钢结构施工在A330宽体飞机天津总装线工程中的应用

刘凤成

摘 要：2016年，我公司承建了A330宽体飞机天津总装线工程，对其大跨度钢结构工业厂房的结构设计进行了较大创新，要求施工单位具有结构内力、变形分析的能力。传统粗放型的见图施工的方式已经在本工程中无法实行，我们通过科学严谨的计算分析，精确控制钢结构施工每一步中的应力与变形，高质量完成了钢结构工程的施工，满足了设计方对于内力调整的施工要求。下面以A330工程中的100号完成中心为例进行说明。

关键词：钢结构施工；技术创新；宽体飞机；桁架组对

中图分类号：F416.5 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.23.100

1 工程概况

完成中心位于A330厂区内，由客舱装饰机库、工作组机库形成三连跨钢排架结构，跨度222 m，进深84 m。

工作组机库跨度78 m，客舱装饰机库1&2跨度均为72 m，结构最高处标高+28.000，屋架下弦标高+21.000 m。屋架下弦为直线，上弦为弧线形，下弦标高+21.000 m，上弦标高+23.000～+28.000 m，端部矢高2 m，跨中矢高7 m，与钢柱连接为刚性连接。

2 大跨度屋架刚度较弱时的施工方案

本工程設计方通过优化及创新设计方案，结构的自重大大降低，例如72 m跨度的钢屋架仅重约31 t，单榀屋架的刚度很弱。对于施工方来说，传统的单榀吊装将会遇到屋架是否会失稳的问题，这一问题必须通过严格的内力计算和吊点设计才能解决。

2.1 方案制订流程

方案制订流程为：①采用MIDAS/GEN分析软件或其他结构分析软件进行吊点设计。通过吊点的位置设计，使得屋架上弦受压尽量较小（理想情况为原设计承载力的1/10），同时下弦两端受压，而中部大部分杆件受拉。②获得钢屋架吊装内力轴力数值。③进行桁架上下弦杆的稳定计算。计算时，截面取最小截面，上弦计算考虑为多跨等长（本工程为三跨），采用实际最大长度为标准跨长度。④应力比的控制。我公司为0.6（考虑现场各种不利影响），当天气很好时，可以采用0.8的作为控制值。⑤如果发现稳定问题，应考虑重新布置吊点调整结构内力，并重复步骤1～4.

2.2 屋架吊装上下弦稳定分析

2.2.1 屋架上弦的吊装稳定分析

完成中心72 m跨钢屋架为双机抬吊装施工。钢屋架的吊装主要是面外稳定问题。

在钢屋架吊装中，由于没有任何上下弦杆支撑的作用，所以上下弦杆、腹杆互相之间对侧向抗弯刚度的影响比较弱，从安全考虑一般不计这种影响，仅作为安全储备。

实际上，钢屋架在吊装过程中是存在一个确定的面外支撑作用的，这就是吊装使用的钢丝绳。当钢丝绳横向摆动离开原位置，与原位置距离为d时，必然产生一水平的恢复力F。

钢丝绳对钢屋架的面外支撑力与水平摆动距离d成正比，

可将这一作用考虑为刚度为k的弹簧， . 在得到刚度k后

可以根据所得内力及稳定原理进行吊装时的稳定分析。内力采用MIDAS/GEN有限元结构分析软件进行计算。

根据上述72 m跨钢丝绳受力分析可知钢丝绳内力约为100 kN，钢丝绳绳长17 m，则当钢丝绳面外横向摆动时，k=5.9 kN/m。上弦杆取最小截面为H400×400×10×18，最大间距l=24 m，根据弹性稳定理论，当弹簧刚度足够大时，杆件轴压承载力为：

将相关数据带入公式（1）中得 .

实际弹簧刚度为 .

N为实际最大承载力。

根据上文内力分析可知，上弦最大压力为53 kN，考虑弯矩等不利影响，乘以1.2的系数为64 kN，应力为0.46<0.6，满足吊装安全要求。

2.2.2 钢屋架下弦杆吊装稳定验算

大跨度钢屋架下弦杆由于不存在任何侧向支撑，所以应在吊点设计时控制下弦杆内力尽量为拉杆。由于施工中很少将屋架端部设为吊点，所以在两端会存在一定的压力，这种两端受压中间受拉的屋架下弦杆件可以进行稳定分析。

同样以A330工程72 m钢屋架吊装为例，受压端长度为9 m，压力取大值为19.9 kN，中间受拉长度48 m，拉力平均值为19.4 kN。

对下弦平面完全不设支撑的三段式（压拉压）轴心受力杆件的进行验算：

将相关数据代入公式（2）中得 .

计算长度μl=38 m，按照钢结构稳定理论可知，当下弦承受轴心压力面外失稳时，最大受压承载力为121 kN（根据《钢结构设计规范》计算），下弦吊装中最大压力为19.9 kN，考虑弯矩影响乘以1.2，则应力比为0.2<0.6，满足要求。

3 预变形技术

安装本工程的排架时，要求采用下弦与钢柱连接节点连接分离的两阶段安装方式调整内力分布。

第一阶段：排架上弦与柱铰接，下弦不连接。

第二阶段：排架在自重下完成变形，刚接上下弦与钢柱的连接节点。

这是设计方施工的要求，目的是将排架端部负弯矩向跨中转移，降低端部杆件轴力，避免截面突变的问题。

3.1 施工难点

对于桁架，一般的施工方法是在安装时将上弦、下弦、腹杆与钢柱的连接节点全部连接，然后让桁架在自重荷载下进行内力分布。这样可以通过吊点、钩头的不同位置对桁架安装内力进行调整，从而保证桁架与钢柱连接段的各个杆件变形非常微小，从而保证了蓝图、制作、安装的尺寸一一对应。

而在两阶段安装方法中，下弦节点的安装是在桁架自重下内力重分布之后，所以桁架必然产生变形，而对于大跨度桁架，这种变形会更大，往往造成按照蓝图制作的连接节点无法安装。所以桁架蓝图、制作、安装的尺寸不是一一对应的，必须通过科学的变形分析，将这三个尺寸统一起来。

3.2 解决措施

为了将三个尺寸统一起来，必须对屋架预变形，步骤为：①分析桁架在不连接下弦的情况下的变形数值，以蓝图尺寸为准，计算桁架在端头需进行的预变形数值；②对比桁架起拱值，将两种变形值进行对比、包络，形成最终桁架预变形图；③桁架采用整体偶配组对的方式进行工厂、现场的预拼装，从而将图纸、制作、安装的桁架尺寸统一起来。

3.3 桁架预变形分析

桁架变形分析采用的理论是由虚功原理发展而来的图乘法，具体内容不再详述。由于此方法对于大跨度桁架来说手算量过大，所以采用同样原理的结构计算软件midas/gen进行变形分析。

建模分析结果为：与下弦节点相连的杆件两端下挠分别为-6.6 mm、-12.8 m。

从上得知，只要第二根杆件两端起拱为6.6 mm和12.8 mm就可以解决问题。根据这两个点的数值推算整体起拱线。这里由于端部在第二阶段安装，所以未安装部分的起拱均为0.

本工程要求的设计中间起拱为100 mm，推算的中间起拱为75 mm，不符合设计要求。

我们需要补偿25 mm的起拱值，但不是所有节点都补偿，方法为中间点起25 mm，然后拉線直到端点，得到每个点的附加起拱值（全屋架起拱，包括未安装段），然后与预变形起拱值相加，得到最终起拱值。第一点的起拱值为6.6+2=8.6 mm，以此类推第二个节点起拱为12.8+4=16.8 mm，中间起拱为75+25=100 mm，满足设计要求，同时保证端部准确连接。

3.4 桁架组对方法

对于桁架的组对，我们采用bim技术进行模拟，在组队前预控了定位点的位置和组对顺序，大大提高了效率。

桁架组对方法为：①在组对平台上确定测量基准点，将屋架进行1∶1放样（包括起拱）出所有屋架弦、腹杆节点的位置。②将钢柱柱头放入组对平台的准确位置。③将弦杆分段装入胎具，由柱端向中间依次定位各段屋架上下弦杆，进行屋架整体起拱、找形，定位完成后点焊弦杆对接焊缝。这里下弦柱牛腿不装入拼装胎具。④将腹杆装入屋架，腹杆的定位点与放样定位点一一对应，然后以实际情况对腹杆端头尺寸进行调整，最后点焊与弦杆的焊缝固定腹杆，完成腹杆拼装。⑤拼装屋架与钢柱上弦节点，将钢柱与屋架连接，根据实际尺寸制作钢柱、上弦杆连接板和锚栓孔，并插入安装螺栓定位。检验合格后进行成品焊接。⑥焊接完成后对屋架尺寸进行复测，如果不合格，则要进行调整。合格后，实测下弦节点区间的长度，然后根据相关计算数据制作下弦节点。⑦屋架制作完成后，在屋架运输分段线两侧各250 mm的位置标出定位点，采用全站仪测量各个定位点的数据，将此数据发至施工现场用于现场组对，从而将工厂制作尺寸与现场拼装尺寸一一对应起来。

4 结束语

通过A330宽体飞机天津总装线钢结构工程的施工，我们可以看出，建筑行业正由粗放型施工向精细化施工转型，没有技术能力的企业将无法完成类似工程的施工。在目前行业转型的大潮下，有限元分析、bim技术、建筑产业化等无一不对建筑企业的技术能力提出高要求，我们只有脚踏实地地钻研技术，并将其转化为真正的生产力，才能在未来的建筑市场中占有一席之地。

〔编辑：王霞〕