专利名称：一种巨型钢拱结构整体旋转起扳滑移施工方法
技术领域：
本发明涉及巨型钢拱结构的一种安装方法，属于施工技术领域。
背景技术：
随着社会的进步以及经济与科学技术的飞速发展，在大型公共建筑结构中采用更 加新颖的结构形式已经是大势所趋。目前在以大型体育场馆以及会展中心为代表的一大批 空间结构工程中，大跨度屋盖结构采用了一种新型的巨型钢拱斜拉屋盖结构形式，即巨型 钢拱把空间屋盖结构悬吊起来，可以避免在屋盖内部设置更多的支承柱，以满足建筑使用 对室内净空的要求。这一结构形式，不仅满足了室内净跨度大的要求，而且也能大大提高结 构的承载力效率。由于斜拉索对屋盖的提升作用，其屋盖结构的用钢量急剧下降。同时，其 巨型钢拱悬吊屋盖结构的优美造型也给人们带来了视觉冲击，提高了建筑物的欣赏感。
目前大跨度空间屋盖结构普遍采用胎架支承的施工方法，其适用于室内施工交叉 作业不多的屋盖结构。对于巨型钢拱悬吊屋盖的结构形式，其由巨型钢拱与封闭屋盖结构 组成，如果仍然按照胎架支承的传统施工方法，二者在施工过程中存在交叉作业问题，相互 影响会带来不安全隐患以及工期的拖延。如果先安装屋盖结构，再安装巨型钢拱，则安装巨 型钢拱的支承胎架则要穿过先前安装完成后的屋盖体系，将破坏屋盖的整体受力性能。同 时，塔吊只能行走在屋盖体系的周边空地，远离巨拱安装区域，势必要选择长臂及大吨位吊 车，导致施工成本增加，因此该施工方法不可取。如果先安装巨型钢拱后安装屋盖结构，则 屋盖结构安装需要很长的等待周期，同时安装完成后的巨形钢拱对屋盖施工仍有一定的影 响。 另外，即使采用多胎架支承的施工方法安装巨型钢拱，在其跨度与高度特别大的 情况下，位于高胎架支承之上的巨型钢拱存在不稳定隐患。要提高"巨型钢拱-胎架支承" 这一临时支承体系的稳定性，势必要增加施工支承胎架的用材或施加缆风系统，也造成施 工作业面扩大或使施工成本增加。特别对于如此高位的空中拼接安装，必须采用大吨位长 伸臂吊车才能完成巨型钢拱的分段吊装作业，也会导致成本剧增。同时，大吨位长伸臂吊车
的行走路线与屋盖结构的安装相互影响，导致这一安装方案难以实现。 工程上还采用一种整体提升及滑移的方法安装巨型钢拱结构。这种方法将巨型钢 拱结构在跨中拆成两半，利用"井形"提升胎架在拆开点分别提升两个半拱结构，同时在原 拱脚处施加牵引力使其向里滑移。巨型钢拱提升以及滑移到位后，补上拆开位置的杆件并 按照设计要求固定拱脚。上述安装方法需要在巨型钢拱安装完成后再安装屋盖结构，其对 场地的要求与施工顺序限制较为苛刻。 近年来还发展出一种"折叠展开式"整体同步提升法，这种方法的基本思想是将
巨型结构去掉部分杆件变成一个可运动的机构，并在地面折叠起来以最大限度地降低安装
高度，然后将折叠结构提升到设计高度，最后补缺未安装的构件使其变成稳定的结构。这种
安装方法同样需要在巨型钢拱安装完成后再安装屋盖结构，对工期的影响较严重。 使用上述施工方法带来的另外一个不容忽视的问题是，施工方法可能对结构成型内力产生比较大的影响。数值计算结果表明，使用胎架支承等方法分段安装的钢拱结构，自 重作用下，成型后的跨中分布的弯矩明显大于一次成型的钢拱结构跨中弯矩。产生这种现 象的主要原因在于，钢拱在安装过程中须经历一个由各部分单独受力到整体受力的过渡过 程；在各段钢拱单独受力时，会产生一定的初始变形，在内力上表现为一定的初始内力，该 部分变形与内力一直存在于钢拱中，会改变结构最终受力状态。对于自重在所承受的总荷 载中占较大比例的巨型钢拱结构，使用上述方法对结构最终内力状态的影响程度较大，可 能使结构处于极其不利的受力状态。以安装一个跨度为52m，矢高为20m的圆弧钢拱为例， 该钢拱由402mmX12mm的钢管制成，分别采用在跨中布置一处支承胎架分段安装的方案与 整体安装的方案进行安装。这个例子显示，与使用整体安装方案完成的钢拱相比，使用分段 安装方案安装完成的钢拱，在自重作用下，其跨中正弯矩增大约23% ，且安装成型位形的最 大差值达26%。 针对巨型钢拱结构施工的难题，本发明提出了一种新的施工安装方法，即巨型钢 拱的整体旋转起扳滑移施工法。该方法的基本思路是将巨型钢拱平行移动距设计位置一 定距离后让其躺倒(其移动距离以起扳时不磕碰屋盖结构为原则)，在地面拼装后绕两个 拱脚连线旋转翻身，旋转起扳到稍微向后倾斜的状态，这时依靠拱脚向前的推力缓慢分级 滑移到拱脚的设计位置，在每一个分级目标状态处，暂停钢拱的滑移，调整一次钢拱高度， 直至最后一次调整后钢拱满足设计位形要求，最后固定拱脚。旋转起扳方案采用A字形支 承架，斜拉起吊索和背索与A形支承架连接并形成一个自适应平衡体系。在A字形架顶部， 安装穿心式液压千斤顶并通过千斤顶张拉斜拉起吊索，实现巨型钢拱的旋转起扳，直至达 到设定位置。控制拱脚滑移助推器，并依靠拱脚本身向前的推力滑移，使巨型钢拱的两个拱 脚同步缓慢平行移动，直到达到拱脚的设计位置。 采用这种旋转起扳滑移安装方法，在旋转起扳钢拱之前，钢拱在地面便拼装形成 了一个整体，除了安装误差外，钢拱并不产生在高空拼装时由于自身自重导致的初始变形， 所以成型位形与设计要求的相同；钢拱在地面拼装能够确保巨型钢拱处于零应力态，不会 在施工过程中形成初始内力或装配内力，安装完成的钢拱也不会因为具有初始内力而存在 安全隐患；在使用该方法安装巨型钢拱的同时，可以并行屋盖结构的安装，从而可以大大縮 短整体结构的施工工期；起扳与滑移过程结合计算机同步控制技术，自动化程度高，避免人 为操作失误带来的不确定性；本发明应用于巨拱安装时能一次成型，是替代传统施工方法 的一种更为优越的施工方法。
发明内容
本发明旨在克服传统施工方法的缺点，提供一种适用于巨型钢拱施工的新方法。
所述整体旋转起扳滑移法，其特征在于，是在一个由巨型钢拱与一系列施工辅助 设备组成的施工环境中，按照下述步骤实现的 步骤(1):组建整体旋转起扳滑移法所需的施工环境所述施工环境由巨型钢拱 与一组施工设备组成，包括A字形支承架、起吊索、背索、滑移轨道、穿心式张拉千斤顶、滑 移助推千斤顶，均为通用设备；巨型钢拱处于施工目标位置时两拱脚连线记为轴线(AB); 步骤(1)具体按步骤(1. 1) (1. 4)进行 步骤(1. 1):拼装巨型钢拱在与轴线(AB)平行相距距离处拼装巨型钢拱，距离k使得巨型钢拱在起扳过程中不与屋盖结构发生磕碰；巨型钢拱在地面上拼装；拱脚与 基础处理为铰接；处于拼装完成状态状态的巨型钢拱的两拱脚连线记为轴线(CD);
步骤(1.2):架设A字形支承架，安装起吊索、背索、穿心式张拉千斤顶，按步骤 (1. 2. 1) (1. 2. 3)进行 步骤(1. 2. 1):在与轴线(AB)平行相距L2距离处架设A字形支承架，A字形支承 架与巨型钢拱分别位于轴线(AB)的两侧，距离1^大于轴线(AB)到屋盖结构边缘的最大水 平距离，即A字形支承架架设在屋盖结构的外侧；A字形支承架由两个格构柱组成，两个格 构柱在顶部连接，柱脚均与基础处理为铰接，两柱脚的连线记为EF ;两格构柱的轴线形成 夹角13,20°《13《40° ;两格构柱的轴线形成一个平面，调整该平面与竖直面形成夹角 Y ，向轴线(AB) —侧倾斜，Y控制在5°左右； 步骤(1.2.2):在A字形支承架远离轴线(AB)的一侧布设背索，背索一端与A字 形支承架顶部连接，另一端在工程场地地面上锚固； 步骤(1. 2. 3):在A字形支承架顶部布置穿心式张拉千斤顶；起吊索一端与巨型钢 拱相连，另一端穿过穿心式张拉千斤顶； 步骤(1. 3):布设滑移轨道滑移轨道连接处于拼装完成状态的拱脚与处于施工 目标状态的拱脚； 步骤(1. 4):布设滑移助推千斤顶在处于拼装完成状态的巨型钢拱的两个拱脚 处布置滑移助推千斤顶； 步骤(2):起吊巨型钢拱以起吊过程中两拱脚连线的中点O与巨型钢拱轴线的中 点M二者的连线OM与水平面的夹角a为控制参数；
起吊初始状态，a = 0° ; 起吊终止状态，a = a p a工控制在85°左右，a工同时也是步骤(3)中各次调整 巨型钢拱高度的终止控制值； 控制穿心式张拉千斤顶对起吊索进行张拉，使a从0°变为a工；起吊过程中一直 开启滑移助推千斤顶约束拱脚，防止其发生滑动；
步骤(3):滑移巨型钢拱，调整巨型钢拱高度
采用分级滑移； 滑移过程中，以滑移过程中处于滑移状态的拱脚C' D'到轴线CD的距离L为控制 参数； 滑移初始状态，L = 0 ; 滑移终止状态，L = 1^ ; 滑移分级的级数n， 1《n《10 ; 第i级滑移时，L = A" Ai = kXi/n ; 调整巨形钢拱高度的过程中，以处于滑移状态的两拱脚连线C' D'的中点0'与巨 型钢拱轴线的中点M 二者的连线0' M与水平面的夹角a '为控制参数；
每一次调整巨型钢拱高度的终止状态，a ' = a工；
巨型钢拱在施工目标状态，a ' = a 2， a 2为已知值；
具体按步骤(3. 1) (3. 4)进行 步骤(3. 1):进行第1级滑移控制两个拱脚处的滑移助推千斤顶施加同步推力，助推两个拱脚沿着滑移轨道同步滑移；当L = A工时，暂停滑移；此时a ' < a工； 步骤(3. 2):进行第1次巨型钢拱高度调整控制穿心式张拉千斤顶对起吊索进行
张拉，使a '达到; 步骤(3. 3):进行第2 n级滑移，并穿插进行第2 (n_l)次巨型钢拱高度调整 重复步骤(3. 1)，进行第2级滑移，使得L = A 2后暂停滑移，再重复步骤(3. 2)，进行第2次 巨型钢拱高度调整，使a'再次达到a。之后不断重复，直至完成第n级滑移后L二Lp停 止滑移； 步骤(3. 4):进行第n次巨型钢拱高度调整控制穿心式张拉千斤顶对起吊索进行
张拉，使a '达到S，即达到巨型钢拱的施工目标位形； 步骤(4):按照设计要求补全拱脚处缺失杆件，固定拱脚。
与传统方法相比，这种施工方法的优点是 (1)巨型钢拱结构远离屋盖场地卧位拼装，不影响屋盖结构的安装作业，二者施工 可以平行进行，可大大縮短施工工期； (2)由于巨型钢拱结构采用卧位拼装，能保证巨型钢拱结构的拼装与焊接质量； 同时卧位拼装能够确保巨型钢拱在施工过程中不形成初始内力或装配内力，从而不会给结 构种下安全隐患； (3)起扳与滑移过程中，起吊索、A字形支承架、背索以及巨型钢拱组成的结构体
系的受力始终处于自适应平衡状态，受力大小非常明晰，安全性有很大的保证； (4)起扳与滑移过程借助计算机同步控制技术，自动化程度高，避免人为操作失误
带来的不确定性； 本发明应用于巨型钢拱安装时能一次成型，是替代传统施工方法的一种更为优越 的施工方法。
图1为巨型钢拱斜拉屋盖结构示意图，a_巨型钢拱，b_钢屋盖结构，c-支承柱， d-斜拉吊索。 图2为旋转起扳滑移法施工过程示意图1 (步骤(2)起吊状态)，1-巨型钢拱，2-巨 型钢拱拱脚，3-A字形支承架，4-起吊索，5-背索，6-滑移轨道，7-穿心式张拉千斤顶，8-滑 移助推千斤顶，9-屋盖结构。 图3为旋转起扳滑移法施工过程示意图2 (步骤(3)滑移状态)，1-巨型钢拱，2-巨 型钢拱拱脚，3-A字形支承架，4-起吊索，5-背索，6-滑移轨道，8-滑移助推千斤顶，9-屋盖结构。 图4为旋转起扳滑移法施工过程流程图；
具体实施例方式
—种适用于巨型钢拱结构施工的整体旋转起扳滑移法，是在一个由巨型钢拱与一 系列施工辅助设备组成的施工环境中按照特定的步骤实现的。巨型钢拱一般出现在如图1 所示的巨型钢拱斜拉屋盖结构中，这种结构形式利用斜拉吊索对屋盖结构的提升作用，相 当给屋盖设置了若干组弹性支撑，使屋盖结构的用钢量急剧下降。该结构形式最主要的特
7点在于作为主要受力构件的钢拱体型巨大，对巨型钢拱的安装作业是难点。 如图2 3所示，所述施工辅助设备包括A字形支承架3、起吊索4、背索5、滑移
轨道6、穿心式张拉千斤顶7、滑移助推千斤顶8，均为通用设备；在图2和图3中还示出屋
盖结构9。 下面结合附图2 4，具体说明本发明的实施方式 步骤(1):组建整体旋转起扳滑移法所需的施工环境；如图2所示，巨型钢拱处于
施工目标位置时两拱脚连线记为轴线(AB);具体按步骤(1. 1) (1.4)进行；
步骤(1. 1):拼装巨型钢拱1 :在与轴线(AB)平行相距距离处拼装巨型钢拱，距 离使得巨型钢拱在起扳过程中不与屋盖结构发生磕碰；巨型钢拱在地面上拼装；拱脚2 与基础处理为铰接；处于拼装状态完成状态的巨型钢拱的两拱脚连线记为轴线(CD);
步骤(1.2):架设A字形支承架3，安装起吊索4、背索5、穿心式张拉千斤顶7，按 步骤(1. 2. 1) (1. 2. 3)进行 步骤(1. 2. 1):在与轴线(AB)平行相距L2距离处架设A字形支承架3， A字形支 承架3与巨型钢拱1分别位于轴线(AB)的两侧，距离L2大于轴线(AB)到屋盖结构9边缘 的最大水平距离，即A字形支承架3架设在屋盖结构9的外侧；A字形支承架3由两个格构 柱组成，两个格构柱在顶部连接，柱脚均与基础处理为铰接，两柱脚的连线记为EF ;两格构 柱的轴线形成夹角P，20°《13《40° ;两格构柱的轴线形成一个平面，调整该平面与竖 直面形成夹角Y ，向轴线(AB) —侧倾斜，Y控制在5°左右； 步骤(1.2.2):在A字形支承架3远离轴线(AB)的一侧布设背索5，背索5—端与 A字形支承架3顶部连接，另一端在工程场地地面上锚固； 步骤(1. 2. 3):在A字形支承架3顶部布置穿心式张拉千斤顶7 ;起吊索5 —端与 巨型钢拱1相连，另一端穿过穿心式张拉千斤顶7 ; 步骤(1. 3):布设滑移轨道6 :滑移轨道6连接处于拼装完成状态的拱脚与处于施 工目标状态的拱脚； 步骤(1. 4):布置滑移助推千斤顶在拼装完成的巨型钢拱的两个拱脚处布置滑 移助推千斤顶8 ; 步骤(2):起吊巨型钢拱以起吊过程中两拱脚连线的中点O与巨型钢拱轴线的中 点M二者的连线OM与水平面的夹角a为控制参数；
起吊初始状态，a二0。； 起吊终止状态，a = a p a工控制在85°左右，a工同时也是步骤(3)中各次调整 巨型钢拱高度的终止控制值；； 控制穿心式张拉千斤顶7对起吊索4进行张拉，使a从0°变为a工；起吊过程中 一直开启滑移助推千斤顶8约束拱脚，防止其发生滑动；
步骤(3):滑移巨型钢拱，调整巨型钢拱高度
采用分级滑移； 滑移过程中，以滑移过程中处于滑移状态的拱脚2连线C' D'到轴线CD的距离L 为控制参数； 滑移初始状态，L = 0 ;
滑移终止状态，L = 1^ ;
滑移分级的级数n， 1《n《10 ;
第i级滑移时，L = A" Ai = l^Xi/n ; 调整巨形钢拱高度的过程中，以处于滑移状态的两拱脚连线C' D'的中点0'与巨 型钢拱轴线的中点M 二者的连线0' M与水平面的夹角a '为控制参数；
每一次调整巨型钢拱高度的终止状态，a ' = a工；
巨型钢拱在施工目标状态，a ' = a 2， a 2为已知值；
具体按步骤(3. 1) (3. 4)进行: 步骤(3. 1):进行第1级滑移控制两个拱脚处的滑移助推千斤顶8施加同步推 力，助推两个拱脚沿着滑移轨道6同步滑移；当L二 A工时，暂停滑移；此时a' < a1;
步骤(3. 2):进行第1次巨型钢拱高度调整控制穿心式张拉千斤顶7对起吊索4 进行张拉，使a '达到; 步骤(3. 3):进行第2 n级滑移，并穿插进行第2 (n_l)次巨型钢拱高度调整 重复步骤(3. 1)，进行第2级滑移，使得L = A 2后暂停滑移，再重复步骤(3. 2)，进行第2次 巨型钢拱高度调整，使a'再次达到a。之后不断重复，直至完成第n级滑移后L二Lp停 止滑移； 步骤(3. 4):进行第n次巨型钢拱高度调整控制穿心式张拉千斤顶7对起吊索4 进行张拉，使a '达到c^，即达到巨型钢拱的施工目标位形；
步骤(4):按照设计要求补全拱脚处缺失杆件，固定拱脚2。
权利要求
一种巨型钢拱结构整体旋转起扳滑移施工方法，其特征在于，该方法是在一个由巨型钢拱与一系列施工辅助设备组成的施工环境中按照以下的步骤实现的步骤(1)组建整体旋转起扳滑移法所需的施工环境，具体按步骤(1.1)～(1.4)进行步骤(1.1)拼装巨型钢拱巨型钢拱处于施工目标位置时两拱脚连线为轴线(AB)；在与轴线(AB)平行相距L1距离处拼装巨型钢拱，距离L1使得巨型钢拱在起扳过程中不与屋盖结构发生磕碰；巨型钢拱在地面上拼装；拱脚与基础处理为铰接；处于拼装完成状态的巨型钢拱的两拱脚连线为轴线(CD)；步骤(1.2)架设A字形支承架，安装起吊索、背索、穿心式张拉千斤顶，按步骤(1.2.1)～(1.2.3)进行步骤(1.2.1)在与轴线(AB)平行相距L2距离处架设A字形支承架，A字形支承架的两根格构柱的轴线形成夹角β，β的范围为20°～40°；A字形支承架与巨型钢拱分别位于轴线(AB)的两侧，距离L2大于轴线(AB)到屋盖结构边缘的最大水平距离，即A字形支承架架设在屋盖结构的外侧，其与竖直面形成夹角γ，向轴线(AB)一侧倾斜，γ控制在5°左右；步骤(1.2.2)在A字形支承架远离轴线(AB)的一侧布设背索，背索一端与A字形支承架顶部连接，另一端在工程场地地面上锚固；步骤(1.2.3)在A字形支承架顶部布置穿心式张拉千斤顶；起吊索一端与巨型钢拱相连，另一端穿过穿心式张拉千斤顶；步骤(1.3)布设滑移轨道滑移轨道连接处于拼装完成状态的拱脚与处于施工目标状态的拱脚；步骤(1.4)布设滑移助推千斤顶在处于拼装完成状态的巨型钢拱的两个拱脚处布置滑移助推千斤顶；步骤(2)起吊巨型钢拱以起吊过程中两拱脚连线(CD)的中点O与巨型钢拱轴线的中点M二者的连线OM与水平面的夹角α为控制参数；起吊初始状态，α＝0°；起吊终止状态，α＝α1，α1控制在85°左右，α1同时也是步骤(3)中各次调整巨型钢拱高度的终止控制值；控制穿心式张拉千斤顶对起吊索进行张拉，使α从0°变为α1；起吊过程中一直开启滑移助推千斤顶约束拱脚，防止其发生滑动；步骤(3)滑移巨型钢拱，调整巨型钢拱高度采用分级滑移；滑移过程中，以滑移过程中处于滑移状态的拱脚连线C’D’到轴线CD的距离L为控制参数；滑移初始状态，L＝0；滑移终止状态，L＝L1；滑移分级的级数n，1≤n≤10；第i级滑移时，L＝Δi，Δi＝L1×i/n；调整巨形钢拱高度的过程中，以处于滑移状态的两拱脚连线C’D’的中点O’与巨型钢拱轴线的中点M二者的连线O’M与水平面的夹角α’为控制参数；每一次调整巨型钢拱高度的终止状态，α’＝α1；巨型钢拱在施工目标状态，α’＝α2，α2为已知值；具体按步骤(3.1)～(3.4)进行步骤(3.1)进行第1级滑移控制两个拱脚处的滑移助推千斤顶施加同步推力，助推两个拱脚沿着滑移轨道同步滑移；当L＝Δ1时，暂停滑移；步骤(3.2)进行第1次巨型钢拱高度调整此时α’＜α1，控制穿心式张拉千斤顶对起吊索进行张拉，使α’达到α1；步骤(3.3)进行第2～n级滑移，并穿插进行第2～(n-1)次巨型钢拱高度调整重复步骤(3.1)，进行第2级滑移，使得L＝Δ2后暂停滑移，再重复步骤(3.2)，进行第2次巨型钢拱高度调整，使α’再次达到α1；之后不断重复，直至完成第n级滑移后L＝L1，停止滑移；步骤(3.4)进行第n次巨型钢拱高度调整控制穿心式张拉千斤顶对起吊索进行张拉，使α’达到α2，即达到巨型钢拱的施工目标位形；步骤(4)按照设计要求补全拱脚处缺失杆件，固定拱脚。
全文摘要
一种巨型钢拱结构整体旋转起扳滑移施工方法，属于施工技术领域。它是在一个由巨型钢拱与一系列施工辅助设备组成的施工环境中按照一定步骤实现的。将巨型钢拱平行移动距设计位置一定距离后在地面拼装，之后绕两个拱脚连线旋转起扳；巨型钢拱的旋转起扳借助位于A字形支承架顶部的穿心式千斤顶张拉起吊索实现；旋转起扳巨型钢拱至与竖直面略微倾斜的状态后，控制滑移助推千斤顶对拱脚施加推力，并借助自重作用下拱脚向前的推力，使巨型钢拱沿着滑移轨道缓慢分级滑移；在每一个分级目标状态处，暂停钢拱的滑移，进行一次巨型钢拱高度的调整；当拱脚滑移至设计位置后，最后一次调整巨型钢拱的高度使其达到设计位形，最终按照设计要求固定拱脚。
文档编号E04G21/14GK101725179SQ20091023713
公开日2010年6月9日 申请日期2009年11月6日 优先权日2009年11月6日
发明者王小安, 郭彦林 申请人:清华大学