大跨度異形鋼結(jié)構(gòu)分區(qū)安裝施工關(guān)鍵技術(shù)研究與工程實踐

曹 靖 （安徽富煌鋼構(gòu)股份有限公司，安徽 合肥 238076）

1 工程概況

該會展中心整體尺寸為縱向145m，橫向83m，地上一層，局部設(shè)置夾層。屋蓋采用大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)體系，屋蓋最高點32m，平均高度約23m，建筑面積約6453m2，主要功能為展覽空間，夾層為辦公區(qū)域。

圖1 項目全貌

會展中心屋蓋整體外形呈漩渦狀，屋蓋主體結(jié)構(gòu)由徑向變截面鋼梁和螺旋狀環(huán)梁組成，底部由29根Y型鋼柱支撐整個屋蓋鋼結(jié)構(gòu)。屋蓋荷載由主徑向鋼梁傳遞至Y型鋼柱，再傳遞至地下室基礎(chǔ)；徑向主梁又由內(nèi)環(huán)梁和外圈環(huán)梁以螺旋線形式連接，形成一個穩(wěn)定的主體結(jié)構(gòu)體系。主體構(gòu)件之間再通過布置次構(gòu)件以加強(qiáng)屋蓋平面內(nèi)的穩(wěn)定性。

在屋蓋內(nèi)環(huán)梁中部設(shè)置輪輻式天窗，天窗中部壓力環(huán)與屋蓋內(nèi)環(huán)梁由20根發(fā)散性箱型鋼梁及次構(gòu)件剛接連接。天窗荷載由徑向鋼梁由內(nèi)而外傳遞到屋蓋內(nèi)環(huán)梁，天窗內(nèi)部環(huán)梁和次要構(gòu)件保證結(jié)構(gòu)平面內(nèi)穩(wěn)定。

2 整體施工流程

2.1 施工區(qū)域劃分

屋蓋鋼結(jié)構(gòu)分為A區(qū)、B區(qū)和天窗三個施工區(qū)域。A區(qū)包含X1～X5軸和X22～X29軸區(qū)域鋼結(jié)構(gòu)，B區(qū)包含X6～X21軸區(qū)域鋼結(jié)構(gòu)，并設(shè)置兩條施工合攏縫，分別位于X5～X6軸和X21～X22軸。

2.2 安裝總體思路

根據(jù)屋蓋結(jié)構(gòu)傳力特點，結(jié)合會展中心鋼結(jié)構(gòu)施工工期及施工現(xiàn)場平面布置，我司采用局部搭設(shè)支撐胎架，大型履帶吊“分段吊裝+分塊吊裝”相結(jié)合方案進(jìn)行屋蓋鋼結(jié)構(gòu)安裝。屋蓋主徑向梁、連續(xù)圈梁及內(nèi)環(huán)梁采用大型履帶吊“分段吊裝”方案；屋蓋次徑向和環(huán)向鋼梁采用大型履帶吊“分塊吊裝”方案，其他散件單件安裝。

2.3 施工安裝順序

首先進(jìn)行地下鋼柱和Y型鋼柱的安裝。地下鋼柱預(yù)埋采用1臺50t汽車吊環(huán)場進(jìn)行地下鋼柱安裝，待土建結(jié)構(gòu)出地面后，采用2臺QUY300履帶吊（主臂48m）環(huán)場進(jìn)行地上Y型鋼柱安裝。然后進(jìn)行屋蓋鋼結(jié)構(gòu)的安裝。

屋蓋支撐鋼柱安裝完成后，先搭建臨時支撐胎架。主要設(shè)置在主徑向鋼梁、內(nèi)環(huán)梁、圈梁分段處及天窗壓力環(huán)分塊單元下部，然后安裝屋蓋天窗鋼結(jié)構(gòu)，再進(jìn)行A區(qū)和B區(qū)施工。A區(qū)和B區(qū)安裝順序均為順時針安裝，主體結(jié)構(gòu)領(lǐng)先次結(jié)構(gòu)吊裝，次結(jié)構(gòu)領(lǐng)先散件安裝。待屋蓋A區(qū)和B區(qū)均合攏施工完成后，利用千斤頂進(jìn)行支撐胎架的卸載。

圖2 屋蓋結(jié)構(gòu)體系及分區(qū)

圖3 現(xiàn)場施工安裝示意圖

圖4 典型拼裝單元及分區(qū)原則示意圖

3 關(guān)鍵技術(shù)與施工工藝

在項目的實施過程中，涉及多個關(guān)鍵部分工序。其中分塊單元構(gòu)件的吊裝工程貫穿始終，分塊分段的合理性對工期有顯著影響，材料的受力變形控制直接影響安裝精準(zhǔn)度；胎架作為臨時支撐結(jié)構(gòu)體系，其變形監(jiān)測控制是重中之重；在屋蓋鋼結(jié)構(gòu)的收尾階段，合攏工作關(guān)乎工程最終成形形態(tài)和質(zhì)量。為此，在項目的施工過程中，多次運用計算機(jī)數(shù)值分析和仿真分析，配以空間測量、三維激光掃描等關(guān)鍵技術(shù)手段，多管齊下確保項目精準(zhǔn)施工落地。關(guān)鍵技術(shù)與施工工藝闡述如下。

3.1 屋蓋主次結(jié)構(gòu)分塊/分段吊裝方案設(shè)計

3.1.1 鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場分段原則

本工程共有29根Y型屋蓋支撐鋼柱，柱底均為地下室基礎(chǔ)面-3.75m，柱頂標(biāo)高各不相同，隨屋蓋外圈環(huán)梁螺旋線逐漸變化，主要為-0.75m往上1.2m，其中 X-6、X-15、X-24斷點為-0.4m（便于機(jī)械進(jìn)出）。地下施工階段，首節(jié)鋼柱采用1臺50t汽車吊進(jìn)行安裝。

屋蓋共有29榀主徑向梁，主徑向梁與下部Y型柱連接，形成屋蓋的主體結(jié)構(gòu)。對于單層大跨度鋼結(jié)構(gòu)而言，大量使用胎架不利于把控拆除胎架時間；而高空焊接由于仰角大，焊接面大，工人操作條件差，焊縫質(zhì)量得不到保證。這兩項工程量都應(yīng)力求減少。根據(jù)A區(qū)和B區(qū)吊裝主徑向梁所使用的吊機(jī)性能，我司合理進(jìn)行主徑向梁的吊裝分段，盡量減少高空焊接量及支撐胎架使用量，達(dá)到操作方便及經(jīng)濟(jì)合理的要求。

3.1.2 鋼結(jié)構(gòu)地面拼裝方案

據(jù)鋼結(jié)構(gòu)施工方案結(jié)合現(xiàn)行道路的運輸規(guī)定，單車最大允許運輸構(gòu)件的范圍為2.8m（寬度）×3.2m（高度）×16m（長度）。根據(jù)屋蓋結(jié)構(gòu)形式，將構(gòu)件分段成運輸范圍內(nèi)以散件形式發(fā)運至現(xiàn)場。將徑向主梁第一分段與Y型柱在地面拼裝成整體后吊裝，其余徑向主梁和環(huán)向鋼梁分段在地面進(jìn)行拼裝后吊裝；將徑向和環(huán)向次梁散件在地面進(jìn)行拼裝后整體吊裝。構(gòu)件采用H型鋼組成的馬凳作為支撐進(jìn)行拼裝對接。

3.1.3 吊裝工程變形模擬與監(jiān)測

在屋蓋結(jié)構(gòu)單元的吊裝工程中，需對構(gòu)件的吊裝作業(yè)進(jìn)行受力分析模擬，確保作業(yè)過程中不至于發(fā)生超出允許范圍的變形，為此選取A區(qū)某分塊單元，在其起吊和落鉤階段進(jìn)行二階段分析如下：

取X29軸～X1軸間次結(jié)構(gòu)分塊吊裝單元驗算為例，分塊吊裝單元桿件截面為 B500x250x14x20（Q345B），分塊尺寸為11.8m×7.5m，吊裝重量約為16.9t，采用QUY160履帶吊吊裝。若采用不正確吊裝方式，容易導(dǎo)致吊裝變形過大甚至結(jié)構(gòu)破壞。因此對其進(jìn)行吊裝工況驗算，以更好掌握吊裝過程中結(jié)構(gòu)變形及應(yīng)力情況。為保證吊裝分段自身的平衡，應(yīng)使履帶吊吊鉤與桁架重心在同一豎直平面內(nèi)，在設(shè)置桁架吊點時，可通過CAD三維實體模型直接查找其重心。履帶吊設(shè)置四個吊點，吊點位于桿件交匯的節(jié)點，因此在相應(yīng)吊點位置焊接四個吊裝吊耳。

吊裝分析參數(shù)：選擇有限元軟件Mi?das進(jìn)行吊裝分析，桿件采用梁單元，吊裝鋼絲采用只受拉單元，起吊階段計算分析結(jié)果如圖5所示。

圖5 起吊階段結(jié)構(gòu)變形圖和應(yīng)力比圖

計算結(jié)果表明：吊裝過程中結(jié)構(gòu)的最大豎向（Z方向）位移發(fā)生在桿件端部，且最大位移值為2.25mm。該分段在吊裝過程的撓度為2.25/7500=1/3333＜1/400，結(jié)構(gòu)變形滿足規(guī)范要求。結(jié)構(gòu)桿件的最大應(yīng)力為11.78MPa<295MPa，則該分段在吊裝工況下的應(yīng)力比滿足規(guī)范要求。

落鉤階段：在提升階段吊到安裝指點位置后，吊機(jī)開始緩慢撤離，與周邊結(jié)構(gòu)的臨時連接對吊裝單元起支承作用。支承點的設(shè)置如下計算模型所示（圖6）。

圖6 落鉤階段結(jié)構(gòu)變形圖和應(yīng)力比圖

結(jié)構(gòu)變形圖計算結(jié)果表明：臨時固定時結(jié)構(gòu)的最大豎向（Z方向）位移發(fā)生在桿件跨中，且最大位移值為5.70mm。該分段的撓度為5.70/7500=1/7494＜1/400，結(jié)構(gòu)變形滿足規(guī)范要求；結(jié)構(gòu)桿件的最大應(yīng)力為24.9MPa<295MPa，則該分段在臨時連接工況下的應(yīng)力比滿足規(guī)范要求。

3.2 支撐胎架設(shè)計與驗算

我公司安裝用支撐架采用可組裝式四肢格構(gòu)柱形式，四肢截面4×Ф89×4—Q345B，綴 條 Ф60×3.5—Q345B 每 節(jié)高×寬×長=2m×2m×2m，每節(jié)采用高強(qiáng)螺栓連接。本工程采用與支撐架高度h=24m，并采用四方向纜風(fēng)繩在上端拉固。

支撐架承載力取強(qiáng)度驗算、穩(wěn)定性驗算和壓彎構(gòu)件計算的三者最小值。注意事項包括：一是支撐物體中心盡量放在支撐架中心，并設(shè)置放置粱，（槽鋼）需減少偏心；二是本工程支撐架可承重60t，考慮偏心距400mm，并與支撐架基礎(chǔ)水平并固定。

考慮支撐荷載、施工荷載、風(fēng)荷載等工況對臨時支撐架進(jìn)行承載力、應(yīng)力、變形以及穩(wěn)定性建模計算，計算結(jié)果如下：

結(jié)果表明支撐架最大變形9.29mm，支撐架最大應(yīng)力-80.8MPa，均未超過允許限值。

3.3 大跨度結(jié)構(gòu)的合攏設(shè)計與施工方案

3.3.1 合攏問題的影響因素分析

考慮到大跨度結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力效應(yīng)比較大，為此需要對結(jié)構(gòu)成形過程中的溫度應(yīng)力進(jìn)行仿真計算。主要有以下幾個方面的問題需要考慮：

第一，合攏溫度及合攏時間的確定。合攏溫度的確定要結(jié)合當(dāng)?shù)氐臍庀鬁囟荣Y料與結(jié)構(gòu)的受力性能確定。由于結(jié)構(gòu)平面尺寸較大，且屋蓋外形為曲面，在日照下不同區(qū)域的桿件及桿件的上下表面溫度差異較大，導(dǎo)致桿件伸長不一，影響結(jié)構(gòu)的合攏，因而需要確定合適的合攏時間。

第二，合攏線數(shù)量及合攏段尺寸的確定。如果合攏前的結(jié)構(gòu)尺寸過大，在結(jié)構(gòu)內(nèi)將會產(chǎn)生很大的溫度應(yīng)力，但如果合攏線過多，需要合攏構(gòu)件接口的數(shù)量將大大增加。因此，需要綜合考慮結(jié)構(gòu)受力性能與施工安裝操作兩個方面，確定適合的合攏線尺寸與數(shù)量。

第三，合攏線位置的確定。由于屋蓋各個區(qū)域的約束強(qiáng)度及構(gòu)件自身剛度不同，其溫度效應(yīng)也不盡相同。因而需要綜合考慮確定具體合攏線的位置。

在此，我們主要通過溫度應(yīng)力的有限元模擬，對合攏溫度進(jìn)行詳細(xì)分析，比較不同合攏溫度下結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布和不同方案下結(jié)構(gòu)的溫度效應(yīng)分布，為最終合攏施工方案的確定提供理論依據(jù)。

3.3.2 不同合攏溫度和合攏時間對結(jié)構(gòu)的影響分析

合攏溫度的確定可依據(jù)以下原則：首先考慮當(dāng)?shù)氐臏囟葰庀髼l件，合攏時溫度應(yīng)接近年平均氣溫，有利于合攏施工；二是合攏溫度應(yīng)盡量接近結(jié)構(gòu)可能達(dá)到的最高溫度與最低溫度的中間點，使結(jié)構(gòu)受力比較合理。當(dāng)?shù)爻Ｄ昶骄鶜鉁卦?5℃左右，升、降溫各30℃，確定結(jié)構(gòu)的最高溫度為55℃，最低溫度為-8℃，計算不同合攏溫度下結(jié)構(gòu)的升溫與降溫數(shù)值。由于合攏時間為7月份，查找資料得到當(dāng)?shù)?月份溫度在24℃～38℃?？紤]每日氣溫，在此考慮兩種方案：合攏溫度25℃與合攏溫度35℃。

分析結(jié)果如表1。

不同合攏溫度和合攏時間對結(jié)構(gòu)的影響 表1

綜合以上計算結(jié)果，在合攏時間5月份的溫度范圍內(nèi)（5℃～24℃），合攏溫度取高時對結(jié)構(gòu)更有利。除了合攏溫度外，合攏時間也對結(jié)構(gòu)合攏產(chǎn)生影響。夜晚時溫度較低不適合合攏。這些情況都給安裝帶來困難。因此合攏端的安裝盡量避免在溫度較低的夜晚進(jìn)行。

3.3.3 合攏縫設(shè)置對結(jié)構(gòu)的影響分析

取不設(shè)置合攏縫和設(shè)置兩道合攏縫兩種情況，分別進(jìn)行溫度應(yīng)力對結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)力的影響分析。

分析結(jié)果如表2。

合攏縫設(shè)置對結(jié)構(gòu)的影響 表2

結(jié)合以上計算結(jié)果分析得到，由于該屋蓋屬于大跨度空間結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)上設(shè)置合攏縫能夠有效地降低溫度效應(yīng)對結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響。

圖7 支撐胎架和受力分析圖

圖8 不同合攏溫度下位移和組合應(yīng)力圖

圖9 （不）設(shè)置合攏縫下結(jié)構(gòu)位移和應(yīng)力圖

4 結(jié)語

針對大跨度異形鋼結(jié)構(gòu)工程施工的復(fù)雜性和技術(shù)難度，本文基于已建會展中心項目的成功實踐，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)合理的分塊分段并編制詳細(xì)的施工原則和方法；對結(jié)構(gòu)單元和支撐單元的受力變形進(jìn)行了分析控制；在結(jié)構(gòu)合攏階段，對是否需要設(shè)置合攏縫以及如何設(shè)置進(jìn)行了詳細(xì)的分析和論證，對大跨度異形鋼結(jié)構(gòu)施工和安裝的共性問題和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，對類似的工程具有一定的指導(dǎo)意義。