超重超大面积钢网架屋盖液压同步整体提升技术

***369号飞机总装厂房钢网架屋盖整体提升技术科技成果报告一、任务来源及立项背景：1、公司二00七年承接了西安飞机工业（集团）有限公司369号飞机总装厂房工程，该工程建成后将成为我国在***公司的大型运输飞机生产总装车间，具有划时代的重要意义。2、369号飞机总装厂房工程位于***公司厂区内，工程总投资1.6亿元，单层工业厂房，总建筑面积26966㎡，厂房横向宽度77.8m，纵向长度260m其中总装大厅建筑面积20976㎡，总装大厅内靠北侧为附楼，建筑面积5990㎡。总装大厅屋盖结构跨度66m+118m+76m，屋盖为三层焊接球节点斜放四角锥网架，屋盖支撑体系为周边矩形钢筋混凝土立柱。厂房北侧共设19个立柱，柱截面尺寸1600mm×1000mm，1600mm×1600mm，柱距9m、18m；东西两侧各设5个立柱，截面尺寸1600mm×1000mm，柱距12m；南侧设6个立柱，其中中部2个立柱，截面尺寸3400mm×3200mm，柱距66m、118m、76m，立柱之间形成了3个大门。网架为下弦支承，网格尺寸4.24m×4.24m，高度6.5m，网架下弦标高+26.000m。南侧大门处上方屋盖为宽5.8m，高11.5m的钢桁架，桁架下支座标高+21.000m。屋盖网架总面积20976㎡，焊接球3199个，各类杆件12816根，总重量2100吨（见下图）。网架平面布置示意图网架剖面布置示意图3、如何将这么大面积和重量的钢网架快速、安全、保证质量地安装提升到位，是这个工程能否按期竣工的关键。4、目前钢网架屋盖结构可行的吊装提升方法有三种：（1）搭设满堂红脚手架，或采用部分滑移脚手架与满堂红脚手架组合，在高空进行网架和桁架拼装，此种方法工程成本高，搭拆脚手架工程量巨大，对工程质量控制、施工安全控制和施工进度控制都会带来不利影响；（2）地面散拼散装后分片提升，在地面分别拼装网架和桁架，进行多次分片提升，然后各片块之间的杆件在高空连接合拢，该施工方法需要大量使用支撑架，且工序复杂，工程成本高，在工程质量控制方面，由于高空对接单元增多，网架安装精度很难控制；（3）地面拼装后整体提升，在地面拼装网架过程中可插入水、电、消防等相关专业安装施工，大量工作都可以在地面完成，减少了脚手架用量，避免了高空作业，安全管理难度较低，网架安装精度也能很好控制，既节约成本，又能保证质量和安全。通过比较三种方法，369号厂房工程钢网架屋盖决定采用地面拼装后整体提升的施工方法，提升重量2100吨，提升高度26m。5、公司成立了以总工程师为组长的科研攻关小组，将“***369号厂房钢网架屋盖液压同步整体提升技术”列为科研课题进行研究，课题的研究成果一是为该工程网架提升提供既经济又能保证质量和安全的技术方案，二是为更大重量网架提升施工提供理论依据和实践经验。6、钢网架屋盖液压同步整体提升技术的优点：（1）提升结构的重量大；（2）提升结构的的尺寸、面积和体积大；（3）减少高空作业量，施工安全可靠，降低施工风险；（4）计算机控制，自动化程度高；（5）缩短施工周期，降低施工费用。二、技术原理：网架液压同步整体提升技术是利用厂房钢筋混凝土柱有一定的承载能力和抗弯刚度，在混凝土柱顶部侧面设置预埋件，焊接斜撑和水平梁，设置提升吊点，在每一个吊点处设置提升平台，采用穿芯式液压提升器作为提升机具，柔性钢绞线作为承重索具。根据钢网架模拟提升工况计算得出的提升反力数据，配备相应规格的液压提升器，结合各提升吊点的数量及布置，配置变频液压泵站和比例液压泵站，设定一个主令点和二个从令点，将主令点液压提升器的速度设定为标准值，作为同步控制策略中速度和位移的基准，在计算机的控制下从令点以位移量来动态跟踪比对主令点，保证各提升吊点在钢网架结构整体液压提升过程中始终保持同步。操作人员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提升过程及相关数据的观察（或）控制指令的发布。网架提升至设计位置后暂停，各吊点微调使网架精确提升到达设计位置，安装就位支座及其它杆件，杆件焊接完毕经质量检查验收合格且网架整体稳定后，液压提升系统设备卸载、拆除。1、杆件更换网架在不同的提升阶段，网架的各杆件应力大小不一，为保证提升过程中网架变形和各杆件应力均在允许范围内，对网架在各种最不利工况下进行内力计算分析，对各种最不利工况下进行了下提升吊点反力计算，通过反力计算分析，网架杆件少部分存在超应力情况，须更换48根杆件，对提升下吊点的杆件及焊接球进行加强和增设，使各节点、杆件强度均能满足在最不利工况条件下的节点、杆件轴压力及轴拉力。2、提升吊点和提升平台的设置（1）提升吊点设置根据网架结构形式及支座布置位置，共设置30个提升吊点来整体提升网架。在厂房北侧共有19个混凝土柱，设置12个提升吊点，分别位于eq\o\ac(○,2)、eq\o\ac(○,6)、eq\o\ac(○,8)、eq\o\ac(○,10)、eq\o\ac(○,12)、eq\o\ac(○,14)、eq\o\ac(○,15)、eq\o\ac(○,17)、eq\o\ac(○,19)、eq\o\ac(○,21)、eq\o\ac(○,23)、eq\o\ac(○,28)轴线上；东西两侧各有5个混凝土柱，各设置3个提升吊点，分别位于eq\o\ac(○,B)、eq\o\ac(○,D)、eq\o\ac(○,F)轴线上；南侧共有4个混凝土柱，柱截面尺寸3400mm×3200mm，柱间距66m、118m、76m，由于柱间跨度较大，在eq\o\ac(○,A)～eq\o\ac(○,B)轴下挂桁架安装前，网架刚度不够，经过设计计算，在柱间增加了4个临时框撑柱支柱，南侧共设置12个提升吊点，每根独立柱上对称设置4个，框撑柱在两边对称设置2个，提升吊点布置情况详见下图。（2）提升平台的设置本工程中因厂房立柱支撑位置不同提升平台分为三种形式。第一种提升平台设置在东、西、北面，适合吊点1～18，1个柱顶设置1个吊点，配置1台提升器；第二种提升平台设置在南面两独立柱处，适合吊点20～22、26～29，每个柱顶设置4个吊点，配置4台提升器；第三种提升平台采用我公司自行设计并已在工程中应用的框撑结构体系。第一种提升平台的1～5吊点、7～8吊点、11～12吊点及15～17吊点（共计12个，此处采用TJJ-600型液压提升器）设置如下图：其它提升平台与上述相似，不同之处在于提升平台的两Ｈ型钢间距由110mm变为180mm。每件提升平台由水平拉杆和斜撑组成，都由两相并的Ｈ型钢组成，两Ｈ型钢间距180mm，水平拉杆Ｈ型钢截面为200mm×200mm×16mm，斜撑为300mm×200mm×16mm。第二种提升平台示意图如下：第三种提升平台示意图如下：提升平台由四个框撑柱组成，框撑柱结构为专用承重平台，顶部用桁架连接牢固，利用H型钢作为平台提升网架。框撑柱提升平台在初始提升时，第一套下吊点安装在下弦杆件同一平面相应位置，在网架提升一定高度后，进行吊点置换（负载转移），即将网架的负载转移至安装在下弦杆件底部3米处的第二套吊点上。对于平台提升器的下吊点，采用临时球支座+提升地锚作为提升用下吊点，临时球支座中心开孔，直径为180毫米或110毫米（钢绞线外围直径）。（3）提升下吊点设置：提升下吊点先设置在网架下弦杆件平面上方1600mm处，提升至一定高度后再下降至下弦杆件平面下方约3米。而钢绞线需垂直受力，为避免钢绞线与网架内杆件相碰，下吊点需设置在网架外（网架周边杆件在提升结束后再安装），而且需增加设置临时焊接球对应杆件。3、液压提升和同步控制原理本工程提升结构尺寸260×77.8m，提升面积约为20976㎡，重量2100吨，共布置30个（转换后为26个）提升点，采用了液压同步提升施工技术。（1）液压提升原理伸缸拔下锚上锚紧同步缩缸下锚紧上升过程下落过程缩缸拔上锚上锚紧非同步伸缸至2L-Δ下锚紧同步缩缸至L+伸缸拔下锚上锚紧同步缩缸下锚紧上升过程下落过程缩缸拔上锚上锚紧非同步伸缸至2L-Δ下锚紧同步缩缸至L+Δ伸缸拔下锚液压提升过程示意图（2）液压同步提升系统和提升设备配置选用TJJ-2000型液压提升器；TJJ-600型液压提升器，TJD-30型变频液压泵系统;TJD-15型比例液压泵源系统；YT-2型计算机同步控制系统。液压同步提升承重系统主要由液压提升器、提升地锚和专用钢绞线组成。本工程中，根据钢网架模拟提升工况计算得出的提升反力数据，各吊点提升反力最大约为180吨（已取动载系数1.2），最小约17吨。据此配备TJJ-600及TJJ-2000型两种规格的液压提升器。TJJ-600型液压提升器额定提升载荷为60吨，对应布置于荷载值小于60吨的吊点处，为1～5吊点及7、8、10～12、14～19、30吊点处，共计17个。其余各吊点荷载值在60吨～200吨以内，故各吊点采取额定提升荷载为200吨的TJJ-2000液压提升器，共计13台。提升钢绞线作为柔性承重索具，采用高强度低松弛预应力钢绞线，抗拉强度为1860Mpa，直径为15.24毫米，破断拉力为26.3t。结合各提升吊点的数量及布置，需配置4台TJD-30型变频液压泵站和2台TJD－15型比例液压泵站，东西面各3个提升吊点的提升器各连接1台TJD－15型泵站，北面共12个吊点，分别连接2台TJD-30型泵站，南面共12个吊点，连接2台TJD-30型泵站。（3）同步控制原理及控制策略eq\o\ac(○,1)同步控制原理计算机同步控制原理框图详见下图。eq\o\ac(○,2)同步控制策略将南侧独立柱处的8台液压提升器并联，设定为主令点A，北侧的提升吊点并联，设定为从令点B，其余提升吊点并联并设定为从令C。将主令点A液压提升器的速度设定为标准值，作为同步控制策略中速度和位移的基准。在计算机的控制下从令点B、C以位移量来动态跟踪比对主令点A，保证各提升吊点在钢网架结构整体液压提升过程中始终保持同步。通过三点确定一个平面的几何原理，保证整体结构在整个提升过程中的平稳。（4）计算机控制系统液压同步提升施工技术采用行程及位移传感监测和计算机控制，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提升过程及相关数据的观察和（或）控制指令的发布。4、吊点置换，负载转移根据网架特点，吊点需进行置换，由第一次吊点（30个提升器），置换为第二次吊点（26个提升器），吊点置换过程也是负荷转移的过程，第一次为网架整体提升约5米高时，对东、西、北侧2～17号吊点（共计16个吊点）进行负载转移；第二次为南侧行桁架底部5米高桁架安装好后再次提升约3米高时，对南侧eq\o\ac(○,1)、eq\o\ac(○,18)、eq\o\ac(○,20)～eq\o\ac(○,23)、eq\o\ac(○,26)～eq\o\ac(○,29)号吊点（共计10个吊点）进行负载转移；eq\o\ac(○,19)、eq\o\ac(○,24)、eq\o\ac(○,25)、eq\o\ac(○,30)号吊点不需要进行吊点置换，吊点置换过程见下图。5、提升就位合龙网架提升至设计位置后，暂停，各吊点微调使网架精确提升到达设计位置，安装就位支座及其它杆件，先安装没有设置吊点的柱顶支座及支座相连的杆件及球。然后安装吊点位置柱顶支座及相连杆件，如果有杆件与平台梁或钢绞线相碰，可以先安装与此支座相连的其它杆件，最后拆除平台梁后，再安装相碰杆件。6、提升卸载（1）网架提升到位后，和柱顶支座连接的杆件焊接完毕，经质量检查验收合格且网架整体稳定后，液压提升系统设备卸载、拆除。（2）网架卸载顺序：第一步，同时卸载3，4，5，6，7，8，9，10，11，12，13，14，15，16点；第二步，同时卸载1，2，17，18点；第三步，其它各点顺利卸载后，最后卸载南侧两个3400mm×3200mm柱上的20，21，22，23，26，27，28，29点。7、网架提升过程中的监测（1）提升材料进场时，提升器要有出厂合格证，压力表和钢绞线要经过法定单位鉴定，合格后才能投入使用。（2）在网架提升的每个阶段，需要监测以下内容：EQ\o\ac(○,1)砼柱垂直度：未施工前，在混凝土柱顶及柱底标注一道垂直中心线，施工时，主要采用经纬仪和卷尺进行测量，测量混凝土柱垂直度偏差值L，当L<H/450时（H为砼柱高度），则混凝土柱承载力是满足要求的。EQ\o\ac(○,2)上下吊点水平偏移：采用全站仪测量，偏移角度≤1°，偏移水平距离≤30mm。EQ\o\ac(○,3)提升器受载情况：采用压力表读数；与设计反力值对照，差异不大，则满足要求，否则需要与设计、提升技术人员商议解决办法。EQ\o\ac(○,4)网架的整体稳定性：采用全站仪定点抽样测量网架节点挠度。差距过大时，需要向设计人员汇报共同解决。EQ\o\ac(○,5)提升支架预埋件：目测，随时观测埋件位置混凝土是否产生裂缝，埋件是否产生扭曲。三、性能与指标序号性能指标名称设计及规范要求实测最大值1砼柱上部承受提升升荷载后位移移值（垂直度度偏差）LL≤H/450(H为为砼柱高度）即即46mm28mm2屋盖支座中心偏移移最大值≤30mm20mm3柱顶相邻支座L高高差 ≤15mm11mm4起拱最大值偏差（+）+15%+9%5网架挠度最大下挠挠值89mm72mm6钢网架整体提升就就位偏差相邻吊点同步偏差差≤25mm14mm四、与国内外同类技术比较1、与省内同类技术相比较目前在陕西省内，类似的钢屋盖网架采用的是分片提升技术或高空散装散拼技术。如此大重量和面积的钢屋盖网架提升采用液压同步整体提升技术尚属首次，在省内我们的技术处于领先水平。2、与国内同类技术相比较目前国内采用液压同步整体提升技术提升网架，最大的工程是首都机场A380机库，该工程屋面钢网架采用了地面拼装、整体提升的施工方法。我们的技术与此比较，相同点是两个技术的基本原理是一样的，不同点是（1）A380机库网架提升平台是设置在钢格构支撑柱上，而我们提升平台设置在主体结构的混凝土柱子上；（2）大门处上方的钢桁架施工方法不同，首都机场A380机库屋盖的桁架是事先在地面上开挖基槽，在基槽内拼装桁架，拼好后随其它部分网架一次提升，网架提升完后用灰土回填基槽，而我们369厂房屋盖钢桁架部分是等网架部分提升到5m后停留在空中拼装桁架，拼装连接好后继续提升，网架提升过程分三次完成。因此我们的技术与国内同类技术比较属于先进水平。五、成果的创造性、先进性与国内同类技术比较，我们技术中屋盖钢桁架部分是等网架部分提升到5m高度后停留，拼装连接好桁架后继续提升，而国内其他技术是先在地面上开挖基槽，在基槽内拼装桁架，拼好后随其它部分网架一次提升，网架提升完后用灰土回填基槽。我们的技术省去了开挖和回填基槽的费用，有效地缩短了施工时间，减少了劳动力的投入，形成了自己独特技术优势。六、直接经济效益和社会效益1、直接经济效益eq\o\ac(○,1)本工程网架采用液压整体提升，面积20976平方米，网架重量2100吨，提升重量约1700吨，提升单价490元/吨，采用整体提升费用为：2100×490=102.9万元eq\o\ac(○,2)若采用空中散拼散装技术，则常规搭设满堂脚手架费用为：立杆按1.5×1.5m布置，横杆按1.6m布置，搭设高度为25米，需用钢管重量达：搭设面积按264×80m计算立杆：264×80÷（1.5×1.5）×25=234667米横杆：264÷1.5×80×2×（25÷1.6）=440000米上述两项合计：674667米剪刀撑按经验乘以1.2的系数，即：674667×1.2=809600米，合计3108吨钢管，扣件按经验160个/吨计算：497280个。租赁时间按6个月计算，租赁费用按