鋼拱支撐雙曲網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)應用

黃 虎 何昌杰 郭 節(jié) 楊 松

1.中建五局第三建設有限公司 湖南 長沙 410004；2.中建鋼構(gòu)有限公司 湖北 武漢 430000

目前越來越多的鋼結(jié)構(gòu)應用在建筑物的主要造型部位，其獨特的建造形式能給人帶來視覺上的沖擊。鋼結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)形式多樣，其中網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)作為鋼結(jié)構(gòu)形式中的一種，其造型新穎，能以流線型表達出建筑意圖，并適用于大跨度的結(jié)構(gòu)設計，因此應用越來越廣泛[1-3]。

雙曲網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)施工最主要的是精度保證及安裝過程中的變形與穩(wěn)定控制[4-6]。對雙曲網(wǎng)殼安裝技術(shù)的研究與應用，能夠推動鋼結(jié)構(gòu)安裝技術(shù)的發(fā)展，形成成套的解決方案。本文以長沙冰雪世界雙拱支撐雙曲網(wǎng)殼安裝為例，對雙曲網(wǎng)殼安裝技術(shù)的應用進行研究。

1 工程概況

長沙冰雪世界工程入口綜合樓屋蓋為雙曲網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，由4道鋼拱作為支撐。結(jié)構(gòu)高度約13.0 m，縱向長度30.0 m，橫向長度45.8 m，通過鋼拱支撐在底部混凝土短柱上（圖1）。構(gòu)件截面形式主要為箱形。其中鋼拱的截面為□600 mm×400 mm×30 mm×30 mm，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的鋼梁最大截面為□200 mm×120 mm×8 mm×16 mm。

圖1 綜合樓屋蓋雙曲網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)

2 雙曲網(wǎng)殼深化設計

本工程鋼屋蓋為曲面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，桿件主要為箱形截面，主要采用Tekla軟件建立三維模型進行深化設計。深化時按現(xiàn)場安裝順序分階段安排工作。引入先進的深化設計軟件用于三維制造數(shù)據(jù)拾取，進行構(gòu)件加工圖的繪制，確保深化設計的高效率和準確性。

3 雙曲網(wǎng)殼地面拼裝控制

本工程網(wǎng)殼采用在地面進行分單元拼裝，然后分片吊裝的施工方法。

1）拼裝前，根據(jù)結(jié)構(gòu)面各構(gòu)件的空間位置進行計算機實體模擬，建立拼裝胎架三維模型，定好拼裝單元某一點坐標后，依次推算出其余各胎架支撐部位的空間坐標，根據(jù)模型1∶1放樣設置方形拼裝胎架，采用平臥拼裝方法。

2）結(jié)構(gòu)面拼裝時，主要檢查各構(gòu)件的相對位置、桿件角度、接口尺寸和接縫、空間坐標、測量控制點位置等關鍵控制指標是否符合設計要求，為安裝提供準確的定位信息，確保安裝精度。

3）在安裝胎架之前，用水準儀全面測量平臺基準面的標高，確定測量基準面，根據(jù)在工廠制作構(gòu)件時的焊接工藝試驗，預先留出收縮量，拼裝完后進行檢查，確保精度。同時做好拼裝場地硬化工作，避免地面變形對拼裝精度產(chǎn)生不利影響。

4）根據(jù)結(jié)構(gòu)具體吊裝分片對鋼構(gòu)件進行現(xiàn)場拼裝。根據(jù)結(jié)構(gòu)線形設置拼裝胎架，并在地面放線。采用汽車吊進行拼裝，按放線位置布置。在沒有約束的條件下，檢測構(gòu)件分段間的端口情況，包括間隙、錯位、坡口、相對空間距離與方位。在驗收合格后，畫出對合線、中心線、水平線等標志，然后開始拼裝。

4 鋼拱及網(wǎng)殼安裝

4.1 鋼拱安裝

4.1.1 安裝方法概述

鋼拱是屋蓋網(wǎng)殼的主要支撐結(jié)構(gòu)，截面形式為空間彎扭結(jié)構(gòu)。鋼拱共有2組，每組包含2個單根支撐，在柱腳位置交會連接。由于鋼拱質(zhì)量大、長度長，故采用25 t汽車吊分段吊裝施工，在高空組裝點及鋼拱跨中頂點搭設支撐胎架，以保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

4.1.2 安裝分段

鋼拱支撐每榀分為3段進行吊裝，分段點在每榀離端部約1/4位置。先安裝鋼拱底部的2段構(gòu)件，臨時固定后，再安裝中部單段構(gòu)件，固定后，對整體鋼拱進行測量校正并焊接。

4.1.3 安裝流程

鋼拱的安裝流程（圖2）如下：安裝鋼拱臨時支撐胎架→根據(jù)鋼拱單元劃分，吊裝下部鋼拱→吊裝鋼拱頂部分段，在胎架上的操作平臺上進行組對焊接。

圖2 鋼拱安裝流程

4.2 鋼網(wǎng)殼安裝

4.2.1 安裝方法概述

上部網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)形式為正交網(wǎng)格，通過斜支撐與鋼拱進行連接。網(wǎng)殼4個角部位置分別與混凝土柱、混凝土樓層梁進行連接，根據(jù)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)形式及質(zhì)量，采用地面散件拼裝、分塊整體吊裝、嵌補桿件高空拼裝的方法進行安裝，安裝過程中進行施工計算模擬，并采取相應的臨時加強措施。選用25 t汽車吊進行地面拼裝作業(yè)，高空吊裝及桿件嵌補采用50 t汽車吊進行施工（圖3）。

圖3 網(wǎng)殼分塊吊裝示意

4.2.2 安裝分區(qū)

屋蓋網(wǎng)殼分10個單元塊進行吊裝（圖4），吊裝順序依次從①到⑩進行，區(qū)與區(qū)之間的連接桿件采用高空吊裝法進行施工。

圖4 網(wǎng)殼分區(qū)

4.2.3 安裝流程

鋼拱桁架安裝完成后，在鋼拱桁架上安裝與網(wǎng)殼連接的圓管支撐，再將網(wǎng)殼分單元吊裝至指定位置，并補裝連接桿件，將整個網(wǎng)殼部分安裝完成（圖5）。

圖5 網(wǎng)殼安裝流程

5 復雜節(jié)點焊接

網(wǎng)殼構(gòu)件箱形截面現(xiàn)場對接焊縫較多，焊接量很大，且節(jié)點復雜，焊接可操作性差，增加了焊接難度。在實際施工中，應制定合理的焊接工藝，并采取焊前預熱、層間溫度控制、焊后保溫等措施。同時，對復雜或有約束的焊接節(jié)點進行合理優(yōu)化，并設計出合理的坡口形式。

6 屋蓋網(wǎng)殼卸載

6.1 卸載條件

鋼網(wǎng)殼施工及連接桿件補充完成后，應在焊接完成并探傷合格的前提下，方可開始卸載。

6.2 卸載順序

整個網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)及鋼拱由12個胎架支撐，達到卸載條件后分2次進行卸載。按先卸載中部胎架，再卸載端部胎架的順序進行，即先卸載ZC2、ZC5、ZC8、ZC11，再卸載ZC1、ZC3、ZC4、ZC6、ZC7、ZC9、ZC10、ZC12（圖6）。

圖6 支撐胎架布置

6.3 卸載控制要點

1）卸載開始前，測量并記錄各個支撐點的標高。

2）卸載時，在鋼拱架跨中及端頭1/3處設置12個監(jiān)測點；在網(wǎng)殼上變形較大處布置20個監(jiān)測點，隨時監(jiān)測變形情況。

3）根據(jù)施工模擬計算，卸載下降的最大撓度為21 mm，卸載分2次緩慢進行。

4）卸載時通過割槍對鋼拱架下的支撐進行切割，每次切割長度宜控制在10 mm左右。

5）每卸載一次，對監(jiān)測點測量一次，并將數(shù)據(jù)進行比較，觀察下?lián)现担舸笥谟嬎愕?1 mm，則應停止卸載，觀察并查找原因。

6）由于底部的胎架支撐有彈性變形，因此在切割時割除量可能大于21 mm，其標高應以鋼拱架或網(wǎng)殼的標高為基準。

7）卸載完成后，記錄各個監(jiān)測點的最終值，并在48 h后再測量一次。

6.4 卸載模擬計算

根據(jù)卸載順序建立卸載結(jié)構(gòu)模型，相關計算結(jié)果敘述如下：

1）卸載階段位移情況。鋼屋蓋因卸載而產(chǎn)生的最大位移為3.3 mm，屋蓋卸載完成后的最終撓度為21.3 mm，滿足要求。

2）卸載階段應力情況。根據(jù)計算，卸載過程中及卸載完成后結(jié)構(gòu)構(gòu)件最大組合應力為137.2 MPa，小于材料設計強度310 MPa，滿足要求。

3）卸載階段構(gòu)件驗算比情況。卸載過程中及卸載完成后結(jié)構(gòu)構(gòu)件的應力驗算比均不大于0.45，小于構(gòu)件容許最大驗算比1.0，滿足要求。

4）計算結(jié)論。通過計算，入口綜合樓鋼拱及網(wǎng)殼在卸載過程中的變形增加量較小，且最終撓度也控制在合理范圍之內(nèi)；卸載過程及卸載后，強度、剛度滿足規(guī)范和施工精度要求，通過有限元分析可知，該卸載順序及方法是可行的。

7 結(jié)語

本工程雙拱支撐雙曲網(wǎng)殼采用地面散件拼裝、分塊整體吊裝、嵌補桿件高空拼裝的方法進行安裝。通過制定合理的支撐胎架安裝及卸載施工方法，并應用有限元計算軟件進行分析，將網(wǎng)殼屋蓋卸載后的變形及應力控制在允許范圍內(nèi)，順利地完成了該網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的安裝，確保了質(zhì)量和精度，取得了很好的社會效益。

該雙曲網(wǎng)殼安裝技術(shù)的應用，能夠減少大量的高空作業(yè)，安全風險小，且節(jié)約工期，具有一定的推廣與應用價值，能為類似工程提供參考。