裙擺形單層自由曲面鋼網(wǎng)格施工技術(shù)

皮淑萍 朱 江 邰鵬鳴 徐 剛

中億豐建設(shè)集團(tuán)股份有限公司 江蘇 蘇州 215131

1 工程概況

上海國際航空服務(wù)中心項目位于上海市徐匯區(qū)龍耀路與云錦路交叉口，由W-1B、X-1A、X-1B三棟建筑組成。其中X-1B為高層建筑，由裙樓及塔樓組成；塔樓地上39層，地下3層，建筑總高度199.9 m。

裙擺飄架位于X-1B主塔樓東、西、北三側(cè)及裙樓上方，主樓的桁架裙擺與裙樓屋面桁架為一個封閉的整體，呈豎向立體的環(huán)形狀，猶如一條飄動的裙擺。裙擺飄架結(jié)構(gòu)采用自由曲面四邊形空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)體系，空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜。裙擺飄架的鋼桁架結(jié)構(gòu)通過支撐桿件體系與塔樓框架結(jié)構(gòu)連接，下部由具有空間多向擴(kuò)展?fàn)钪U支撐的樹形柱支撐在裙樓屋頂，組成一個巨大的裝飾結(jié)構(gòu)（圖1）。

整個網(wǎng)格結(jié)構(gòu)投影長度約為176 m，寬度為12～50 m，飄架最大結(jié)構(gòu)安裝高度為79.25 m，總投影面積約為5 604 m2，主要包括樹形柱、弧形柱、上部空腹桁架梁、主梁、連系次梁、邊梁、拉索等結(jié)構(gòu)體系。樹形柱下部主桿為下大上小分節(jié)鋼管組合柱，中部為鑄鋼枝桿轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，上部為多向空間延展弧形鋼管結(jié)構(gòu)柱及鋼管組合桁架。

圖1 裙擺飄架效果圖

現(xiàn)場主桁架間距為2～5 m，整體由上向下呈現(xiàn)空間曲面擴(kuò)展造型，在塔樓各樓層與裙擺桁架結(jié)構(gòu)的主桁架梁間設(shè)置有支撐結(jié)構(gòu)體系，作為裙擺桁架與塔樓主結(jié)構(gòu)連接的加強(qiáng)支撐。下部由承托在地面、塔樓4層、裙樓各層樓面結(jié)構(gòu)上的樹形柱結(jié)構(gòu)將荷載豎向傳遞到下部的結(jié)構(gòu)框架。

2 曲面鋼網(wǎng)格結(jié)構(gòu)施工的重點及難點分析

1）裙擺形單層自由曲面鋼網(wǎng)格結(jié)構(gòu)構(gòu)件數(shù)量多、跨度大、高度高，空間位置復(fù)雜多變，同時施工工期緊，對現(xiàn)場安裝的精度要求較高[1]。如何通過選擇合理、高效的施工順序及方法，減少累積誤差，并使結(jié)構(gòu)安裝可以快速就位是本工程的重點。

2）裙擺形單層自由曲面鋼網(wǎng)格受運(yùn)輸條件及吊裝設(shè)備的影響，采用設(shè)置臨時支撐、分塊安裝的方法。由于構(gòu)件數(shù)量很多，結(jié)構(gòu)空間位置復(fù)雜，安裝時臨時支撐的精準(zhǔn)定位是本項目的一大難點[2]。

3）在飄架結(jié)構(gòu)各區(qū)焊接及涂裝等作業(yè)完成后，對飄架結(jié)構(gòu)進(jìn)行卸載，整體結(jié)構(gòu)由安裝胎架承力的施工狀態(tài)轉(zhuǎn)換為鑄鋼樹形柱承力的設(shè)計狀態(tài)。為確保受力體系轉(zhuǎn)換過程的安全，選擇合理的卸載順序及方法，并對卸載過程進(jìn)行模擬，驗證卸載方法的可行性是本項目的又一大難點。

3 單層自由曲面鋼網(wǎng)格結(jié)構(gòu)施工方案選擇

常規(guī)鋼結(jié)構(gòu)安裝方法有：整體吊裝、提升、滑移、高空散拼、分塊吊裝等。由于本工程的特點，結(jié)構(gòu)整體由點部水平支撐、多向弧形樹狀柱支撐，整體吊裝，提升、滑移等施工方法，不適用本工程。在施工方案選擇時，只對高空散拼、分塊吊裝進(jìn)行了對比分析。

3.1 高空散拼方法

采用搭設(shè)滿堂支撐架作為支撐體系，將網(wǎng)格分為小段散件，利用起重設(shè)備進(jìn)行吊裝，在空中進(jìn)行構(gòu)件拼裝。

其優(yōu)點表現(xiàn)為：施工簡單方便，對吊裝機(jī)械要求較低；有足夠的施工平臺，便于誤差的調(diào)整；采用腳手架作為支撐體，搭設(shè)經(jīng)驗可靠，支撐點多，便于網(wǎng)格的定位；可以利用腳手架頂托進(jìn)行卸載，卸載點多，卸載過程平緩，危險度較低。

其缺點表現(xiàn)為：完全散裝造成現(xiàn)場安裝單元數(shù)量大幅增多，現(xiàn)場塔吊壓力大增，無法控制工期；對下部場地要求較高，施工期間支撐面底部無法進(jìn)行其他作業(yè)，同時完全散裝會造成桿件對接接頭增多，誤差累積次數(shù)變多，控制難度大；腳手架搭設(shè)周期長，不利于工期把控，同時由于支撐面較廣，高度較高，故腳手架搭拆費用也較高；支撐體系固定，很難消除弧形部位產(chǎn)生的側(cè)向力影響；卸載點多，卸載過程較長，影響工期。

3.2 分塊安裝方法

對結(jié)構(gòu)進(jìn)行分塊，在工廠分塊加工，在結(jié)構(gòu)合適的位置搭設(shè)臨時支撐，在現(xiàn)場進(jìn)行分塊吊裝。

其優(yōu)點表現(xiàn)為：減少了現(xiàn)場的吊次，節(jié)約了施工工期，減少了構(gòu)件的對接接頭及對接產(chǎn)生的誤差累積次數(shù)；臨時支撐體系安裝快捷，周轉(zhuǎn)方便，同時可以利用貝雷架等成品單元設(shè)計支撐體系，頂部構(gòu)造可以自由設(shè)計，滿足網(wǎng)格不同造型、弧度的要求；卸載點相對較少，卸載過程較短。

其缺點表現(xiàn)為：對起重機(jī)械的要求較高，會產(chǎn)生較高的機(jī)械費；需要針對支撐位置結(jié)構(gòu)形式及場地情況，單獨設(shè)計針對性的支撐上下部構(gòu)造，無法利用成品單元，會產(chǎn)生一定的費用；由于上部施工操作平臺較少，故除了驗算合格的受力支撐架體外，還需設(shè)置輔助架體，用于工人施工；卸載點相對較少，卸載過程具有一定的風(fēng)險，需要通過模擬分析，來驗證卸載順序及卸載位置是否合理，同時需要做好卸載過程的監(jiān)控。

3.3 施工方案選定

根據(jù)估算，大型吊裝機(jī)械的機(jī)械費與滿堂支撐架增加的措施費相差不大，結(jié)合本工程現(xiàn)場的大型塔吊布置及現(xiàn)場場地情況，考慮本工程對工期及安裝精度的要求較高，選擇分塊吊裝的方法。同時需要著重控制風(fēng)險較高的網(wǎng)格卸載。

本工程安裝的基本思路為：對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行區(qū)域劃分，再對區(qū)域進(jìn)行吊裝單元的劃分，然后分塊吊裝，在合攏段消除施工誤差，最后進(jìn)行分區(qū)域卸載。

4 單層自由曲面鋼網(wǎng)格結(jié)構(gòu)安裝

4.1 曲面鋼網(wǎng)格區(qū)域劃分及安裝步驟

4.1.1 區(qū)域劃分

為了控制結(jié)構(gòu)的安裝變形，根據(jù)塔樓裙擺及裙樓屋蓋鋼桁架結(jié)構(gòu)及現(xiàn)場的施工情況，進(jìn)行分區(qū)、分塊安裝，并且設(shè)置合理的合攏段，在合理時機(jī)下進(jìn)行合攏。將結(jié)構(gòu)整體分為3個大區(qū)，分別為A區(qū)塔樓裙擺鋼桁架、B區(qū)裙樓屋蓋鋼桁架以及結(jié)構(gòu)合攏區(qū)[3]。

將A區(qū)塔樓周邊裙擺區(qū)域分為A1—A5共5個小區(qū)（圖2），施工順序為先順時針方向施工A1區(qū)域→A2區(qū)域→A3區(qū)域，A3區(qū)域作業(yè)完成后，再進(jìn)行A4區(qū)域的桁架結(jié)構(gòu)安裝，在塔樓A5區(qū)域施工電梯的拆除作業(yè)完成后，進(jìn)行塔樓A5區(qū)域桁架結(jié)構(gòu)的安裝；B區(qū)裙樓屋蓋鋼桁架分為B1—B5共5個小區(qū)，安裝順序為由B1→B5區(qū)域；最后進(jìn)行合攏段的安裝。

圖2 裙擺鋼桁架分區(qū)示意

4.1.2 安裝步驟

1）主塔樓及裙房主結(jié)構(gòu)施工完成后，先進(jìn)行主樓上部裙擺桁架的安裝（圖3），采用型鋼懸挑腳手架作為臨時支撐體系，為施工提供作業(yè)面。臨時支撐搭設(shè)完成后，利于塔吊等起重設(shè)備對A區(qū)的上部桁架進(jìn)行分塊安裝，然后采用格構(gòu)式臨時支撐體系進(jìn)行下部桁架的施工。

圖3 主塔樓裙擺鋼桁架安裝示意

2）主塔樓裙擺桁架安裝完成后，進(jìn)行裙房桁架的安裝，在合適的位置搭設(shè)格構(gòu)式臨時支撐體系，先安裝鋼柱，然后安裝桁架及中間的嵌補(bǔ)桿件。

3）待A區(qū)主塔樓及B區(qū)裙房屋面的桁架安裝完成后，進(jìn)行合攏區(qū)域桁架結(jié)構(gòu)的安裝。設(shè)置合攏區(qū)域，對合攏區(qū)域尺寸進(jìn)行現(xiàn)場復(fù)測，針對復(fù)測結(jié)果對合攏區(qū)構(gòu)件長度進(jìn)行調(diào)整，可有效減少由于施工累積誤差帶來的影響。

4）由于飄架結(jié)構(gòu)為大跨度異形鋼結(jié)構(gòu)，溫度變化將在結(jié)構(gòu)中引起很大的內(nèi)力和變形，對結(jié)構(gòu)的安全性產(chǎn)生顯著的影響。為保證結(jié)構(gòu)使用過程中的安全，必須選擇合適的合攏溫度。

4.2 臨時支撐體系

進(jìn)行飄架整體結(jié)構(gòu)施工時，在主桁架下部搭設(shè)的臨時支撐胎架體系，分為主受力架體及施工輔助架體。主受力架體為上部主結(jié)構(gòu)在卸載之前結(jié)構(gòu)的受力體系，輔助架體為主、次結(jié)構(gòu)安裝及施工人員行走焊接及油漆修補(bǔ)等提供足夠作業(yè)面。

裙樓范圍及主樓周邊桁架結(jié)構(gòu)安裝時，具備落地條件的部分使用格構(gòu)式支撐體系[4]。格構(gòu)式支撐采用的是標(biāo)準(zhǔn)節(jié)為3.0 m×1.4 m的貝雷片支撐架，貝雷支撐柱下部采用植筋與樓板相連，頂部設(shè)置可以調(diào)節(jié)高度的轉(zhuǎn)換支托裝置，以滿足實際工程中對不同轉(zhuǎn)換高度的要求，在安裝時使用千斤頂對組合桁架位置進(jìn)行微調(diào)。

胎架頂部的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)與組合桁架單元中主桁架梁的接觸受力點應(yīng)設(shè)在主桁架梁的腹桿位置，或設(shè)置到主桁架梁的上弦位置（圖4）?，F(xiàn)場承重胎架設(shè)置時，為進(jìn)行合理的受力分配，承重胎架定位對應(yīng)下部混凝土框架結(jié)構(gòu)平面中的混凝土柱梁位置，另外，在胎架的底部設(shè)置縱、橫向的型鋼平臺底座，以增大與混凝土框架的接觸面，減少承重胎架對樓面的單位面積荷載[5]。

圖4 支撐胎架與主桁架梁支撐設(shè)置示意

現(xiàn)場承重胎架的布置如圖5所示，圖中黑色方塊位置為根據(jù)相應(yīng)樓面混凝土柱梁布置定位的現(xiàn)場承重受力胎架位置示意。

圖5 X-1B塔樓裙擺鋼桁架安裝貝雷支撐點示意

上部轉(zhuǎn)換調(diào)整支撐拆除時，采用千斤頂將構(gòu)件頂起，將頂托切割后，千斤頂卸力，桁架結(jié)構(gòu)自然回落，由樹形柱、弧形柱受力。

為了滿足構(gòu)件的安裝精度要求，在搭設(shè)臨時支撐時，需要保證臨時支撐定位精準(zhǔn)，減少不必要的誤差。根據(jù)模型中放樣的胎架情況制作出胎架現(xiàn)場安裝定位圖，以指導(dǎo)現(xiàn)場胎架施工。臨時支撐就位時調(diào)整好平面位置及豎向垂直度，并緊固標(biāo)準(zhǔn)節(jié)連接銷軸。

4.3 飄架合攏控制

本項目飄架結(jié)構(gòu)為大跨度異形鋼結(jié)構(gòu)，由于溫度變化會產(chǎn)生不可忽視的溫度應(yīng)力，采取合適的合攏溫度是避免溫度有較大變化幅度時而產(chǎn)生過大的附加應(yīng)力的一種施工控制手段。

結(jié)構(gòu)合攏時鋼結(jié)構(gòu)本體溫度應(yīng)滿足設(shè)計單位提出的合攏溫度要求，以保證整個結(jié)構(gòu)能夠安全運(yùn)行。本項目飄架鋼結(jié)構(gòu)的安裝過程，采用塔樓A區(qū)與裙房B區(qū)分開安裝再結(jié)合的方法，即先將結(jié)構(gòu)在高空先拼裝成2個各自獨立的板塊，為保證結(jié)構(gòu)使用過程中的安全，必須選擇合適的合攏溫度，溫度變化將在結(jié)構(gòu)中引起很大的內(nèi)力和變形，對結(jié)構(gòu)的安全性將產(chǎn)生顯著的影響，必須對鋼結(jié)構(gòu)合攏采取一系列的控制措施。

1）合攏溫度的確定。本工程設(shè)計要求安裝校準(zhǔn)溫度（結(jié)構(gòu)合攏溫度）為22 ℃±2 ℃，即20～24 ℃。按往年氣溫變化情況，現(xiàn)場滿足設(shè)計要求的安裝校準(zhǔn)溫度的時間，約處于2018年4月下旬—2018年5月上旬和2018年9月下旬，按整體施工進(jìn)度安排，合攏段施工約在9月份。

2）合攏溫度的測量。合攏時鋼結(jié)構(gòu)本體溫度是結(jié)構(gòu)的整體溫度，為確切掌握整個屋蓋鋼結(jié)構(gòu)的溫度分布情況，以及不同部位鋼結(jié)構(gòu)實際溫度同氣溫的對應(yīng)關(guān)系，確定最佳的合攏時機(jī)，該系統(tǒng)測溫范圍為－5～120 ℃，測試精度為±1 K，根據(jù)結(jié)構(gòu)安裝合攏區(qū)的合攏位置情況設(shè)置不少于8處溫度測試點，結(jié)構(gòu)外側(cè)相應(yīng)布置4個點，另在飄架結(jié)構(gòu)范圍外布置1個點（圖6）。溫度測試在合攏前2 d開始進(jìn)行全天24 h跟蹤監(jiān)測，并覆蓋合攏過程的所有工作，為獲得連續(xù)的測量資料，每間隔0.5～1.0 h讀取各測量點的溫度信息，并形成數(shù)據(jù)文件，重點對各測量點的夜間溫度進(jìn)行整理分析，以獲取夜間鋼結(jié)構(gòu)整體溫度的具體數(shù)值和分布情況。

圖6 結(jié)構(gòu)合攏時測溫點布置示意

3）合攏安裝要點控制。盡量選擇在與合攏溫度相近或低于該溫度的條件下進(jìn)行安裝，以方便構(gòu)件的進(jìn)擋，控制合攏時的坡口間隙，該間隙大小要考慮溫度變形計算結(jié)果和焊接收縮變形，以減少合攏口的焊接量和焊接殘余應(yīng)力，確保焊接口的焊接質(zhì)量。如達(dá)不到預(yù)定的焊接要求，可調(diào)整合攏段，先焊一端的坡口間隙。同時，對合攏口的錯邊量也要加以控制，以保證合攏的順利進(jìn)行。

盡量采用小間隙安裝法，避免合攏時合攏口間隙過大。為確保合攏口在施工過程中因溫度變化而自由收縮，合攏口采用主桁架臨時對接連接器連接（圖8），該節(jié)點連接器在主桁架梁焊接并檢查合格后再行去除。

圖8 飄架合攏節(jié)點

5 飄架卸載及監(jiān)測

在飄架結(jié)構(gòu)各區(qū)焊接及涂裝等作業(yè)完成后，按擬定卸載方案進(jìn)行分區(qū)卸載作業(yè)，飄架結(jié)構(gòu)由安裝胎架承力的施工狀態(tài)轉(zhuǎn)換為鑄鋼樹形柱承力的設(shè)計狀態(tài)。

5.1 卸載順序

裙擺鋼桁架結(jié)構(gòu)采用同步分區(qū)卸載，整體按塔樓A區(qū)→裙房B區(qū)→合攏段C區(qū)的順序，由內(nèi)側(cè)向外側(cè)（近塔樓位置向遠(yuǎn)離塔樓位置）的方向進(jìn)行卸載。

5.2 卸載過程分析

采用Midas對整個卸載過程進(jìn)行分析，分析結(jié)果如下：

1）A區(qū)臨時支撐拆除，此時結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值為69.9 MPa，滿足強(qiáng)度要求；結(jié)構(gòu)最大豎向變形值為8.8 mm，最大位移出現(xiàn)在A區(qū)水平段的跨中位置及組合段構(gòu)件跨中，而C區(qū)組合段構(gòu)件跨中變形與A、B區(qū)相比則小很多。

2）拆除B區(qū)除封邊梁位置外的其余支撐，包括三角桁架支撐。支撐拆除后，最大應(yīng)力值為91.8 MPa，滿足強(qiáng)度要求；結(jié)構(gòu)最大豎向變形值為9.25 mm，因三角桁架結(jié)構(gòu)自重大、跨度大，在跨中位置形成縱橫向大跨度無支撐區(qū)域，故最大位移出現(xiàn)在三角桁架跨中位置。

3）拆除所有臨時支撐，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值為99.3 MPa，滿足強(qiáng)度要求；結(jié)構(gòu)最大豎向變形值為21 mm，最大位移出現(xiàn)在A區(qū)封邊梁橫向跨中位置。因為封邊梁橫向跨度大，結(jié)構(gòu)在縱向末端剛度小。

4）根據(jù)上述分區(qū)卸載的分析，在卸載過程中飄架的強(qiáng)度和變形都在規(guī)范允許的范圍內(nèi)，卸載過程整體安全，卸載方案合理。

5.3 卸載過程臨時支撐監(jiān)測和結(jié)構(gòu)監(jiān)測

為了保證安全有序地卸載，在卸載過程中需要對臨時支撐及桁架整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行變形監(jiān)測。在鋼桁架結(jié)構(gòu)上設(shè)置卸載監(jiān)控點。臨時支撐的監(jiān)測點設(shè)在頂部平臺的角點，桁架結(jié)構(gòu)監(jiān)測點布置在變形較大區(qū)域的上弦節(jié)點外側(cè)。

卸載完成后，監(jiān)測點的變形值均在規(guī)范的允許范圍內(nèi)，裙擺形單層自由曲面鋼網(wǎng)格的施工取得了良好效果。

6 結(jié)語

針對裙擺形單層自由曲面鋼網(wǎng)格的結(jié)構(gòu)特點和現(xiàn)場的實際條件，對結(jié)構(gòu)采用了合理的分區(qū)、分塊安裝方法，并設(shè)置合攏區(qū)，減少了累積誤差。同時選擇了合適的臨時支撐體系，且對整個卸載過程進(jìn)行有限元分析，為分區(qū)、分塊安裝的合理性提供了技術(shù)依據(jù)。

經(jīng)過現(xiàn)場項目部逾140 d的努力，桁架安裝過程順利，卸載后各測量點與原設(shè)計坐標(biāo)接近，裙擺形單層自由曲面鋼網(wǎng)架的安裝取得了良好的效果，為后續(xù)類似項目實施提供了參考。