雙曲異形鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)殼單元式拼裝技術(shù)

劉文杰 張維杰 王赫臨

摘要：青島東方影都秀場(chǎng)項(xiàng)目前廳區(qū)域外立面結(jié)構(gòu)為雙曲異形鋼結(jié)構(gòu)飄帶結(jié)構(gòu)，且每根飄帶柱曲率均不相同，像這種復(fù)雜的鋼結(jié)構(gòu)形式在國內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)應(yīng)用極少。該建筑外立面為鋁板加玻璃的形式，為保證外幕墻的藝術(shù)效果，鋁板、玻璃與鋼結(jié)構(gòu)之間的間隙壓縮到了極致，這就對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的安裝精度要求非常高。以后秀場(chǎng)前廳鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)殼安裝為例，通過樣板施工積累經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出了雙曲異形鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)殼單元式拼裝施工技術(shù)。

關(guān)鍵詞：空間雙曲；網(wǎng)殼；單元式拼裝

1工程概況

青島東方影都秀場(chǎng)是繼“漢秀”、“傣秀”之后萬達(dá)集團(tuán)投資建設(shè)的第三座大型室內(nèi)舞臺(tái)秀，秀場(chǎng)和大劇院以其“碧海銀螺”的造型，雙星閃耀，建成后將成為整個(gè)東方影都最璀璨的標(biāo)志性建筑。

青島東方影都秀場(chǎng)地下一層，地上四層，結(jié)構(gòu)最高點(diǎn)標(biāo)高39.700m。其前廳鋼結(jié)構(gòu)為曲面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，主要由空間弧形鋼管柱、空間弧形箱梁、斜腹桿組成，見下圖所示：

2網(wǎng)殼施工難點(diǎn)分析及解決措施

秀場(chǎng)前廳鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)殼總高度39.7米，中間沒有著力點(diǎn)，上部與屋面鋼結(jié)構(gòu)桁架連接，其安裝難度主要總結(jié)為以下幾點(diǎn)：

（1）前廳為雙曲面異形結(jié)構(gòu)，受安裝誤差積累、溫度變形、焊接變形等影響，安裝精度控制難度非常大。

（2）前廳網(wǎng)殼為空間雙曲異形結(jié)構(gòu)，三維坐標(biāo)定位困難，控制點(diǎn)選擇必須準(zhǔn)確。

（3）安裝順序、焊接順序及卸載順序?qū)Π惭b精度影響非常大。

（4）桁架結(jié)構(gòu)需結(jié)合卸載工藝考慮預(yù)起拱。

（5）前廳有雙曲異形飄帶結(jié)構(gòu)，吊裝時(shí)在自重荷載作用下，易發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形。

（6）由于自身弧度影響，安裝后，飄帶結(jié)構(gòu)在平面內(nèi)及平面外均易發(fā)生失穩(wěn)。安裝時(shí)飄帶結(jié)構(gòu)的彎曲率及穩(wěn)定性控制將直接影響安裝質(zhì)量。

針對(duì)上述問題，經(jīng)過多次模擬以及樣板段施工總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，最終總結(jié)出以下解決措施：

（1）采用高精度全站儀對(duì)單根構(gòu)件實(shí)行多點(diǎn)三維坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，調(diào)整節(jié)點(diǎn)使得節(jié)點(diǎn)三維坐標(biāo)值與設(shè)計(jì)值吻合，達(dá)到對(duì)節(jié)點(diǎn)高精度控制的目標(biāo)。

（2）對(duì)整個(gè)安裝流程進(jìn)行模擬計(jì)算分析，保證安裝流程合理可行。

（3）前廳飄帶出廠前整榀多片預(yù)拼裝，同時(shí)將預(yù)拼裝胎架坐標(biāo)、胎架對(duì)應(yīng)構(gòu)件支撐點(diǎn)坐標(biāo)、拼裝世界坐標(biāo)系交予現(xiàn)場(chǎng)，現(xiàn)場(chǎng)直接使用此坐標(biāo)系進(jìn)行拼裝（即整體還原工廠預(yù)拼裝成果）。拼裝胎架控制點(diǎn)用樣沖眼沖標(biāo)在弦桿上，包含現(xiàn)場(chǎng)對(duì)接接口門點(diǎn)（最低點(diǎn)，最高點(diǎn)，兩側(cè)點(diǎn)，共四個(gè)點(diǎn)），樣沖點(diǎn)用膠帶貼住，然后再噴涂中間漆。

（4）焊接整體順序隨安裝整體順序進(jìn)行，并遵循以下原則。

A、吊裝單元成形，校正完成后進(jìn)行焊接。

B、構(gòu)件焊接按照先主后次的順序進(jìn)行焊接。

C、采用對(duì)稱焊接。

（5）考慮焊接收縮變形的影響，提前預(yù)控（經(jīng)驗(yàn)值）。

（6）對(duì)于前廳飄帶結(jié)構(gòu)，將飄帶結(jié)構(gòu)和次結(jié)構(gòu)形成拼裝單元，采用多吊點(diǎn)吊裝；

（7）在容易失穩(wěn)的吊裝單元安裝時(shí)設(shè)置臨時(shí)支撐，保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

3鋼結(jié)構(gòu)拼裝

3.1拼裝總體部署

前廳網(wǎng)殼總計(jì)約450t，是由單根飄帶柱分段加工組裝完畢送至現(xiàn)場(chǎng)，由現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行拼接組裝，拼裝時(shí)高空對(duì)口位置的次要桿件不裝焊，方便高空對(duì)接時(shí)調(diào)整。胎架形式與后場(chǎng)飄帶柱相同。同時(shí)組裝相鄰軸線箱形梁，網(wǎng)殼共聯(lián)結(jié)成13片單元吊裝。網(wǎng)殼分片、拼裝場(chǎng)地及胎架示意如下：

鋼結(jié)構(gòu)加工廠按照網(wǎng)殼單元分片示意圖在加工廠進(jìn)行吊裝單元預(yù)拼裝，預(yù)拼裝時(shí)采用對(duì)網(wǎng)殼每個(gè)關(guān)鍵部位（主副管兩端及彎點(diǎn)、爪鍵焊接點(diǎn)及端點(diǎn)），都進(jìn)行全站儀打點(diǎn)放樣。預(yù)拼裝完畢無誤，將本批構(gòu)件、預(yù)拼裝控制點(diǎn)坐標(biāo)圖、拼裝胎架坐標(biāo)、胎架對(duì)應(yīng)構(gòu)件支撐點(diǎn)坐標(biāo)、拼裝世界坐標(biāo)系交予現(xiàn)場(chǎng)，保證現(xiàn)場(chǎng)完美復(fù)原工廠預(yù)拼裝成果。胎架制作圖如圖3.2、圖3.3。

4鋼結(jié)構(gòu)安裝

網(wǎng)殼安裝過程中需要設(shè)置臨時(shí)支撐點(diǎn)，支撐點(diǎn)使用型鋼制作，在鋼結(jié)構(gòu)三維模型當(dāng)中設(shè)計(jì)出胎架形式并經(jīng)過計(jì)算，最終形成施工圖紙指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。

4.1胎架布置

前廳網(wǎng)殼及雨棚吊裝，共設(shè)置12組臨時(shí)支撐門式胎架。每個(gè)門式支撐胎架由兩個(gè)格構(gòu)式胎架組成，上部轉(zhuǎn)換梁上應(yīng)設(shè)置臨時(shí)管托支撐弧形桁架管，將網(wǎng)殼的水平推力轉(zhuǎn)換為豎向力，下部設(shè)置型鋼底座，通過膨脹螺絲與地面固定。若胎架基礎(chǔ)為回填土或級(jí)配石，則采用路基箱。格構(gòu)式支撐胎架按高度分為三類，每類的高度依次是14.8m，18.3m，21.8m，每個(gè)胎架上設(shè)置1～3個(gè)支撐點(diǎn)。胎架編號(hào)與支撐點(diǎn)編號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：

胎架一：支撐點(diǎn)1，2；胎架二：支撐點(diǎn)3，4，5；胎架三：支撐點(diǎn)6；胎架四：支撐點(diǎn)7；胎架五：支撐點(diǎn)8；胎架六：支撐點(diǎn)9；胎架七：支撐點(diǎn)10；胎架八：支撐點(diǎn)11；胎架九：支撐點(diǎn)12；胎架十：支撐點(diǎn)13；胎架十一：支撐點(diǎn)14；胎架十二：支撐點(diǎn)15。支撐點(diǎn)位置及編號(hào)如下圖所示：

4.2安裝順序

整個(gè)前廳共分為13個(gè)吊裝單元，按照編號(hào)順序依次吊裝1～13#吊裝單元。為保證施工精度控制，采用先門洞后兩邊、先下部再上部、先右再左的吊裝方案。

4.3吊裝注意事項(xiàng)

（1）網(wǎng)殼安裝前，使用全站儀校核各控制點(diǎn)坐標(biāo)，CAD實(shí)體模型中比對(duì)，如有誤差調(diào)整完畢后再吊裝。

（2）網(wǎng)殼安裝前，復(fù)核胎架標(biāo)高及位置，如有變動(dòng)或沉降，調(diào)整完畢后吊裝。

（3）成片網(wǎng)殼原則上采取4點(diǎn)吊裝，用鋼絲繩捆綁于主管與環(huán)梁交匯處，上部使用2根主鋼絲繩，每側(cè)采用兩根輔助鋼絲繩，采用葫蘆調(diào)節(jié)網(wǎng)殼就位姿態(tài)，鋼絲繩長度通過模型重心放樣得到。

（4）鋼絲繩、綁扎帶、葫蘆規(guī)格通過重量計(jì)算選用。

（5）每安裝一片網(wǎng)殼，及時(shí)進(jìn)行鋼環(huán)梁的安裝，保證鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)殼的整體性。安裝前提前打點(diǎn)或放線核對(duì)箱梁長度及安裝錯(cuò)口。

（6）網(wǎng)殼安裝完畢，應(yīng)力充分釋放后進(jìn)行胎架卸載。

4.4胎架卸載

（1）網(wǎng)殼全部安裝及釋荷完畢，進(jìn)行胎架卸載。胎架卸載采取分級(jí)分段卸載。

（2）胎架頂部采取H型鋼立柱支撐主結(jié)構(gòu)，分5次切割卸載，每次切除10mm，使結(jié)構(gòu)均勻緩慢沉降，保證結(jié)構(gòu)不出現(xiàn)沉降突變和異向變形。

（3）每次切割留結(jié)構(gòu)充分變形及觀測(cè)時(shí)間。

（4）卸載完成后繼續(xù)觀測(cè)，確保結(jié)構(gòu)安全無多余變形。

5安裝質(zhì)量可控制措施

5.1拼裝精度控制措施

為保證現(xiàn)場(chǎng)拼裝精度，具體措施如下：

（1）胎架下部地面必須平整壓實(shí)并鋪設(shè)路基箱，胎架底部用焊接與路基箱牢固連接，制作后進(jìn)行檢驗(yàn)，胎架必須滿足強(qiáng)度和安全要求；

（2）做好胎架安裝前、安裝中和安裝后的測(cè)量放線以及復(fù)測(cè)工作；

（3）在胎架上作構(gòu)件的基準(zhǔn)線和中心線，裝配必要的定位支撐。然后將需組裝的構(gòu)件吊裝在胎架上，滿足設(shè)計(jì)要求后點(diǎn)焊固定；

（4）構(gòu)件調(diào)整后，須記錄各項(xiàng)數(shù)據(jù)并備案。如沒及時(shí)進(jìn)行焊接，須對(duì)該現(xiàn)場(chǎng)做好保護(hù)工作。即不允許大型機(jī)械設(shè)備、車輛在平臺(tái)附近行走，不允許任何對(duì)構(gòu)件下的墊板、千斤頂?shù)淖矒簦?/p>

（5）焊接時(shí)盡可能采取對(duì)稱焊接，同時(shí)，焊接量大的部位應(yīng)先焊接，以減少焊接收縮對(duì)拼裝精度的影響；

（6）焊工按《鋼結(jié)構(gòu)焊接從業(yè)人員資格認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)》CECS 331-2013規(guī)定，經(jīng)過考試并取得合格證后，方可持證上崗從事焊接工作；

（7）雨雪天氣時(shí)，不在露天焊接，焊接區(qū)域表面潮濕時(shí)，必須用氧-乙炔焰烘干或用壓縮空氣吹干。風(fēng)力超過8m/s時(shí)，采取防風(fēng)措施。

（8）根據(jù)施工加載分析計(jì)算確定每榀桁架的起拱值。然后在加工場(chǎng)加工時(shí)考慮起拱，拼裝時(shí)在對(duì)接節(jié)點(diǎn)處對(duì)起拱值進(jìn)行控制。起拱值報(bào)由設(shè)計(jì)院確認(rèn)后方可實(shí)施。

結(jié)束語

隨著城市建筑多元化發(fā)展，空間異形鋼結(jié)構(gòu)的大量涌現(xiàn)，但施工過程中缺乏相應(yīng)的施工經(jīng)驗(yàn)與成熟的施工工藝，青島東方影都秀場(chǎng)工程經(jīng)過非實(shí)體樣板段的施工經(jīng)驗(yàn)積累、實(shí)體結(jié)構(gòu)的總結(jié)、投入了大量的人力物力后，最終形成了大型鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)殼拼裝、安裝關(guān)鍵技術(shù)。

參考文獻(xiàn)

[1]侯兆欣等：《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》，中國計(jì)劃出版社，2001年

[2]毛志兵等： 《鋼結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范》，中國建筑工業(yè)出版社，2012年