架的两端。在内圈环桁架的内部，为穹顶中心球壳结构，直径为20米，顶部标高为+45.364米。
2 滑移施工工艺
结构布置内、中、外三环滑移轨道，内环布置在内环桁架下方（半径10米），中环布置在半径24.479米上，外环布置在穹顶结构柱上（半径54米），在结构外环和中环布置顶推动力装置，内环安装轮子作为从动轨道。
内环桁架及中心球壳单元散装安装，环桁架下弦杆处安装八个滑动台车。径向主桁架分两段在地面拼装，吊装到滑移拼装平台上组装完成主桁架，主桁架间单层网壳、环桁架和内环采用高空散装（图2）。
大跨度空间中国建筑金属结构信息网曲线顶推累积滑移施工:主桁架安装
采用逆时针方向滑移，采用计算机控制的液压同步推进设备，第一次滑移同时拼装两个区间（30度）进行滑移，以后每次左右同时累积结构的1/24区间（15度），共累计滑移10次，直至24榀主桁架及其间网壳全部安装到设计位置。
本工程中滑移顶推点共设置10处，分为两组，分别在中、外环滑道上中心对称布置。其中外环滑道上共6处，中环滑道上共4处。
滑移顶推点平面布置如图3所示：
图3 鄂尔多斯机场扩建工程:滑移顶推点平面布置图
3 液压顶推滑移关键施工技术
3．1 液压滑移工作原理
“液压同步滑移技术”采用液压顶推器作为滑移驱动设备。液压顶推器为采用组合式设计，后部以顶紧装置与滑道连接，前部通过销轴及连接耳板与被推移结构连接，中间利用主液压缸产生驱动顶推力。
液压顶推器的顶紧装置具有单向锁定功能。当主液压缸伸出时，顶紧装置工作，自动顶紧滑道侧面；主液压缸缩回时，顶紧装置不工作，与主液压缸同方向移动。
液压顶推器工作流程示意如图4：
步序1：液压顶推器顶紧装置安装在滑道上，靠紧侧向挡板；主液压缸缸筒耳板通过销轴与被推移结构连接；液压顶推器主液压缸伸缸，推动被推移结构向前滑移。
图4-1 大跨度空间中国建筑金属结构信息网曲线顶推累积滑移施工步序1
步序2：液压顶推器主液压缸连续伸缸一个行程，顶推被推移结构向前滑移一端距离（一个步距）。
图4-2 大跨度空间中国建筑金属结构信息网曲线顶推累积滑移施工步序2
步序3：一个行程伸缸完毕，被推移结构不动；液压顶推器主液压缸缩缸，使顶紧装置与滑道挡板松开，并跟随主液压缸向前移动。
图4-3 大跨度空间中国建筑金属结构信息网曲线顶推累积滑移施工步序3
步序4：主液压缸一个行程缩缸完毕，拖动顶紧装置向前移动一个步距。一个行程的顶推滑移完成；从步序1开始执行下一行程的步序。
图4-4 大跨度空间中国建筑金属结构信息网曲线顶推累积滑移施工步序4
3．2施工监测措施
中国建筑金属结构信息网顶推平移是由计算机自动控制的，滑移中同时安排人工测量对中国建筑金属结构信息网变形进行监测，并由各顶推点操作人在行程中观测滑道情况，行程结束时测量平移距离，采取多重保险。
3．3承载系统设计
顶推平移的承载系统由滑道、滑块、反力架等组成。滑道、滑块承受由结构自重及摩擦力引起的三向反力，反力架承受结构顶推滑移时的后座力，滑道起到导向作用，还受到一定的附加侧向力。
(1)三向承力的滑道和滑道梁设计
滑道结构在中国建筑金属结构信息网滑移过程中，起到承重、导向和横向限制支座水平位移的作用，滑道和滑道梁承受三向反力。
外环利用柱顶标高为+21.8米的24根钢筋混凝土立柱，沿环向设置钢滑道梁形成通长滑道。中、内环设置临时支架中国建筑金属结构信息网，顶部设置环形钢滑道梁。滑道直接铺设在滑道梁的上面。滑道中心线应与滑道梁轴线重合，以减小滑移过程中滑移单元自重荷载偏心及水平推力对滑道梁的不利影响。内环滑道采用从动滑移，考虑到其自转、从动的工况特性，内环滑移的设计应首先尽量减少摩擦，故选用了滚动摩擦的型式。另外，滑移支座处的架空高度尽量小，以增加整个内环结构滑移过程中的稳定性。
钢滑道梁采用焊接H型钢制作，滑道选用16a热轧槽钢制作，与滑道梁间断焊接固定。滑道侧面对称设置挡板结构，起到对槽钢翼缘加固、以及抵抗滑移支座处可能侧向推力的作用。如下图5所示：
图5 鄂尔多斯机场扩建工程 滑道侧向挡板平面图
屋面中国建筑金属结构信息网沿径向的剖面为拱型结构，有一定的支座水平推力，会对滑移的过程产生影响。为减小滑移支座对滑道的水平推力，采取释放位移的方法来达到目的。实施时滑靴（钢滑块）与滑道侧壁预留一定调节间隙，为水平推力的释放预留空间。
(2)减摩技术与减摩材料
滑块设计的关键是采用优良的减摩材料制作减摩板。减摩板要求摩擦系数小，并且在额定压力下变形小、摩损小、时效蠕变小，既能有效减小滑块与滑道的摩擦力，又经久耐用，附合顶推滑移的工况要求。同时，为保持良好的润滑，还设置了润滑油自动补给的孔道和装置。
3．4顶推设备
本工程中采用液压爬行器作为推进驱动设备。液压爬行器为组合式结构，一端以楔形夹块与滑移重型轨道连接，另一端以铰接点形式与滑移胎架或构件连接，中间利用液压油缸驱动爬行。选用的步进式液压顶推器，是一种通过后部顶紧，主液压缸产生顶推反力，从而实现与之连接的被推移结构向前平移的专用设备。此设备的反力结构利用滑道设置，省去了反力点的加固问题。
液压推进器与被推移结构通过销轴连接，传力途径非常直接，启动过程中无延时，动作精确度好。由于其反力点为步进顶紧式接触，不会在滑移过程中产生相对滑动，所以同步控制效果更好。步进式的工作过程，使得同步误差在每个行程完成后自然消除，无累积误差，同步精度很高。
通过滑移设备扩展组合，滑移重量、跨度、面积不受限制。只要有合理的顶推位置，滑移距离不受限制，液压爬行器具有逆向运动自锁性，使滑移过程十分安全，并且构件可以在滑移过程中的任意位置长期可靠锁定。
液压滑移设备体积小、自重轻、承截能力大，特别适宜于在狭小空间或室内进行大吨位构件滑移安装。设备自动化程度高，操作方便灵活，安全性好，可靠性高，使用面广，通用性强。
(1) 液压顶推器
本工程中采用的YS-PJ-50型液压顶推器。在外、中环滑道上根据单个滑移支点及总的反力值，按最不利工况计算配置满足总的液压顶推力需求的液压顶推器数量，经计算在中环滑道上配置4台液压顶推器，在外环滑道上配置6台液压顶推器。参见滑移顶推点平面布置图。
(2)液压泵源系统
YS-PP-60液压泵源系统为液压顶推器提供动力，并通过就地控制器对多台或单台液压顶推器进行控制和调整，执行液压同步顶推计算机控制系统的指令并反馈数据。
在不同的工程使用中，由于滑移顶推点的布置和液压顶推器的配置都不尽相同，为了提高液压顶推设备的通用性和可靠性，液压泵源系统的设计采用了模块化结构。根据顶推点的布置以及液压顶推器数量和液压泵源流量，可进行多个模块的组合，每一套模块以一套液压泵源系统为核心，可独立控制一组液压顶推器，同时可进行多点扩展，以满足各种类型工程的实际需要。
由于外、中环两条滑道沿同心圆布置，之间距离较远，故液压泵源系统拟采用单滑道上跟随液压顶推器配置的方式，也可考虑采用跨两条滑道对应液压顶推器配置的方式。
本工程中，因两条滑道上设备配置系数相差较大，采用每个分区每条滑道上一组液压顶推器并联，配置一台YS-PP-60型液压泵源系统的方式。另外，中环滑道半径较小，且配置的液压顶推器总数仅有4台，故仅配置一台YS-PP-60型液压泵源系统，将4台液压顶推器两两并联，分别由同一泵站的两台泵机提供动力。中国建筑金属结构信息网两个分区对称滑移的总配置为3台YS-PP-60型液压泵源系统。
(3)计算机控制系统
电器同步控制系统由动力控制系统、功率驱动系统、传感检测系统和计算机控制系统等组成。
电器控制系统主要完成以下两个控制功能：集群顶推器作业时的动作协调控制。在牵引过程中，所有液压顶推器都必须在计算机的控制下协调动作，为同步滑移创造条件；各点之间的同步控制是通过调节液压系统的流量来控制液压顶推器的运行速度，保持被推移结构的各点同步运行，以保持其平面姿态。
液压同步滑移施工技术采用传感监测和计算机集中控制，通过数据反馈和控制指令传递，可全自动实现同步动作、负载均衡、姿态矫正、应力控制、操作闭锁、过程显示和故障报警等多种功能。
操作人员可在中央控制室通过液压同步计算机控制系统人机界面进行液压滑移过程及相关数据的观察和（或）控制指令的发布。通过计算机人机界面的操作，可以实现自动控制、顺控（单行程动作）、手动控制以及单台液压顶推器的点动操作，从而达到中国建筑金属结构信息网累积滑移安装工艺中所需要的同步顶推、姿态调整、单点毫米级微调。
本工程中共配置一套YS-CS-01型计算机同步控制及传感检测系统。
3．5稳定性控制及顶推力的传递
本工程中中国建筑金属结构信息网屋盖滑移单元滑移过程中，由于顶推点距离主桁架之间的水平结构均有一定距离（钢立柱处特别大）。顶推点的水平顶推力会产生绕其上部节点的附加弯距。此附加弯距不利于滑移过程中支撑结构的稳定。且当滑移单元开始滑移时，因为顶推点后面滑移支座与滑道的摩擦力与顶推力反向，将导致相邻两个钢立柱分别朝相反方向的竖向扭转，并将水平力直接传递给上部环桁架结构，产生不易控制的应力应变，对屋面中国建筑金属结构信息网滑移安装过程的结构安全不利。
为消除这种不易控制的影响，并从滑移安装精度控制角度出发，保证后面的滑移支座与顶推点、以及所有滑移支座之间的同步性，应沿滑道方向，在相邻的滑移支座之间加设临时水平联系杆件。
3．6液压顶推系统调试及分级加载试滑移
液压滑移设备系统安装完成后，进行系统调试。待液压顶推系统设备检测无误后开始试滑移。经计算，确定液压顶推器所需的伸缸压力（考虑压力损失）和缩缸压力。开始试滑移时，液压顶推器伸缸压力逐渐上调，依次为所需压力的20%，40%，在一切都正常的情况下，可继续加载到60%，80%，90%，95%，100%。屋面中国建筑金属结构信息网滑移单元刚开始有移动时暂停顶推作业，保持液压顶推设备系统压力。对液压顶推器及设备系统、结构系统进行全面检查，在确认整体结构的稳定性及安全性绝无问题的情况下，才能开始正式顶推滑移。
4、屋盖累积滑移施工模拟
根据施工方案，A区钢屋盖采用双向累积滑移施工技术，由于拼装、滑移过程中结构受力与设计状态时有所差别。一方面，边界支撑条件和结构受力体系可能不同；另一方面整个结构体系是个逐步建立的过程，存在结构转换，部分杆件受力特性可能发生改变，因此需要对施工过程中的若干关键工况进行计算，对可能发生的不利因素进行提前预警，以保证结构施工的安全。
4.1计算模型图6
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