平面桁架與單層網(wǎng)殼組合結(jié)構(gòu)采光頂施工技術(shù)

吳 博 陳小晶 劉 成 周春娟 蘇東升 柳明亮

(1.陜西建工鋼構(gòu)集團有限公司，陜西 西安 710032; 2.陜西省建筑科學研究院有限公司，陜西 西安 710082)

1 概述

本工程采光頂縱向115 m，橫向35.4 m，基本結(jié)構(gòu)由45 m直徑的單層網(wǎng)殼、最大跨度為20 m的平面桁架與20根φ800×20的鋼柱組成(如圖1所示)?？臻g屋蓋結(jié)構(gòu)體系由兩部分組成：兩側(cè)由方管平面桁架結(jié)構(gòu)組成，桁架沿橫向布置，與鋼管柱相貫連接，鋼管柱與混凝土柱利用橡膠墊支座連接；中間部位為單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，網(wǎng)殼的節(jié)點為不同桿件焊接形成的相貫節(jié)點，網(wǎng)殼跨中由4根間距20 m的φ800×20鋼柱支撐，外環(huán)兩側(cè)與8根混凝土柱通過鋼柱相連接，鋼柱下部與混凝土柱連接，上部通過4根伸出鋼柱的鋼支撐與單層網(wǎng)殼連接；圖2為單榀平面桁架圖，其跨度約20 m，桁架自身高度1.5 m，桁架上下弦桿及腹桿均由箱型鋼桿件組成。

2 施工方案比選

該工程平面桁架與單層網(wǎng)殼組合結(jié)構(gòu)的安裝方法主要有結(jié)構(gòu)滑移法、整體頂升法、整體吊裝法、地面拼裝法和分塊安裝法等。通過對采光頂?shù)慕ㄖY(jié)構(gòu)特性、現(xiàn)場施工條件、起重設(shè)備性能和場地綜合布置等情況分析，得出本工程宜采用地面拼裝法和分塊安裝法相結(jié)合的施工方法。如表1所示，從技術(shù)性與經(jīng)濟性兩方面對所采用的安裝方法進行對比，結(jié)合兩種安裝方法的優(yōu)點對結(jié)構(gòu)不同部位采取不同的安裝方法，在保證施工安全的前提下提高經(jīng)濟效益和施工效率。

表1 兩種安裝方法技術(shù)經(jīng)濟特征比較

3 關(guān)鍵施工技術(shù)

3.1 施工工藝流程

構(gòu)件制作與加工→鋼桁架拼裝→鋼構(gòu)件涂裝→基礎(chǔ)施工→鋼柱吊裝→主桁架安裝→次桁架安裝→中庭單層網(wǎng)殼安裝→校正→檢驗→焊縫焊接→監(jiān)理工程師檢查→檢驗合格→卸載→驗收。

3.2 構(gòu)件制作要點

3.2.1桿件加工

雖然本工程所用桿件均為等截面直桿，但是為了保證加工質(zhì)量，加之考慮拋光、除銹等工藝實施的便利性，所有桿件均采用工廠加工。對相貫鋼管的切割來說，其程序的編制極為重要。首先編程人員根據(jù)圖紙用Xsteel或AUTOCAD軟件建立三維線框模型，不同的管徑用不同的顏色表示，這是計算機放樣的基礎(chǔ)，放樣人員對其進行嚴格的復(fù)檢，要求建模必須正確。

線框模型建立后按顏色設(shè)置相應(yīng)的管徑；輸入焊接收縮余量及機械切割余量；再按照制作要領(lǐng)書選擇正確的加工設(shè)備，切割速度、坡口角度等工藝元素，并由專人對切割數(shù)據(jù)進行認真仔細的復(fù)查；最后根據(jù)材料規(guī)格進行合理的套料，即可將放樣程序下發(fā)班組，分批實施切割。如果每批切割的桿件數(shù)量較多，可先試切割一根，進行外形尺寸的檢查，確認無誤后再進行大批量的切割。

3.2.2鋼管對接

受拉情況下，外徑相同厚度不同的鋼管對接，對接接頭允許厚度差值(t1-t2)不超過表2的規(guī)定時，焊縫坡口的基本形式與尺寸按較厚板的尺寸數(shù)據(jù)來選取；超過表2規(guī)定時，應(yīng)將較厚板的接頭處在焊接前加工成坡度為1∶4的斜坡。

表2 受拉對接接頭鋼管厚度差限值表

3.2.3支座板加工

支座加工按下述工藝過程進行：支座肋板和底板下料→支座底板鉆孔→支座肋板與底板、肋板與肋板、肋板與球組裝焊接→涂裝。鋼板采用自動切割機下料，下料長度誤差(含板寬)±1.0 mm。肋板與底板、肋板與肋板的焊接采用CO2氣體保護焊或手工電弧焊，并按設(shè)計要求對已焊接構(gòu)件進行防腐前處理和防腐處理。

3.3 現(xiàn)場拼裝

圖3為胎架拼裝示意圖，場地平整好后，先在相應(yīng)位置畫好地樣線，按照地線的位置搭設(shè)胎架。胎架布設(shè)好后，采用地面拼裝法進行桁架拼裝。如圖4所示，桁架拼裝時先拼裝上下弦桿，此施工步應(yīng)注意對準中軸線，控制節(jié)點的位置、弦桿的平行度和兩弦桿的間距，以保證桁架的外形尺寸；再拼裝桁架斜腹桿，應(yīng)注意與弦桿和第一根腹桿節(jié)點相貫線對齊。

3.4 平面桁架與單層網(wǎng)殼組合結(jié)構(gòu)吊裝

平面桁架與單層網(wǎng)殼組合結(jié)構(gòu)吊裝施工流程如下：

1)待土建基礎(chǔ)施工完畢后測量并埋入外包柱腳，等外包混凝土達到強度后吊裝鋼柱；2)鋼柱吊裝完成后開始吊裝第一榀主桁架；3)吊裝與第一榀主桁架相鄰的主桁架及連接兩榀主桁架之間的次桁架；4)按順序吊裝其他桁架并安裝中庭單層網(wǎng)殼跨中鋼柱的支撐；5)吊裝中庭單層網(wǎng)殼；6)按照以上方法完成其他榀桁架吊裝，進行卸載。

3.4.1平面桁架安裝

平面桁架共計10榀，將一榀桁架分為三段采用分塊安裝法吊裝，分段重量分別為3.5 t,3 t,3 t，最長分段跨度20 m，吊裝高度為30 m，其余橫梁及屋面支撐等桿件截面較小，重量較輕。平面主桁架全部采用一臺汽車吊吊裝，吊點設(shè)置在平面桁架兩段跨中位置；對于重量較小的次桁架，吊裝時夾角不得大于90°。桁架綁好后，吊裝離地50 cm左右暫停，觀察其是否水平，檢查無誤后正式起吊。將第一榀主桁架連接至鋼柱，完成初步焊接穩(wěn)定后，再依次安裝剩余主桁架與連接次桁架。

3.4.2單層網(wǎng)殼安裝

中庭單層網(wǎng)殼部分直徑為45 m，在地面區(qū)域整體拼裝成型，整體重量為26 t×1.1(安全系數(shù))=28.6 t。單層網(wǎng)殼內(nèi)部先采用地面拼裝法，完成拼裝后利用3臺吊機整體吊裝，吊裝就位時利用中庭單層網(wǎng)殼跨中4根鋼柱伸出的4根支撐和29 m直徑區(qū)域中心點的臨時支撐共同支撐網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。區(qū)域外圍采用分塊安裝法，分六步進行地面分塊拼裝，對安裝好的分塊構(gòu)件進行整體連接，與中間圓環(huán)形成閉合的殼體結(jié)構(gòu)，最后完成其他桁架吊裝。中庭單層網(wǎng)殼具體吊裝施工步如圖5所示。

3.5 施工過程仿真分析

以結(jié)構(gòu)自重1.1倍的放大系數(shù)對整個施工過程采用有限元軟件Midas Gen進行仿真分析，通過建立施工過程結(jié)構(gòu)的邊界組、結(jié)構(gòu)組和荷載組，對每一施工步結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力進行模擬計算。根據(jù)施工過程仿真分析計算得出每一階段結(jié)構(gòu)的構(gòu)件內(nèi)力、支點處反力以及變形值等，進而可以控制結(jié)構(gòu)施工精度及判斷構(gòu)件受力狀態(tài)，使結(jié)構(gòu)施工滿足設(shè)計要求，確保方案的安全可行。如圖6，圖7所示，整個桁架施工完成卸載后結(jié)構(gòu)的最大拉應(yīng)力為71.98 MPa，最大壓應(yīng)力為-85.22 MPa，結(jié)構(gòu)的豎向最大撓度為18.21 mm，均滿足設(shè)計要求。

4 結(jié)語

本文結(jié)合樂華城拉福德中心一期采光頂屋蓋鋼結(jié)構(gòu)安裝工程，對其關(guān)鍵施工技術(shù)進行研究。從施工方案比選、施工工藝流程、構(gòu)件制作、現(xiàn)場拼裝、結(jié)構(gòu)吊裝、施工過程仿真分析等方面進行總結(jié)，為后期同類型鋼結(jié)構(gòu)的施工積累了寶貴的經(jīng)驗。