中国国家博物馆改扩建工程钢结构桁架整体提升施工技术

中国国家博物馆改扩建工程钢结构桁架整体提升施工技术
摘  要：中国国家博物馆改扩建工程大型钢结构桁架屋面安装工程中，A5区钢结构桁架位于中央大厅4个核心筒之间，周围无支撑柱，大厅楼面下部为地下室，无法采用满堂支架进行施工。经研究，采用钢结构桁架整体提升的施工技术，成功解决了A5区钢结构桁架安装问题，节约资金，保证施工安全，质量可靠，大大缩短工期、降低成本，取得了良好的社会经济效益。

l  工程概述
    中国国家博物馆改扩建工程地处北京市东城区天安门广场东侧，北临长安街，利用原有中国历史博物馆和中国革命博物馆的原址，并向东新增建设用地，改扩建成为新的中国国家博物馆。本工程为国家博物馆A4、A5、A6区钢桁架楼盖和屋盖安装。全馆共计分为6个区域，分别为Al、A2、A3、A4、A5和A6区。其中A5区楼盖标高34.5 m、屋盖标高42.5 m；A4、A6区的钢桁架屋盖标高为34.5 m。
    钢桁架结构形式为方钢管相贯焊桁架体系，主桁架材质为Q345-C，次梁为Q345-B，局部支座采用GS-20Mn5V铸钢。平面桁架的上、下弦及腹杆均采用焊接方钢管，上、下弦共计口300×300×14，口400 X400×18、口400×400×30等10多种截面，其中最大截面为口600×600×30方钢管；最大壁厚为50 mm，其截面为口400×400×50方钢管；腹杆则大量采用口200×200×10和口300×300×14方钢管。
    A5-I区面积2 682 m2，提升部位桁架东西跨度49 m，南北跨度为49 m，总质量890 t。利用4个核心筒上14个提升点，将钢结构桁架整体提升30 m，安装到位。
2钢结构桁架提升原理
2.1  液压提升原理
    “液压同步提升技术”采用液压提升器作为提升机具，柔性钢绞线作为承重索具。液压提升器为穿芯式结构，以钢绞线作为提升索具，具有安全、可靠、承重件自身重量轻、运输安装方便、中间不必镶接等独特优点。
    液压提升器两端的楔型锚具具有单向自锁作用。当锚具工作（紧）时，会自动锁紧钢绞线；锚具不工作（松）时，放开钢绞线，钢绞线可上下活动。
    液压提升过程如图1所示，一个流程为液压提升器的一个行程。当液压提升器周期重复动作时，被提升重物则一步步向前移动。
2.2  液压提升步骤
    第1步：上锚紧，夹紧钢绞线。第2步：提升器提升重物。第3步：下锚紧，夹紧钢绞线。第4步：主油缸微缩，上锚片脱开。第5步：主油缸缩回原位。第6步：上锚缸上升，上锚全松。
2.3液压提升设备
    本工程中液压提升承重设备主要采用穿芯式液压提升器，如图2所示。
3  整体提升的相关计算
3.1  桁架提升点设置模型
    1)桁架提升点设置模型（图3）。
    结构提升采用桁架端部核心柱位置设吊点，且都设置在核心柱的内侧牛腿上，结构总共设14个吊点。
    2)桁架提升过程受力分析（图4）。
    通过对桁架提升过程中的竖向位移分析可知，桁架节点竖向位移最大值为-34.4 mm，出现在桁架HJC-AJ的跨中，相对于桁架49 m跨度的竖向挠度为111 424<1_/500，变形满足施工要求（图4）。
3.2  桁架提升吊点工况计算分析
    核心筒桁架预埋牛腿处设置临时斜撑，斜撑采用4325 mm×16 mm的Q235钢管，根据各支点最大反力值，取最大支点反力桁架牛腿来考虑AC与A17轴处牛腿。采用Midas软件建模进行计算，桁架预埋牛腿、斜撑、核心柱内桁架梁以梁单元考虑，钢柱采用组合截面，矩形混凝土(C60) 600×600+十字H型钢370 mm×200 mm×35 mm×35 mm（Q345-B），并换算为钢材．墙体采用实体单元，C60混凝土。考虑单元从标高3. 195 m开始，到核心筒顶，与吊点位置的主桁架同一平面内的核心筒墙体为验算对象。下端固结，上端自由。荷载取最大吊点反力774 kN为标准值，因为采用连续千斤顶提升，速度比较慢，取动荷系数为1.2，吊点最大设计值为929 kN，见图5。
    图5  吊点受力分析N
    计算结果：桁架的最大应力变化为22.5 MPa，实体混凝土的应力变化为1.7 MPa;桁架牛腿处的临时支撑+325×16钢管的最大应力变化为35.8 MPa;提升桁架提升点处上下弦最大应力为17. 82 MPa，最小应力为-5.1 MPa;跨中上下弦最大应力为48. 04MPa，最小应力为-48.3 MPa;增加牛腿后，牛腿本身的受力较大，最大应力为35.8 MPa，牛腿桁架及实体混凝土的应力变化较小，牛腿桁架提升应力最大变化值为22.5 MPa，实体混凝土的应力变化为1.7 MPa。
跨中桁架应力最大值为48. 04 MPa，最小应力为 48. 3MPa(图6)。