本文所讲述的项目位于江苏南京, 待平移的膜结构顶棚建成于2007年, 由我司实施完成, 初始安装于2#池上, 现因2#池已填埋结束, 1#池即将启用, 为节省在1#池上重新建设顶棚的投资, 建设单位决定将膜结构顶棚从2#池平移至1#池。平移结构属于骨架式膜结构, 结构长52m, 宽50.8m, 高18.18m, 距离填埋池底约27m, 结构总重量为211.8吨, 钢材材质为Q235B。膜结构顶棚由2#池移到1#池, 水平移动距离达为48m。

本项目膜结构顶棚在2007年建设时, 由于场地限制, 立柱以上部位的结构在施工时采用了池外拼装、整体平移及整体顶升相结合的施工工艺, 立柱的安装是在上部顶升到设计位置之后进行的 (图1、2) 。

(1) 制订合理的平移方案。项目平移方案通常分为吊车抬吊平移及地面牵引平移两种。针对本项目的特点, 在两种平移方案比较之后, 本项目采用的是地面牵引平移方案。

(2) 结构平移前的加固。从结构建设时期的实施方案可以判断, 立柱以上部位的整体结构刚度可以满足整体水平移动的要求, 因此本平移实施方案主要是针对的立柱的整体稳定性。

(3) 平移导轨的铺设。平移导轨需提供足够的刚度, 以确保结构平移过程中导轨不发生变形。同时, 导轨铺设的精度要求非常高, 两条相对的导轨不仅需要保证绝对的平行, 而且导轨间的距离必须与结构平移临时支撑点的距离保持绝对一致, 这是平移成功的关键控制点。

(4) 结构同步平移。为了保证结构的同步平移, 必须采用同步液压千斤顶作为顶升和牵引设备。同时, 需在轨道上做好平移标尺, 用于控制结构平移速度。

(5) 应急措施的准备。由于膜结构顶棚相对于混凝土结构, 整体结构重量较轻。所以平移过程中, 风对结构影响最为明显。在平移施工过程中, 如果遭遇大风天气, 为保证结构安全, 须设置一定的应急措施。在本工程中, 我们设置了应急固定连杆及缆风绳, 在夜间停工或突发大风天气时安装, 以防风载引起结构破坏。

本项目的实施方案是在下面两个实施方案的优劣性对比完成之后做出的选择。

吊车抬吊平移方案的实施, 简单地描述, 就是选用履带吊, 先将主体结构整体提升, 然后同步载荷平移, 最后就位与新的安装位置。

根据现场作业条件、结构自重及履带吊带载行走额定重量的限制, 本项目拟使用四台250吨履带吊同步作业。吊车布置如图3、4所示。

按照三一重工250吨履带吊工作性能表 (图5) , 每台履带吊的额定载荷为85.6吨。

经计算, 吊车平面布置图中每个吊点的荷载为52.95吨, 小于履带吊的额定载荷85.6吨, 安全。

顶升平移方案的实施, 简单地描述, 就是在不拆除原主体结构, 结构整体刚度满足移动要求的前提下, 通过顶升工具, 使结构与原基础分离, 然后在平移结构加上可以移动的轮子并借助外力, 将结构移动到指定位置, 最后完成结构与其他结构的固定。结构加固方案牵引平移方式如图6、7所示。

两种方案的对比见表1。

综合考虑以上因素, 本项目选用顶升牵引方案实现结构的平移。同时, 本项目的平移实施基于以下原则实施:

(1) 保证结构的完整性, 结构构件及膜体不拆除;

(2) 不改变平移结构的结构受力体系。

结构加固需考虑柱脚水平推力的释放、风荷载的影响、立柱平面外加强三个方面。

(1) 柱脚水平推力的释放。根据原结构计算结果, 立柱与基础连接节点间存在水平推力 (图8) 。因此, 在结构顶升之前, 需增加钢拉索, 以抵消柱脚的向外推力 (图9) 。

(2) 风荷载的影响。由于膜结构顶棚较轻, 平移过程中, 风对结构影响是必须考虑的因素。根据《结构设计荷载规范》, 南京地区10年一遇的风荷载为0.25kN/m2, 相当于8级风。因此, 在本工程设计加固时按8级风进行了加固验算, 同时, 风荷载的作用方向需考虑平行于跨度和垂直于跨度方向两种工况。当实际风载超过8级时, 应当停止平移施工, 并做相应的临时固定。

(3) 立柱平面外加强。与原结构安装时的平移方案相比, 原平移方案中结构立柱尚未安装, 顶棚重心相对较低;立柱安装后, 由于整体重心变高, 单片桁架柱的平面外刚度相对较弱, 且面外无强支撑。故侧向刚度变弱是与原平移结构的最大差别, 这也是本次平移结构加固的重点方向 (图10) 。

根据上述加固方案, 在项目实施前, 我们采用MIDAS软件对整体结构进行了分析计算, 结构强度计算如图11所示, 位移的计算结果如图12所示。

计算结果为结构构件最大压应力152.649MPa, 最大拉应力154.536MPa, 材料强度等级为Q235B, 满足设计强度要求;结构最大竖向位移为6.385mm, 满足设计要求。

根据结构计算结果, 当结构全部加固完成, 自重工况下的每个柱脚的支座反力 (图13) , 最大水平推力为101.6kN, 最大竖向作用力为310.4kN。

因此, 为抵销柱脚水平力而增设的钢索在安装时需施加预应力, 预应力要求见表2:

根据3.1.2的支座计算结果和顶升平移过程中必须同步的要求, 我们在结构的8个支点位置设置50吨的同步液压千斤顶。

平移导轨的选择需满足以下两个条件: (1) 导轨的刚度须满足要求, 并确保使用过程中不变形; (2) 考虑到结构固定在填埋池的顶面, 与地面之前存在1m多的高差, 导轨架设的高度需满足现场实际需求。基于以上要求, 本项目采用在预制混凝土地梁表面固定20mm厚的钢板作为结构平移的导轨, 并在钢板两侧焊接了防止结构脱轨的挡板 (图14) 。

按照上述移动滚轮与导轨材料的选择, 结构平移时, 滚轮与轨道间的摩擦系数可取0.09, 根据牵引力、摩擦系数及压力三者间的相互关系, 结构整体平移所需的总的水平牵引力为194.04kN.

牵引力 (F) =摩擦系数×压力=0.09× (310+229) ×2×2=194.04kN

依据上述计算结果, 我们选用两个额定载荷为100kN的电动葫芦作为结构平移的牵引设备。

考虑结构移动实施的周期较短, 本项目按南京市10年一遇的风荷载 (相当于8级风) 考虑结构的抗风设计。由于项目实施期间, 结构的位置处于移动状态, 不利于结构抗风设计, 因此, 我们把结构的抗风设计考虑以下两种工况:

(1) 由于结构的加固已经考虑8级风荷载的作用, 且结构安全, 因此结构在平移的过程中不考虑风荷载作用。

(2) 在结构平移暂停期间或风速大于6级时, 采用抗风索对结构进行临时加固。抗风索的设置及临时锚固节点如图15所示。

(1) 荷载计算: (当8级风作用于主体结构时, 锚固点的支座最大反力Nx=-86kN, Ny=-67.1kN, Nz=-49.7kN (拉力) 。

(2) 化学螺栓计算:节点采用6-M20的化学螺栓固定, M20的化学螺栓剪力设计值VRd=54kN, 拉力设计值NRd=62.9kN。

化学螺栓的受拉内力计算:Nsd=49.76=8.28kN<[NRd]=62.9kN, 满足要求。

化学螺栓的抗剪内力计算:Vsd= (862+67.12) 0.5&#247;6=18.2kN<[VRd]=54kN, 满足要求。

化学螺栓拉剪复合计算:[ (Nsd/[NRd]) 2+ (Vsd/[VRd]) 2]0.5=0.36<1, 满足要求。

(3) 连接耳板计算: (连接耳板采用Q235B, 钢板的剪切强度设计值fv=120N/mm2, 挤压强度设计值fce=325N/mm2,

连接耳板承受最大拉力N= (862+67.12+49.72) 0.5=119.9kN

连接耳板的剪切面积:A= (45-32÷2) ×2×16=928mm2。

连接耳板的挤压面积:A=30×16=480mm2。

剪切计算τ= (V/A) =119.9×1000÷ (2×928) =64.6N/mm2<120N/mm2, 满足要求。

拉伸计算σ= (Q/A) =119.9×1000/480=249.8N/mm2<325N/mm2, 满足要求。

(4) 焊缝计算: (采用双面角焊缝, 焊缝高度为10mm, 焊缝长度为350mm, 角焊缝抗拉、抗剪强度设计值ftw=160N/mm2。

焊缝面积:A=2×0.7×10×350=4900mm2。

如图16所示。

(1) 结构平移前, 需及时了解天气预报并测量现场实际风速。当夜间停工或风速超出设计时, 须按抗风设计张拉抗风索, 做好结构的临时固定措施。

(2) 结构顶升操作之前, 须先完成增设钢索预应力的施加, 并通过钢索应力测试设备对施加的预应力进行测量, 确保施加的预应力刚好抵消结构支座的水平推力。

(3) 首次顶升50mm后静止10分钟, 全面检查结构有无变化。

(4) 结构顶升过程要同步, 顶升过程中通过油压千斤顶的压力表读取顶升作用力, 并按设计荷载进行控制, 如果实施过程中出现异常, 须立刻停止操作, 待找到问题并解决后才能继续实施。

(5) 结构平移过程中, 两侧牵引要同步, 并安排专人监控滚轮在导轨上的位置, 随时控制结构的平移状态, 防止结构平移过程中出现整体扭转。

本文结合工程实践, 详细阐述南京危险废弃物填埋池膜结构顶棚平移方案的设计、关键控制点及项目实施过程中的实施要点。本项目在建设单位、设计单位、监理单位及施工单位的共同努力下, 经过前期的精心准备及专家论证, 方案在现场的实施过程中得到了成功地验证, 也对以后的同类工程的实施具有很好的借鉴作用。