摘要：本文对太原武宿机场航站楼扩建网架结构工程施工进行总结，指出深化设计、施工过程中的关键技术及注意事项，为大面积曲线网架结构整体液压顶升施工提供参考。
关键词：栅焊 球吊 验证 装配误差 翻转吊
概述
太原武宿机场作为2008年奥运会期间首都机场的备降机场，进行了改扩建，可起降目前世界最大客机A-380，新建5万平方米航站楼，改造现有航站楼，建设航站区配套设施，跑道及滑行道长度将由3200米延长至3600米。
新扩建航站楼、西候机楼、南北候机楼屋面均为曲面网架结构，分为7个区域，投影面积约32578平方米，总重量约2000吨。我公司负责新建航站楼及西候机楼网架1至4区施工，水平投影面积19166平方米，总重量约1200吨。网架杆件均为Q345B无缝钢管，主体结构为螺栓球节点网架，周边边缘桁架为管桁架，局部支撑点为焊接球网架。网架1区、网架4区部分钢管混凝土柱通过树状支撑与屋面连接，其余钢管混凝土柱直接与屋面连接。 每个区域格网为三角形，其中，格网1区域三角形顶点高程为34.693m，两底角高程为20.047m，高差为14.646m，如图1所示。
首层格栅区域面积约1万平方米，重约600吨，参与吊装工作的结构重约450吨。航站楼下部结构为两层框架混凝土结构，二层楼层标高7.300米。为尽量减轻二层楼层负担，减少格栅拼装脚手架搭设，格栅以“躺着”的姿态在二层平台上拼装。拼装完成后，将“躺着”的格栅整体“翻身”（液压异步翻转提升），调整到设计姿态后，再由液压同步整体吊装到位。翻转提升过程的控制是本工程的重点和难点，任何一个疏忽都将造成格栅变形、整体弯曲等危险。
技术难点及关键点
通过本项目建设，从深化/优化设计、现场组装、现场焊接到整体提升等各个建设阶段的技术难点如下：
2.1 深化/优化设计
本项目深化/优化设计的重点为：焊接球规格的统一设计、焊接球直径变小处杆件搭接、碰杆的处理方法；支撑杆件顶端焊接球节点形式的调整设计；通过支撑加劲板调整各柱顶标高误差及设计高差的方法；上弦焊接球节点处檩条支撑板的设计处理；杆件更换后须对桁架进行的整体分析与验证。
2.2 网格组装
整个网格拼装的难点在于消除累积误差和在空间中定位下弦球节点；
2.3 液压升降
网架吊装前的技术准备包括：网架吊点选择、吊装支架及下挂点设计、网架整体吊装验证、过应力杆件加固等，每个环节都有极高的技术要求；网架整体翻转吊装过程的控制是本工程技术难度最高的一项任务，各挂点吊装比不准确、吊装速度、位移控制不当，将造成网架杆件变形、整座网架弯曲等严重后果。
施工技术
3.1 深化/优化设计
本项目招标设计图中网架结构与下部钢管混凝土柱的连接方式基本只是示意图，没有详细的节点图，网架支撑形式也未具体确定，因为下部支撑结构设计在网架结构之前，也就是说网架结构设计和下部钢管柱设计基本是完全独立的两个部分。因此，我们和设计院经过三四个月的一系列推敲和反复讨论，才最终确定了支撑形式。
我们采用了上海交通大学结构工程研究所开发的设计软件《筒体结构计算机辅助设计系统STCAD2.0》，对整个网架进行了深入设计，筒桁节点设计及焊缝校核。在深入设计过程中遇到了很多问题，总结起来有以下几点：
3.1.1统一焊球规范及撞棒处理
原设计中焊接球种类较多，规格偏大（最大为φ800x30）。为了最大限度统一球径，消除因焊接球尺寸过大而导致屋面板或吊顶板凸出的问题，本工程所有焊接球直径统一调整为φ500、φ600。这样个别内力较大的杆件在焊接球面相交时，会因为球径变小而产生重叠（即钢管相互碰撞）。如果采用《钢结构连接节点设计手册》第二版的处理方法，连接处理方式为增加支撑板（图2）。这种处理方式显然很麻烦，受力情况也比较复杂。因此，我们参考相贯线原则，考虑管道直接相交。 先将较大直径钢管与焊球相交焊接，再用相交线切割机从大直径钢管与焊球的相交处切出较小直径钢管，一方面保证小直径钢管轴线通过焊球中心，另一方面经过软件验证焊缝满足应力要求。
3.1.2 支撑顶部节点改为焊接球节点
原设计支撑顶部与边桁下弦杆焊接连接（图3），因此边桁下弦杆的交叉处必须加强，并在钢管外侧加套管、内侧加加劲板，给加工制造带来很大困难。另外，由于部分支撑端部减径器大于边桁下弦杆直径，无法相交，而设计又不同意让边桁下弦杆穿入支撑减径器，因此我们在此考虑采用焊接球节点，这样不仅实现了相交连接，而且经过软件验证满足受力要求。
3.1.3 上弦焊接球檩条支撑板设计
原设计中，网架上弦焊接球直径过大，不便于安装屋面檩条，故采取图4所示措施，对球进行切割。
这种处理方法的缺点是加工起来非常麻烦，而且焊球整体损坏会对受力产生不利影响。我们最终采取了调整格栅檩条支撑板连接形式的方法，避免损坏主要承重构件，如图5所示：
3.1.4 杆件更换后网格整体分析与验证
由于部分规格钢管需临时调配代用以满足生产需要，且部分杆件实际规格与原设计有差异，因此代用杆件后需对结构进行补充。其他用于验证的计算条件，包括但不限于三维模型、荷载、边界条件、节点等计算，均取自原设计模型。由于格栅杆件壁厚略有增加，格栅用钢量最大增幅仅为3.9%，对结构刚度影响不大。在原设计条件下，格栅中除6根D60x4杆件超过设计应力调整为D76x4外，其余格栅杆件均满足设计要求。由此可得出以下结论：屋面格栅结构中杆件不能任意更换。“由大到小”的更换将引起刚度变化，从而影响杆件受力，因此也必须进行严格的分析验证。
3.2 网格组装
3.2.1消除累积装配误差：
我们在拼装格栅前已经考虑到了累积误差的存在，所以格栅都是从中间向四周拼装，整个拼装过程用全站仪对各个控制节点进行跟踪监控。但是格栅拼装完成后，整个格栅的尺寸还是会变长，格栅边长越长，误差越大。格栅框架配件尺寸在允许误差范围内，杆件安装无误，螺栓紧固到位，究竟是什么原因导致格栅整体尺寸增大的呢？ 我们最终的分析和结论是：如果格栅杆全部采用正公差制作（考虑+1mm），加上杆、套、螺栓球之间的微小间隙，以及加工误差（考虑+0.5mm），以格栅1为例，B7轴底边长180m，共计43根杆、44个螺栓球，累计误差=43*1+44*0.5*2=87mm，可见累计误差非常大。因此，生产时桁架杆的长度尽量取负值，螺栓球铣面切削量尽量取正值，这样才能彻底消除螺栓球桁架装配过程中累计的间隙和长度误差。见图6
3.2.2 网格下弦球节点定位
本工程网架拼装时的状态为绕B4轴旋转后“平躺”状态，而非设计状态。因此，网架在楼面上的拼装定位控制点不能以施工图中的坐标为依据，而必须在计算机中制作网架空间模型，模拟网架旋转后“平躺”的状态，记录下各下弦支撑点的坐标和标高。然后用全站仪精确定位网架各下弦点在楼面上的位置，并标出高程。在定位控制点处搭设标高可调的拼装架。
3.3 格栅整体液压提升技术
本工程采用“网架‘躺平’整体拼装、液压异步翻转顶升、液压整体同步顶升”施工方案，以面积最大的网架为例，网架顶升流程如图8所示：
3.3.1 网格提升计算
3.3.1.1 格栅吊点选择
吊点选取的原则是使各吊点受力均衡，结构稳定，尽量选择下弦节点作为主吊点，选择靠近主吊点的上弦球作为辅吊点。
3.3.1.2 格栅整体提升验证
采用上海交通大学的“管结构计算机辅助设计系统STCAD2.0”软件进行吊装验证。
验证模型，以网格1为例（图8），网格最高点大三角形及两底边边桁架采用吊车进行吊装：
由于采用原位提升方式，需要将网架与柱交接处的节点和杆件断开，破坏了网架结构的完整性，导致模拟提升验证过程中有50余根杆件应力过大。经设计院同意后，锁定原设计杆件截面规格，仅对应力过大的杆件增加截面，最后对设计状态荷载进行复核验证太原钢结构工程公司，验证结果没有问题才能确定最终施工图。
3.3.1.3 应力过大构件的处理
由于现场网架实际吊装模型与吊装前验证模型有所不同，主要是在网架B1轴线上方增加了两排网架及桁架杆件，在B7轴线下方两角处将所有螺栓球网架结构纳入吊装模型范围，如图9所示。对吊装模型重新进行了分析验证，结果出现部分超应力杆件(均受压超应力)，但网架已按初步吊装验证模型加工制作，无法改变网架截面尺寸，只能在现场采取措施进行加固。由于受压杆件均已超应力，因此在超应力杆件周围采用8#铁丝绑扎杉木棍或脚手管，杉木棍或脚手管之间的缝隙用木楔填充。 事实证明太原钢结构工程公司，此种加固方法是可行的，如图10所示。本工程中部分杆件也采用角钢加固，理论上也是可行的，但网架吊装后发现杆件仍然有弯曲现象，采用角钢加固方法不可取。
在升降平台上安装液压同步升降系统设备，安装液压升降专用钢绞线，通过钢绞线将液压升降器与升降下挂点结构连接起来（图11），安装专用地锚并对钢绞线进行预张拉。将下挂点设置在节点球上或边桁上弦的节点上，根据受力情况对设置挂点的节点球及杆件进行加固，保证下挂点的稳定、牢固及转动。使用配备液压升降器的专用起重吊索。将吊索上端通过地锚拉紧钢铰丝，下端连接两个卸扣（两个卸扣可保证挂点能任意转动，减少水平弯矩），钢丝绳与卸扣及挂点球缠绕成环，保证钢丝绳受力均匀。 下挂点钢丝绳的长度和角度需控制，并需保证网架吊装到位时钢绞线至少有2m的自由长度。主挂点和副挂点设置在网架的同一吊点，以利于大面积传递载荷。
钢丝绳端部用乘骑式绳夹夹紧，绳夹成排排列，拉紧，一般拉紧至钢丝绳压扁其直径的1/3~1/4处，受力后再拉紧。网格所用各种规格钢丝绳及绳夹数量、间距见下表：
在钢丝绳的固定连接端安装有相应规格的环，保护钢丝绳弯曲部位呈现一定的弧度，防止急剧的弯曲、扭曲、折断和断裂。
钢丝绳受力前，绳夹上涂红漆，观察绳夹滑脱情况。桁架吊装过程中钢丝绳受力时，绳夹滑脱总是让人有不安全感。因此，在大型结构吊装时，钢丝绳采用编织方式是比较安全可靠的。
3.3.3 吊装支架设计
在钢管混凝土柱顶端钢管外侧焊接钢支架，支架上安装格构式临时柱（提升支架）。钢支架和提升支架的设置以不影响支撑杆件安装为原则。提升支架的高度必须保证网架提升至设计状态时钢绞线的自由长度大于2m。提升支架采用钢格构支架，设计为3m标准节重复使用。支架顶端设置平台梁和提升梁，提升梁上设置安全操作平台，提升梁一端设置液压提升装置，另一端设置配重平衡杆（双角钢）。提升支架平面外侧设置稳定索风，如图所示。网架中心采用双挂点提升平台，部分钢柱上焊接单挂点提升平台。 根据吊点最大反力计算确定起吊支架和配重平衡杆。
3.3.4 完善系统配置
液压升降系统主要由液压升降器、泵源系统、传感器检测及计算机同步控制系统组成。
TJJ-600型液压提升器为穿芯结构，中间可穿过7根钢绞线，两端设有活动锚，利用楔型锚的反向运动自锁特性，夹紧钢绞线并向上提升，TJJ-600型液压提升器额定设计提升重量为64.4t。
液压同步提升承重系统主要由液压提升器、提升锚和专用钢绞线组成。
本项目根据钢格栅模拟顶升工况计算出的顶升反力数据，配置液压顶升系统设备。
每个吊点配置1台TJJ-600型液压举升机，共计20台（网格一），11台（网格二至四）。
每台TJJ-600液压提升机配用7根钢绞线，额定提升重量64.4t，钢绞线为柔性承重索具，为高强度、低松弛预应力钢绞线，抗拉强度为1860Mp，直径为15.24mm，破断拉力为26.3t。
钢格栅屋盖单个吊点最大反力为23.46吨（格栅二层，已考虑荷载分项系数1.1），即单台TJJ-600型液压升降机最大承载力为23.46吨，荷载不均匀系数为1.2，则单根钢绞线平均工作荷载为：23.46×1.2/1/7=4.02吨。单根钢绞线荷载系数为：26.3/4.02=6.54。
根据公司相关设计规范及以往的工程经验，液压举升机在运行过程中采用上述载荷系数是安全的。
3.3.5 改进控制策略
控制系统按照一定的控制策略和算法实现钢网架整体提升的姿态控制和载荷控制。提升过程中，从保证结构提升安全的角度考虑，应保证各吊点的载荷控制；保证提升结构的空中稳定性，使结构能够正确定位，各吊点保持一定的同步。
格栅翻转升降设定每次行程100mm，格栅整体同步升降设定每次行程250mm。
根据以上要求及项目特点，制定如下控制策略（电网第一区域吊点及液压提升系统设置示意图见图12）：
液压泵站为TJD-30变频液压泵源系统。泵站1控制1、6、7、8号4个吊点；泵站2控制2、3、4、5号4个吊点；泵站3控制9、10、11、18、19、20号6个吊点；泵站4控制12、13、14、15、16、17号6个吊点。
本次项目中，提升速度约为4至6米每小时。
3.3.6 改进过程控制和监控措施
3.3.6.1为保证吊装过程中整体结构的稳定性，对每个液压升降器的负载进行控制，通过计算机控制对吊装过程进行调控；
3.3.6.2 每个吊点设置一组位移同步传感器，计算机控制系统根据三组传感器的位移检测信号及其差异，形成“传感器—计算机—泵源比例阀—液压升降器—钢网架”的闭环系统，控制整个吊装过程的行程同步。
3.3.6.3 应通过压力设定来控制各吊点的提升力，使吊点以恒定的负载力向上提升，避免因超载造成临时构件及格栅的损坏。
3.3.6.4用测量仪器测量各挂点距地面的距离，计算各挂点相对高差，并与理论值进行比较。通过控制起重设备调整各挂点高度，使其接近理论值。
3.3.6.5网架结构在升降过程中，由于需要进行半空中姿态调整及支撑定位，需要进行高度微调，微调开始前，计算机同步控制系统由自动方式切换到手动方式，根据需要对整个钢网架升降系统的11～20台液压升降器进行微调（向上或向下），或对单台液压升降器进行微调。
3.3.6.6根据甲方提供的吊装条件结构吊点的允许承载力，在计算机同步控制系统中设定各液压升降器的最大吊装力，通过减压阀的控制，使吊点力始终控制在允许范围内，防止吊点载荷严重分布不均，造成结构件及吊装设施的损坏。
3.3.6.7通过液压回路中设置的自锁装置及机械自锁系统，当提升器停止工作或遇到断电时，提升器能自动长时间锁定钢绞线，保证提升构件的安全。
3.3.7 测量准备及提升位移监测表的编制
3.3.7.1 在挂点附近悬挂钢卷尺（见图13），在挂点正下方的地面用角钢做基准，用于监测网架的升降行程；
3.3.7.2用全站仪测量并记录各吊点球（杆）顶部标高，并准备在吊装过程中随时监测吊装支架的垂直度；
3.3.7.3记录基准顶端的标高、桁架挂点至基准顶端的钢卷尺读数，计算挂点中心至钢卷尺零刻度的长度（此长度为固定值）。
3.3.7.4吊点举升比：依据图14中各吊点总举升距离的配比确定，以B1轴举升5个100mm行程为基准，计算B3、B5轴各吊点的举升比，见表03：
3.3.7.5提升位移监测表：
3.3.8 格栅整体同步提升1m
3.3.8.1 格栅整体同步提升加载与组装架分离过程：
（1）提升支架上稳定索风绳初步预张紧，液压同步提升系统设备调试、预加载；
（2）先对钢绞线在各挂点处预拉至50%的力，再进行缆索风载，当缆索风载力状态达到80-85%时停止加载；（根据所需的不同预拉缆索风力，张拉相应的缆索风力，用缆索风力计观察张拉过程）
（3）随后将钢格栅吊起并加载，直至吊离地面，此过程中索风不再加载；
（4）利用液压同步顶升系统将钢网架结构整体顶升，使其与拼装框架完全脱离250mm（1个同步顶升行程），全面观测网架结构的变形及关键部位的受力情况；
（5）观察临时结构体系及钢管混凝土柱的工作情况；
（6）用计算机监控各吊点起升反力值的分布情况，并通过模拟计算与事先得到的数值进行比较分析。
（7）在确认整个吊装情况绝对安全后，再将格栅同步吊起4个行程，即750mm，即距离组装架1m（吊起1m是为了保证格栅在空中翻转过程中，B7轴最低点的旋转空间）停止。
3.3.8.2 格栅与组装架脱离时出现的问题：
虽然液压举升机完成的行程相同，但发现各吊点的举升位移量不同，我们仔细观察了吊装现场，经过认真分析，总结出以下几个原因：
（1）钢丝绳夹头滑移及各下悬挂点处钢丝绳的变形、伸长情况不同；
（2）各悬挂点的预紧程度也不同；
(3)由网架设计模型可知，各挂点处的网架刚度是不同的。
基于以上原因，我们得出结论：像网架这样的结构刚从框架上起吊时，单纯靠液压升降机的行程是不能判断网架位移的，需要有辅助的位移检测手段。悬挂钢卷尺观察网架位移或直接用测量仪器观察尤为重要：根据卷尺读数或测量仪器的观察结果，对各吊点的标高进行微调。
3.3.9升降翻转过程控制（图14）
3.3.9.1 当格栅升离框架1m时，升降系统锁紧；
3.3.9.2升降系统由同步升降方式切换为翻转异步升降方式，每次翻转升降行程为100mm；
3.3.9.3B7轴6个吊点（15-20）不升降，控制1-14个吊点升降，按一定比例控制各吊点升降行程，直至达到预定高度；
3.3.9.4各挂点网翻转及提升高度控制（图15）：
以B1轴为基准，B1轴以100mm的回转行程升降，B3、B5轴的升降点按表03中的升降比同时异步升降。如图16所示
3.3.9.5起重过程位移监视：
由于100mm的冲程传感器设备的误差有点大，因此，如果将中风提升为5，则误差可能超过100mm。
当B1轴完成100mm的翻转笔触时，现场举起监控人员将B3和B5轴的每个举重点的尺度读取到命令和控制中心，计算每个举升点的位移，然后将其与位移的位置相比，将其与某个升降点相比，将其与位移相同。如果偏差小于10mm，则可以将其翻转并提起5个笔划（500mm），然后可以校正高程（否则提升速度将非常慢），这将完成，直到达到设计的姿势高度为止。
3.3.10网格同步举起控制
3.3.10.1将网格提起到设计的姿势后，所有起重点均被锁定。
3.3.10.2测量人员应使用测量工具来测量每个悬挂点的高度，并将其与设计姿势模型的理论高度进行比较。
3.3.10.3起重系统从翻转异步起重模式转换为同步提升模式，同步提升的每次冲程为250 mm；
3.3.10.4 B1，B3，B5和B7轴的所有起重点在每4个提升冲程（1M）之后，应同步提起。
3.3.11网格卸载控件
整体被同步向设计的高程（支撑杆区域中的举起点上方提起约50mm，以促进支撑杆的安装），然后安装杆子和支撑杆的焊接，最后将卸载分阶段进行。
卸载实际上是载荷结构的过程。满足各种工作条件的要求。
将悬挂点的负载作为基准，将所有悬挂点同时降低和卸载10％，并等待10分钟，以确保对内部力的调整和重新分布，在此过程中，在此过程中，异常载荷转移可能会越来越多，即使是越来越多的载荷，也可以将其置于越来越快的范围内。 。 重复此过程，直到钢丝链完全放松为止，并将钢网格结构的死权负载完全转移到钢管混凝土柱顶部的支撑物上，然后从支撑物传输到钢管柱和基础。
3.3.12液压提升的主要设备清单
总结
基于上述技术点，总结了以下实施经验：
当节点很复杂时，请考虑使用具有清晰的力传递和简单结构的焊接球节点。
组装侧面长度较大的螺栓球网格后，长度可能会超过规范要求，并且在网格处理和制造阶段需要控制组件的大小；
网格以“躺下”的姿势组装，这减少了脚手架的勃起工作，并节省了其他专业结构的时间。 ER液压提升技术对于类似项目的构建具有很高的参考价值。
Chen Hui（上海Baoye Construction Co.，Ltd。工业安装分支机构）
参考
（1）“网格结构设计和施工代码”（JGJ7-91）
（2）钢结构设计代码（GB50017-2003）
（3）建筑钢结构焊接的技术代码（JGJ81-2002）；
（4）Li Xingrong等人编辑，“钢结构连接节点设计手册”，第二版；
（5）Ding Yunsun编辑，《网格和网格外壳》的设计和构建；
（6）Li Xingzhong等人，液压设备管理和维护手册；
（7）Lei Tianjue等人，编辑。
