既有建筑頂部單層鋼網(wǎng)殼施工方法

曹丙山 蔡澤帥 甯桃紅

北京市機(jī)械施工有限公司 北京 100045

1 工程概況

北國(guó)商城擴(kuò)建工程建設(shè)地點(diǎn)位于石家莊市建設(shè)南大街與中山東路交口?，F(xiàn)有結(jié)構(gòu)為鋼框架結(jié)構(gòu)，已經(jīng)施工完畢投入運(yùn)營(yíng)，改造擴(kuò)建過程中繼續(xù)營(yíng)業(yè)。采光頂采用單層網(wǎng)殼穹頂結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)標(biāo)高為70.6m到75m，平面投影為56m*47m，通過四根樹形鋼柱支撐在原有結(jié)構(gòu)的鋼柱上。桿件主要截面尺寸為D351*12、D351*20、D245*12、PIP450*20等等，樹形鋼柱截面為口800x25和D508x30，材質(zhì)Q345B。網(wǎng)殼受力簡(jiǎn)圖如圖1。

圖1 網(wǎng)殼模擬提升簡(jiǎn)圖和主視圖

圖2 網(wǎng)殼模擬提升俯視圖

在既有建筑頂部進(jìn)行網(wǎng)殼施工面臨的主要問題有：建筑周邊環(huán)境復(fù)雜，該工程位于繁華的市區(qū)，人流車流眾多，材料運(yùn)輸不能長(zhǎng)期占路，白天不能中斷交通。

網(wǎng)殼位于十二層建筑頂部，在施工期間，建筑頂部施工不能影響十層以下商城正常營(yíng)業(yè)，特別要考慮建筑頂部自身的承載力和成品保護(hù)。

網(wǎng)殼處于整體建筑結(jié)構(gòu)的中心，距離結(jié)構(gòu)邊界有一定距離，材料的垂直和水平運(yùn)輸是重中之重。

由于以上建筑特點(diǎn)施工機(jī)械的選擇成了該工程的難點(diǎn)；構(gòu)件在屋面的吊裝也是難點(diǎn)之一。

單層網(wǎng)殼的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：柔性好，易變形，且跨度大，結(jié)構(gòu)以中間多點(diǎn)剛性支撐為主，周邊有帶銷軸支座的豎向支撐。施工過程網(wǎng)殼受力應(yīng)滿足設(shè)計(jì)受力狀態(tài)，應(yīng)盡可能避免網(wǎng)殼自重產(chǎn)生的水平力和豎向力傳遞到周邊豎向支撐，圖1所示。

鋼網(wǎng)殼安裝方法主要有“腳手架滑移安裝法”、“提(頂)升法”、“高空散裝法”、“網(wǎng)殼累積滑移法”等幾種，結(jié)合本工程特點(diǎn)，實(shí)際施工選取的是先整體提升，后高空散拼相結(jié)合的施工方法。該方法的優(yōu)點(diǎn)有：地面拼裝網(wǎng)架，效率高、安全性高，合理的設(shè)置多點(diǎn)提升支架，更有效的控制提升后網(wǎng)殼變形。

2 施工方法的分析和實(shí)現(xiàn)

2.1 大型機(jī)械的選擇和實(shí)現(xiàn)

建筑四周不允許設(shè)置落地塔吊，且周邊建筑高度超過擬建建筑，塔吊安裝和使用受到限制，現(xiàn)有建筑的角度和空間位置經(jīng)測(cè)算，僅在建筑頂部如圖3所示位置設(shè)置塔吊成為唯一選擇，將采用能夠安裝的最大塔吊型號(hào)為7015型立在基座上，基座設(shè)置在如圖4所示的桁架結(jié)構(gòu)上，桁架結(jié)構(gòu)設(shè)置在原有結(jié)構(gòu)鋼柱上，根據(jù)計(jì)算該基座在吊最大吊重時(shí)的最大壓力為1073kN，最大拉力為599kN，滿足整體受力。

安裝塔吊時(shí)，在擬建結(jié)構(gòu)周邊道路僅有圖3中①和②兩個(gè)位置可以供大型吊車正常工作，且②位置地下有設(shè)備管道和各種檢修井，經(jīng)測(cè)算尺寸僅滿足400噸內(nèi)汽車吊工作，經(jīng)交通部門協(xié)調(diào)，在該位置不可長(zhǎng)期使用的條件下，封閉一周以便安裝塔吊。構(gòu)件不能在路面存放，必須隨來隨上樓，吊車位置不能長(zhǎng)期使用即便這樣，塔吊順利安裝并且工作，但是仍有僅20%的施工區(qū)域不能覆蓋，為后續(xù)施工帶來的較大影響。本工程將塔吊設(shè)置在既有建筑頂部，解決了吊裝機(jī)械長(zhǎng)時(shí)間占路的問題，解決了構(gòu)件垂直運(yùn)輸?shù)膯栴}，解決了屋頂大部分區(qū)域吊裝的問題。

圖3 施工周邊環(huán)境與塔吊位置圖

圖4 塔基設(shè)計(jì)圖

圖5 既有建筑頂部塔吊

2.2 網(wǎng)殼施工過程

網(wǎng)殼的拼裝，采取樓面拼裝。樓面拼裝可使用較少的拼裝胎架，重量較輕，經(jīng)測(cè)算滿足樓板承載力要求。而若是采用高空支架散拼的方式，會(huì)使用較多的拼裝胎架，支架自重經(jīng)測(cè)算會(huì)超出樓板承載力，故選用網(wǎng)殼整體提升的方式不僅僅決定于施工期間網(wǎng)殼周邊帶銷軸支座的豎向支撐不能承受網(wǎng)殼水平方向的力，還決定于整體拼裝提升帶來的拼裝胎架的減少。

樓面拼裝中心區(qū)域借助于新建連廊結(jié)構(gòu)平臺(tái)，將中空部分用鋼板封閉，形成硬隔離層，保護(hù)樓面下商場(chǎng)正常營(yíng)業(yè)的安全。在樓面上鋪設(shè)保護(hù)鋼板，對(duì)現(xiàn)有防水層進(jìn)行防護(hù)。

網(wǎng)殼主桿件的吊裝方法采用塔吊吊裝，塔吊盲區(qū)如圖6所示采用龍門架配電葫蘆；次桿件的吊裝方法采用如圖7卷?yè)P(yáng)機(jī)配定滑輪。施工證明，主、次桿件的吊裝決定著施工的整體進(jìn)度。

圖6 主桿件安裝

圖7 次桿件安裝

網(wǎng)殼的吊點(diǎn)設(shè)計(jì)：原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用四根鋼柱，每根鋼柱頂部分成三支點(diǎn)支撐網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。提升點(diǎn)若采用四點(diǎn)支撐，經(jīng)核算中部區(qū)域撓度過大，所以在中部區(qū)域增加四點(diǎn)支撐。采取八點(diǎn)提升，外四點(diǎn)由樹杈支撐頂部安裝四邊形格構(gòu)柱作提升支架，不影響三根支撐桿件的安裝；內(nèi)四點(diǎn)設(shè)置在環(huán)廊上部，依托環(huán)廊支撐柱，設(shè)置格構(gòu)柱做提升支架，這樣做可以避免增加整體網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)對(duì)樓面的荷載。

內(nèi)四點(diǎn)格構(gòu)柱提升支架高度18米，為了減少網(wǎng)殼桿件的抽空數(shù)量，采用三角形截面，頂部懸挑提升鋼梁。如圖。此種設(shè)計(jì)要求鋼梁兩側(cè)提升力基本相等，減少支架的偏心荷載。為了控制提升支架的偏心量引起提升支撐系統(tǒng)的整體失穩(wěn)，在提升架頂部設(shè)置攬風(fēng)繩，如圖。

圖8 提升支架、提升橫梁、穿心式千斤頂和攬風(fēng)繩

網(wǎng)殼拼裝簡(jiǎn)要流程為：網(wǎng)殼鋼柱安裝/標(biāo)準(zhǔn)節(jié)支架安裝→胎架拼裝→網(wǎng)殼樓面拼裝→提升設(shè)備安裝→網(wǎng)殼提升→網(wǎng)殼合攏/卸載找形→合攏區(qū)次桿件安裝→卸載→拆除提升設(shè)備及支架。

圖9 安裝網(wǎng)殼鋼柱和提升支架

圖10 安裝胎架

圖11 網(wǎng)殼主桿拼裝

圖12 網(wǎng)殼拼裝

2.3 提升和卸載

不同于剛性大的結(jié)構(gòu)如大截面箱梁、大鋼架等結(jié)構(gòu)，單層網(wǎng)殼具有剛度小變形大的特點(diǎn)，多點(diǎn)提升可以有效控制提升時(shí)的結(jié)構(gòu)變形。

多點(diǎn)提升需要控制的要點(diǎn)因素：各提升點(diǎn)之間的提升力，網(wǎng)殼變形，各連接口位置的變形，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在提升過程中的內(nèi)力?？紤]到這些因素，我們對(duì)提升過程中可能出現(xiàn)的不同工況進(jìn)行有限元分析和實(shí)際施工中的位移監(jiān)測(cè)進(jìn)行對(duì)比。

控制各要素要實(shí)現(xiàn)的目的：提升和卸載過程安全可靠。合攏后卸載過程對(duì)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移影響小，能夠使得網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)基本達(dá)到設(shè)計(jì)狀態(tài)，同時(shí)使得周邊支撐的豎向荷載均勻分布。各對(duì)接口基本處于設(shè)計(jì)位置，或相近的位置，通過簡(jiǎn)單局部調(diào)整可以達(dá)到設(shè)計(jì)位置。

工況1：結(jié)構(gòu)處于設(shè)計(jì)位置自重狀態(tài)下，網(wǎng)殼的反力（提升力）和位移

圖13 反力圖

外圍支點(diǎn)反力84KN和111KN，內(nèi)部支點(diǎn)反力234KN和264KN，離網(wǎng)殼中心近的支點(diǎn)數(shù)值大，遠(yuǎn)的支點(diǎn)數(shù)值小。

圖14 位移圖最大豎向位移67mm（紅色區(qū)域）

結(jié)論：提升點(diǎn)各組內(nèi)豎向反力受力基本一致，偏差不大；各組間分配不均勻，中間4個(gè)支點(diǎn)反力約是外圍4個(gè)支點(diǎn)的2倍，各對(duì)接口位移值偏差較大，提升就位后各接口無法同時(shí)對(duì)接，需要進(jìn)行調(diào)整。結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化處于安全狀態(tài)。

工況2：中間位置對(duì)接口固定后，調(diào)整兩邊對(duì)接口位移（卸載第一步）

圖15 反力圖和位移圖

結(jié)論：隨著兩側(cè)中部區(qū)域合攏，支點(diǎn)承載力逐步降低，周邊的位移變化明顯，在位移圖上下三角區(qū)位移較大。中部提升支架頂部的組內(nèi)反力差值較大，對(duì)支架的穩(wěn)定影響較大。

工況3：逐級(jí)卸載工況

圖16 反力圖和位移圖

提升就位采用多級(jí)矯形就位，網(wǎng)殼周邊中間部位（位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布圖中，12～20軸線區(qū)域）先行合攏，然后8～12和20～24軸線區(qū)域合攏，最后一級(jí)角部區(qū)域合攏。合攏過程也是逐級(jí)卸載的過程，三級(jí)矯形后進(jìn)行最后一級(jí)卸載，完成全部卸載工作。周邊搖擺柱豎向支撐逐級(jí)增加豎向荷載，通過逐級(jí)加載，搖擺柱承受豎向荷載均勻加載切逐漸增加，基本實(shí)現(xiàn)了整體的結(jié)構(gòu)體系受力原則。

網(wǎng)殼拼裝完成后進(jìn)行試提升，確保網(wǎng)殼整體形態(tài)的穩(wěn)定后，正式開始提升，提升過程通過全站儀測(cè)定網(wǎng)殼整體形態(tài)的變化。提升過程支架頂部設(shè)置攬風(fēng)繩，抵抗支撐因不平衡提升力產(chǎn)生的水平力，使得提升支撐系統(tǒng)安全可靠。網(wǎng)殼預(yù)達(dá)設(shè)計(jì)值標(biāo)高的先后順序?yàn)椋褐醒胛恢米钕鹊竭_(dá)，其后是四角位置，最后是網(wǎng)殼中間區(qū)域（3號(hào)觀測(cè)點(diǎn)區(qū)域）。網(wǎng)殼提升過程，嚴(yán)格實(shí)施預(yù)定流程和控制力。監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容包括：網(wǎng)殼的撓度控制點(diǎn)坐標(biāo)，提升支架的垂直度偏差。

具體卸載方案是：超提升標(biāo)準(zhǔn)為：網(wǎng)殼周邊中部的主桿達(dá)到預(yù)定設(shè)計(jì)值標(biāo)高，而后立即采取高空拼裝方法，拼裝連接主桿件與周邊鉸性豎向支撐以及部分次桿件；然后繼續(xù)卸載，使得四角達(dá)到預(yù)定設(shè)計(jì)值標(biāo)高，重復(fù)上述拼裝方法；繼續(xù)卸載，使整體網(wǎng)殼到達(dá)預(yù)定設(shè)計(jì)值標(biāo)高；最后固定樹杈結(jié)構(gòu)，拆除提升支架，補(bǔ)齊剩余桿件。該方案順利實(shí)現(xiàn)網(wǎng)殼矯形，便于人為控制最終網(wǎng)殼的形態(tài)趨于設(shè)計(jì)值。

2.4 監(jiān)測(cè)結(jié)果

按照施工規(guī)范在雙向網(wǎng)殼的四等分點(diǎn)處設(shè)置測(cè)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖3所示，建立坐標(biāo)系設(shè)置位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)共計(jì)13個(gè)。其中Y軸方向16號(hào)管設(shè)置①、②、③、④、⑤五個(gè)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)；其中X軸方向網(wǎng)殼中心設(shè)置Ⅰ、Ⅱ、③、Ⅳ、Ⅴ五個(gè)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)；增加網(wǎng)殼四周設(shè)置a、b、c、d四個(gè)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)。除這些監(jiān)測(cè)點(diǎn)作為網(wǎng)殼整體形狀的控制點(diǎn)外，就位時(shí)還需要監(jiān)測(cè)所有接口位置提升位置，作為提升合攏的依據(jù)。

從經(jīng)模擬卸載過程的位移圖可以看出Y軸變形基本符合原設(shè)計(jì)，X軸在方向變化較大，可以采用反變形措施來控制，尤其是提升臨邊的3和29軸線。（Ⅰ、Ⅱ、③、Ⅳ、Ⅴ）一線的位移反變形曲線如圖示。按照第一級(jí)卸載位移線進(jìn)行反變形控制后位移變化的最終效果滿足基本要求，提升點(diǎn)個(gè)別位置出現(xiàn)了未恢復(fù)的位移，經(jīng)過處理后滿足需求。

圖17 、位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布

圖18 （Ⅰ、Ⅱ、③、Ⅳ、Ⅴ）一線的位移反變形

2.5 安全質(zhì)量措施

樓板保護(hù)措施和既有設(shè)備保護(hù)措施：在樓面上用油漆標(biāo)明鋼梁位置，便于承載。樓板上鋪設(shè)鋼板，對(duì)防水層進(jìn)行保護(hù)。對(duì)突出屋面的彩鋼小屋面設(shè)置鋼板硬防護(hù)。

土法安裝安全措施：進(jìn)行專項(xiàng)交底和培訓(xùn)，對(duì)三角支架在鋼梁上的固定設(shè)置防墜落措施。加強(qiáng)安全旁站，從事多年土法吊裝的工長(zhǎng)和安全員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)和監(jiān)督旁站。

塔吊基礎(chǔ)監(jiān)測(cè)和盲區(qū)吊裝措施：塔吊基礎(chǔ)每日進(jìn)行觀察和記錄運(yùn)行情況，每周進(jìn)行基礎(chǔ)的位移監(jiān)測(cè)和塔吊的垂直度監(jiān)測(cè)。對(duì)基礎(chǔ)下的既有結(jié)構(gòu)預(yù)先設(shè)置位移監(jiān)測(cè)觀察點(diǎn)，定期進(jìn)行觀測(cè)。

3 結(jié)論

本文詳細(xì)介紹了本工程施工方法的選取，并通過MIDAS軟件模擬整個(gè)網(wǎng)殼的提升過程，結(jié)合實(shí)際提升，得出提升卸載前后的網(wǎng)殼位移，與理論情況進(jìn)行比較，反證施工方法選取的合理性，經(jīng)研究得出以下結(jié)論：

（1）單層網(wǎng)殼的受力體系要明確，網(wǎng)殼提升和卸載過程的變形對(duì)最終成型的影響應(yīng)重點(diǎn)研究。要盡可能排除施工因素干擾，使得網(wǎng)殼的初始應(yīng)力應(yīng)接近設(shè)計(jì)狀態(tài)。網(wǎng)殼在各個(gè)施工階段的變形數(shù)值和形態(tài)要認(rèn)真分析，選擇最合適的反變形措施和數(shù)值，實(shí)際的位移監(jiān)測(cè)結(jié)果和理論分析結(jié)論數(shù)值在個(gè)別位置偏差較大（達(dá)到20mm），進(jìn)一步增加網(wǎng)殼的應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)，對(duì)網(wǎng)殼的貫口連接方式對(duì)位移的變化影響進(jìn)一步的研究。

（2）鬧市區(qū)施工受到的環(huán)境因素影響很大，選用傳統(tǒng)合理的施工方法能夠解決常規(guī)大型機(jī)械作業(yè)無法使用的難題。

（3）大型機(jī)械的選擇要靈活，創(chuàng)造性的提出可行方案，會(huì)解決很多環(huán)境受限的難題。