神農(nóng)大劇院螺旋形雙曲面鋼網(wǎng)殼安裝技術(shù)

中建五局第三建設(shè)有限公司 長沙 410004

1 工程概況

神農(nóng)大劇院位于株洲神農(nóng)城核心區(qū)西南角，鋼結(jié)構(gòu)工程主要包括外殼鋼結(jié)構(gòu)、劇場鋼結(jié)構(gòu)2 部分。大劇院空間桁架外殼鋼結(jié)構(gòu)采用空間空腹桁架結(jié)構(gòu)體系，由控制基點(diǎn)沿徑向旋轉(zhuǎn)布置梁柱一體化變厚度平面空腹桁架，根據(jù)建筑分格沿環(huán)向布置一定數(shù)量的連續(xù)空腹桁架，與徑向桁架形成空間結(jié)構(gòu)體系，形成建筑形態(tài)上的螺旋特征（圖1）。

圖1 神農(nóng)大劇院鋼結(jié)構(gòu)示意

外殼鋼結(jié)構(gòu)東西方向長度達(dá)120 m、南北方向長220 m，單榀桁架最大跨度為120 m，最高點(diǎn)達(dá)86.3 m。鋼結(jié)構(gòu)量約8 000 t。鋼外殼的支承結(jié)構(gòu)采用桁架柱腳與下部混凝土結(jié)構(gòu)+5.90 m標(biāo)高柱頂連接，上部與壓力環(huán)連接。建筑外殼主體結(jié)構(gòu)除在柱腳處與下部混凝土結(jié)構(gòu)連接外，其余完全脫開。整個鋼外殼主結(jié)構(gòu)共由60 榀徑向主桁架，14 榀環(huán)向管桁架、3 榀空間桁架以及壓力環(huán)、柱間支撐、屋面支撐、墻面抗風(fēng)系統(tǒng)組成。其中主桁架采用變截面箱型桁架梁，環(huán)向梁采用鋼管桁架梁或鋼管梁，屋面支撐采用鋼管截面，墻面抗風(fēng)柱采用箱型截面。

2 現(xiàn)場鋼結(jié)構(gòu)施工

本工程鋼結(jié)構(gòu)外殼采用分段吊裝，高空對接的方式進(jìn)行安裝。安裝時使用2 臺D800塔吊進(jìn)行大部分的徑向主桁架、環(huán)向桁架及裝飾桁架的吊裝。局部塔吊無法夠到的區(qū)域使用1 臺3 200 kN履帶吊和1 臺500 kN履帶吊進(jìn)行安裝。桁架吊裝時，在桁架吊裝分段端頭下弦節(jié)點(diǎn)處設(shè)置臨時支撐架進(jìn)行支撐。桁架安裝全部完成后再整體卸載，拆除支撐架。具體分為如下施工步驟。

2.1 大跨度桁架安裝分段

根據(jù)本工程鋼結(jié)構(gòu)外殼的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，從施工安全性、工作效率考慮，本工程鋼結(jié)構(gòu)安裝主要采用地面拼裝、分段吊裝、高空組對的方式進(jìn)行施工。

桁架的吊裝分段設(shè)計主要考慮幾點(diǎn)因素：滿足結(jié)構(gòu)功能要求，分段點(diǎn)不能太多、位置應(yīng)選擇在結(jié)構(gòu)層次中受力較理想的位置，保證吊裝過程的安全和避免在支撐架卸載時出現(xiàn)承受最不利工況；盡量滿足現(xiàn)場吊機(jī)布置及吊機(jī)吊裝工況要求；分段點(diǎn)盡量選擇臨時支撐胎架便于安置的位置，同時，支撐架盡量設(shè)置在混凝土柱和混凝土梁上，減少對土建結(jié)構(gòu)安全的影響，減少對看臺混凝土的加固處理[1,2]。代表性的桁架分段如圖2所示。

2.2 桁架拼裝

本工程的單層建筑面積大，桿構(gòu)件種類、數(shù)量多，現(xiàn)場拼裝、焊接量大，工期非常緊，對施工的場地需求也非常大。為了更好、更快地完成拼裝工作，并保證拼裝精度和質(zhì)量，采取了以下控制措施：

圖2 桁架安裝分段示意

構(gòu)件進(jìn)場時對構(gòu)件幾何尺寸進(jìn)行嚴(yán)格檢查，確保構(gòu)件規(guī)格、尺寸誤差符合設(shè)計和規(guī)范要求；在地面拼裝時須放地樣，設(shè)置胎架，用全站儀控制拼裝定位精度，加強(qiáng)測量控制。制作胎具之前，用水平儀全面測量平臺基準(zhǔn)面的水平并做好記錄，根據(jù)數(shù)據(jù)及實際情況，確定測量基準(zhǔn)面的位置，并做好標(biāo)志；組裝點(diǎn)焊定位后，先對構(gòu)件進(jìn)行幾何尺寸的檢查，確認(rèn)后方可開始焊接，焊接要嚴(yán)格按焊接工藝要求進(jìn)行。拼裝焊接完畢后進(jìn)行檢查，并采用各類矯正措施，保證構(gòu)件拼裝精度（圖3）。

2.3 臨時支撐胎架設(shè)置

本工程鋼結(jié)構(gòu)單榀桁架最大跨度為120 m，地面拼裝完成后，高空組對安裝時，需在分段處搭設(shè)臨時支撐胎架。

根據(jù)方案設(shè)置要求和現(xiàn)有資源，本工程采用標(biāo)準(zhǔn)支撐胎架。標(biāo)準(zhǔn)支撐架由預(yù)先焊接好的4 片平面桁架組成，標(biāo)準(zhǔn)支撐架為組合式，現(xiàn)場安裝時主要采用螺栓連接，可以靈活進(jìn)行組合，同時運(yùn)輸方便，其組合尺寸（長×寬×高）為2.0 m×2.0 m×1.5 m、1.0 m×1.0 m×1.5 m，其中立柱和腹桿分別采用P89 mm×4 mm和P60 mm×3.4 mm的圓管，支撐架組裝高約50 m。單個支撐架可承重50 t，可組合成大小、高低不一的組合體，以適應(yīng)不同的荷載和凈高要求（圖4）。

圖3 桁架現(xiàn)場拼裝

圖4 臨時支撐胎架設(shè)置

支撐胎架的上部及下部遇不規(guī)則接觸面時，使用工字鋼設(shè)置轉(zhuǎn)換胎架，以使傳力均勻，支撐架遇樓板時，上下點(diǎn)對點(diǎn)對頂，將上部荷載直接傳遞給基礎(chǔ)底板。支撐架搭設(shè)好后用纜風(fēng)繩進(jìn)行固定，纜風(fēng)繩一端固定在已經(jīng)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)或預(yù)埋件的耳扣上，用手動葫蘆拉緊。

現(xiàn)場分段支撐點(diǎn)總數(shù)達(dá)344 個，支撐胎架搭設(shè)總高度逾13 000 m。平面布置如圖5所示。

紅色小球表示支撐架位置，其具體坐標(biāo)已在深化設(shè)計中確認(rèn)，并經(jīng)設(shè)計方核算后實施。我們制定了臨時支撐胎架專項方案，明確所有支撐架安裝坐標(biāo)點(diǎn)及安裝高度，并繪制施工圖，做好技術(shù)交底?，F(xiàn)場搭設(shè)時采用全站儀控制位置坐標(biāo)。

2.4 壓力環(huán)安裝

壓力環(huán)是整個外殼鋼結(jié)構(gòu)最重要的結(jié)構(gòu)受力點(diǎn)，共有17 榀徑向桁架與之相連，其他徑向桁架則通過環(huán)向桁架與那17 榀徑向桁架連接，使外殼桁架結(jié)構(gòu)形成一個整體。

壓力環(huán)作為桁架結(jié)構(gòu)體系中最重要的節(jié)點(diǎn)，如果壓力環(huán)安裝誤差比較大，和徑向桁架拼接時就容易出現(xiàn)拼接焊縫過寬、受力不均勻甚至無法合攏等現(xiàn)象，將對結(jié)構(gòu)整體受力情況和穩(wěn)定性帶來非常大的不利影響，因此安裝定位精確度要求非常高。

關(guān)于東陽市第三次土地調(diào)查工作的思考（陳玉雁等） .....................................................................................5-44

由于壓力環(huán)上下平面均為斜面，所以壓力環(huán)各不同位置標(biāo)高也各不相同，而壓力環(huán)質(zhì)量較大，且在高空當(dāng)中，移動不便，要使壓力環(huán)的標(biāo)高、整體垂直度、各軸線、點(diǎn)的位置等都達(dá)到設(shè)計和規(guī)范要求，安裝定位難度較大。

壓力環(huán)安裝前，首先在壓力環(huán)下部位置、觀眾廳上方搭設(shè)支撐架，由于單個支撐架截面面積較小，不足以提供壓力環(huán)安裝時所需的操作平臺，所以，支撐架搭設(shè)時使用3 組支撐架捆綁搭設(shè)進(jìn)行支撐，支撐架頂部用工字鋼組拼成一個操作平臺。搭設(shè)完成后，用全站儀測量放線。根據(jù)壓力環(huán)對應(yīng)的空間位置坐標(biāo)，以及壓力環(huán)底面形狀和傾斜度，用工字鋼在支撐平臺上支設(shè)4 個支撐點(diǎn)，支撐點(diǎn)頂端位置分別為壓力環(huán)底面最高點(diǎn)、最低點(diǎn)和2 個中間點(diǎn)。這樣在壓力環(huán)吊裝時就可以更快、更精確地將壓力環(huán)的位置、方位、標(biāo)高調(diào)整至正確位置。

壓力環(huán)整體呈圓環(huán)柱體，上下兩面為平行斜面，環(huán)內(nèi)徑為1.2 m，外徑為2 m，內(nèi)徑與外徑之間由加勁鋼板連接，環(huán)體總高度為3.011 m，傾斜面高差為0.428 m。外圓部分為一整塊鋼卷板加工制作而成，其余部分構(gòu)件為鋼板拼接而成，所有鋼材材質(zhì)均為Q345B，壓力環(huán)在工廠整體制作加工成型后運(yùn)輸至現(xiàn)場，構(gòu)件質(zhì)量約為10 t（圖6），現(xiàn)場采用D800塔吊進(jìn)行吊裝。

圖5 胎架支撐點(diǎn)平面布置示意

圖6 壓力環(huán)示意

2.5 結(jié)構(gòu)測量控制

本工程部分桁架平面跨度大，在深化設(shè)計時需考慮安裝的下?lián)现?，計算出各個安裝控制節(jié)點(diǎn)的撓度，提前起拱。桁架安裝時，進(jìn)行節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，利用全站儀進(jìn)行桁架的測量定位，徑向桁架均組成吊裝單位進(jìn)行整體定位，環(huán)向桁架盡量在地面拼裝好分段后整體吊裝，部分復(fù)雜節(jié)點(diǎn)處和現(xiàn)場條件不便利的地方采用單根吊裝，保證安裝時殼體結(jié)構(gòu)的精度和穩(wěn)定性。

2.6 桁架結(jié)構(gòu)整體卸載

在結(jié)構(gòu)施工完成后，取消受力支撐胎架過程稱之為卸載，卸載過程中，結(jié)構(gòu)由機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化成整體結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布會發(fā)生變化，為了保證此過程中結(jié)構(gòu)平穩(wěn)受力，本工程進(jìn)行了卸載模擬計算并制定了結(jié)構(gòu)卸載專項方案。

2.6.1 卸載前準(zhǔn)備工作

確認(rèn)所有鋼結(jié)構(gòu)桿件安裝完成，所有焊縫都滿焊焊接完成并經(jīng)相關(guān)方檢測合格；每個支撐點(diǎn)位置已進(jìn)行統(tǒng)一編號，并做記錄和交底；檢查每個支撐點(diǎn)支托支撐位置是否正確；對結(jié)構(gòu)受力過程和位移進(jìn)行驗算，將結(jié)果作為結(jié)構(gòu)卸載的理論依據(jù)。本次卸載主要依據(jù)MIDAS/GEN得出的分析結(jié)果，與設(shè)計單位提供的理論驗算結(jié)果（采用sap2000V14.1軟件）基本一致（圖7、圖8）；全面檢查整個結(jié)構(gòu)，并經(jīng)總包、監(jiān)理、設(shè)計等相關(guān)單位驗收通過。

圖7 卸載前位移

圖8 完全卸載后應(yīng)力

監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的選取：根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)及卸載過程模擬驗算數(shù)據(jù)分析，我方與設(shè)計單位協(xié)商共同選取了共11 個測量監(jiān)控點(diǎn)，主要在應(yīng)力集中或撓度較大位置，并保證覆蓋外殼各個方向。在各監(jiān)控節(jié)點(diǎn)上便于觀測的位置貼上反光棱鏡片，并將該位置作為測量點(diǎn)的原始坐標(biāo)。棱鏡片設(shè)置牢固后，與桁架的相對位置已經(jīng)固定，每步卸載后立即測量棱鏡片的坐標(biāo)變化，前后對比即可得出桁架節(jié)點(diǎn)在卸載中的位移， 對于超出變形范圍的節(jié)點(diǎn)必須進(jìn)行適當(dāng)加固等處理。

測量數(shù)據(jù)信息處理：測量數(shù)據(jù)包括每個監(jiān)控點(diǎn)、每個卸載步驟的卸載前原坐標(biāo)、卸載后新坐標(biāo)、計算得出的理論坐標(biāo)。在每步卸載實施前后，利用全站儀對卸載過程進(jìn)行實時監(jiān)控，并對相應(yīng)的測量數(shù)據(jù)如實計入。并在卸載完成后，定期實施測量復(fù)核。

經(jīng)多次測量復(fù)核數(shù)據(jù)得出，本工程桁架卸載后各監(jiān)控節(jié)點(diǎn)位移均在模擬計算范圍內(nèi)，符合相關(guān)要求。

2.6.3 卸載施工流程

本工程結(jié)構(gòu)厚度較大，剛度好，根據(jù)試算結(jié)果，除局部位置外，完全卸載后變形不大；由于在施工時支撐了較多的支撐架，在保證施工安全的前提下，單個支撐點(diǎn)采用分級卸載，整體上分區(qū)域、分步卸載。據(jù)本工程鋼結(jié)構(gòu)施工的特點(diǎn)，支撐點(diǎn)位置均設(shè)在徑向桁架節(jié)點(diǎn)處，支撐方式有2 種：

1）采用20#工字鋼制作成門式形式進(jìn)行支撐，節(jié)點(diǎn)下部接觸工字鋼，通過工字鋼將力傳至下部的支撐架上。

2）將支撐架頂部工字鋼立桿接長，立桿直接作用于桁架支撐節(jié)點(diǎn)。

為實現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的分級卸載，采用氣割方式進(jìn)行卸載，即采用割刀切割支撐架桿件與桁架節(jié)點(diǎn)的連接部位，每次切割20 mm。在切割過程中，隨著鋼材的熔融，在鋼外殼桁架自重的作用下，徑向桁架將緩慢產(chǎn)生水平或向上、向下的位移，直至填補(bǔ)完鋼支撐被割除位置的空隙。位移過程中，桁架水平位移較小，工字鋼可以保持接觸，確保支撐受力[3-5]。

當(dāng)桁架支撐點(diǎn)將與節(jié)點(diǎn)分離，此時可直接將支撐點(diǎn)割除；當(dāng)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生向下的位移時，在切割過程中，節(jié)點(diǎn)將繼續(xù)與支撐點(diǎn)頂緊，此時必須嚴(yán)格按照20 mm一段進(jìn)行切割，一直割至支撐點(diǎn)與徑向桁架脫離。

每一步卸載完成后對整個結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面檢查、測量，沒有問題后可進(jìn)入下一級卸載工作，按照以上步驟，直至卸載完成。

3 結(jié)語

通過對神農(nóng)大劇院鋼網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)安裝技術(shù)的介紹，為類似工程施工提供了一個有益的參考。中部地區(qū)大跨度鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用較少，本工程順利完成的同時，在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工管理、監(jiān)督等崗位上鍛煉了一批人才，為中部地區(qū)大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工的發(fā)展作出了一份貢獻(xiàn)。