大跨度雙曲鋼網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)

丁 建，劉新星，鄭 征，馮艷剛，夏 可，謝梓宇，劉英麒

(1.北京建工建筑產(chǎn)業(yè)化投資建設(shè)發(fā)展有限公司，北京 100000； 2.中建交通建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 100071)

1 工程概況

湄洲灣港秀嶼港區(qū)石門澳作業(yè)區(qū)11號(hào)泊位工程即干煤棚、硫酸銨棚工程項(xiàng)目為全封閉式形式，其中干煤棚為鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，硫酸銨棚為鋼桁架結(jié)構(gòu)。1，2號(hào)干煤棚為拱棚網(wǎng)架(2棟形式一致)，采用正放四角錐弧形面螺栓球節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，內(nèi)、外弦均為剛性支撐，外弦采用雙向支座落在下部混凝土柱上，外弦柱頂標(biāo)高為2.000m，內(nèi)弦采用單向支座落在下部混凝土柱上，內(nèi)弦柱頂標(biāo)高約為3.750m，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)頂標(biāo)高為42.913m，平面尺寸為328.5m×117.5m(長(zhǎng)×寬)，網(wǎng)架厚4.4m，如圖1所示。屋面主、次檁條分別采用C型鋼和Z型鋼，配φ10拉條支撐和局部φ32×2.5套管聯(lián)系。馬道采用[8作為主梁，配 ∟30×3 角鐵加腋，上面鋪設(shè)3mm厚花紋鋼板，欄桿采用方鋼□40×1.5。鋼管采用Q355B鋼，可采用直縫電焊鋼管或無(wú)縫鋼管，如圖1所示。

圖1 石門澳作業(yè)區(qū)1，2號(hào)干煤棚

2 施工方案選擇

2.1 整體提升方案

整體提升法是將結(jié)構(gòu)起步架在地面拼裝完成，選擇合適的受力吊點(diǎn)，再由液壓起重設(shè)備將結(jié)構(gòu)整體垂直提升至設(shè)計(jì)標(biāo)高的施工方法，能較好地保證結(jié)構(gòu)安裝精度。

本項(xiàng)目采用整體提升法的限制條件為：①平面尺寸為328.5m×117.5m(長(zhǎng)×寬)，網(wǎng)架厚度4.4m；起步架長(zhǎng)達(dá)117.5m，整體提升法對(duì)于起步架安裝造價(jià)偏高。②整體提升法由于準(zhǔn)備工作時(shí)間較長(zhǎng)，工藝相對(duì)復(fù)雜，提升前須加固才能保證結(jié)構(gòu)不變形。

鑒于以上原因，本工程未采用整體提升法。

2.2 滿堂支撐方案

采用滿堂支撐搭設(shè)安裝平臺(tái)也是本項(xiàng)目的備選方案之一。計(jì)劃利用起步架位置搭設(shè)滿堂腳手架+鋼柱作為主支撐，其他位置搭設(shè)滿堂腳手架作為操作平臺(tái)。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是安全可靠、施工方便。

本項(xiàng)目采用滿堂腳手架安裝方案的限制條件為：①由于本工程網(wǎng)殼高度達(dá)42m，且本工程為雙曲網(wǎng)殼，腳手架搭設(shè)難度較大；②由于腳手架搭設(shè)和拆除周期較長(zhǎng)，采用該方案成本偏高。

鑒于以上原因，本工程未采用滿堂腳手架安裝方案。

2.3 起步架無(wú)支撐安裝方案

此工藝首先進(jìn)行起步跨網(wǎng)架安裝，采用地面延伸吊裝法安裝軸間單條塊5個(gè)柱距(3個(gè)上弦網(wǎng)格、4個(gè)下弦網(wǎng)格)作為網(wǎng)架起步跨，共分5步安裝完成(安裝過程詳見2.5.3節(jié))。采用該施工工藝可節(jié)約大量人力、物力，大幅度提高施工速度，故本工程采用起步架無(wú)支撐方案。

2.4 工藝流程

工藝流程為：圖紙深化設(shè)計(jì)→安裝前準(zhǔn)備工作→鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)安裝。

2.5 工藝操作要點(diǎn)

2.5.1圖紙深化設(shè)計(jì)

利用BIM建模技術(shù)將圖紙中螺栓球鉆孔位置進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化為一種或幾種螺栓孔尺寸，減少螺栓孔鉆孔型號(hào)和數(shù)量誤差，保證鉆孔位置準(zhǔn)確。

2.5.2安裝前準(zhǔn)備工作

1)安裝前應(yīng)對(duì)網(wǎng)架支座的軸線與標(biāo)高進(jìn)行驗(yàn)線檢查，網(wǎng)架軸線、標(biāo)高位置必須符合設(shè)計(jì)要求和有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

2)采取整體吊裝或局部吊裝時(shí)，應(yīng)對(duì)提升和吊裝設(shè)備進(jìn)行全面檢查并做好試吊工作。

2.5.3鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)安裝

支座臨時(shí)固定措施：網(wǎng)架起步時(shí)一端放在柱頂支座上(將支座球放入雙向支座內(nèi)，不要焊接固定，臨時(shí)固定可在x軸方向采用同材質(zhì)的20mm厚鋼板切割一個(gè)弧形的抱箍將球帶住，保證球可在支座內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)但不會(huì)在另一端提升時(shí)將球帶出支座，將鋼板抱箍焊接在x-z平面上的支座加勁板上，鋼板抱箍與球之間留一點(diǎn)間隙以便球可在x-z平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，臨時(shí)固定鋼板抱箍，如圖2所示)。

圖2 支座鉸接做法示意

起步跨網(wǎng)架從x軸方向在地面延伸安裝，共分成5步完成。

第1步：吊裝塊1。先在地面拼裝9個(gè)下弦網(wǎng)格(橫向即跨度方向9個(gè)下弦網(wǎng)格及9個(gè)上弦網(wǎng)格、縱向4個(gè)下弦網(wǎng)格及3個(gè)上弦網(wǎng)格)，面積約739m2，最大提升質(zhì)量約31t，用2臺(tái)50t汽車式起重機(jī)吊至柱頂安裝位置，一端放在地面上，如圖3a所示。

第2步：吊裝塊2。改用2臺(tái)100t汽車式起重機(jī)提起網(wǎng)架地面一端(高度約為1個(gè)網(wǎng)架厚度)，在地面拼裝1個(gè)網(wǎng)格(橫向即跨度方向1個(gè)網(wǎng)格)，起重機(jī)在原位不動(dòng)繼續(xù)提升，每提升1次拼裝1個(gè)網(wǎng)格，共拼裝8個(gè)網(wǎng)格(橫向即跨度方向8個(gè)網(wǎng)格)，面積約1 396m2，最大提升質(zhì)量約59t，如圖3b所示。

第2步吊裝塊精度控制措施為：①在地面沿橫向(網(wǎng)架跨度)放樣劃線(下弦球心軸線)以控制外輪廓，拼裝時(shí)復(fù)核大樣，從而保證網(wǎng)架拼裝不偏移；②沿橫向逐一拼裝網(wǎng)格，每拼裝完1個(gè)網(wǎng)格進(jìn)行相應(yīng)長(zhǎng)度測(cè)量，保證吊裝塊2與圖紙17個(gè)網(wǎng)格尺寸相符，如不符，停止拼裝并逐一檢查復(fù)核桿件及螺栓球拼裝尺寸；③沿縱向測(cè)量網(wǎng)格長(zhǎng)度，保證吊裝塊2上、下弦合計(jì)長(zhǎng)度與圖紙相符，如不符，停止拼裝并逐一檢查復(fù)核桿件及螺栓球拼裝尺寸；④在設(shè)計(jì)圖紙上確認(rèn)尺寸后預(yù)先在第17個(gè)網(wǎng)格相應(yīng)落位地面位置放樣控制下弦球點(diǎn)，以形成二次復(fù)核，保證精度。

第3步：吊裝塊3。改用2臺(tái)200t(站位在中部)及2臺(tái)100t(站位在端部)汽車式起重機(jī)提起網(wǎng)架地面一端，在地面拼裝1個(gè)網(wǎng)格(橫向即跨度方向1個(gè)網(wǎng)格)，起重機(jī)在原位不動(dòng)繼續(xù)提升，每提升1次拼裝1個(gè)網(wǎng)格，共拼裝7個(gè)網(wǎng)格(橫向即跨度方向7個(gè)網(wǎng)格)，面積約1 970m2，最大提升質(zhì)量約83t，如圖3c所示。

為避免網(wǎng)架張開引起桿件變形，在吊裝塊3安裝完成后可采取如下措施進(jìn)行加固：在起步架起始端第1個(gè)下弦球與第24個(gè)下弦球間用5t倒鏈和6×37-20-1 850MPa鋼絲繩拉2道張緊繩(在縱向兩端各拉2根)，松緊程度以張緊繩剛剛繃緊為宜。

第3步吊裝塊精度控制措施為：①在地面沿橫向(網(wǎng)架跨度)放樣劃線(下弦球心軸線)以控制外輪廓，拼裝時(shí)復(fù)核大樣，從而保證網(wǎng)架拼裝不偏移；②沿橫向逐一拼裝網(wǎng)格，每拼裝完1個(gè)網(wǎng)格進(jìn)行相應(yīng)長(zhǎng)度測(cè)量，保證吊裝塊3與圖紙24個(gè)網(wǎng)格尺寸相符，如不符，停止拼裝并逐一檢查復(fù)核桿件及螺栓球拼裝尺寸；③沿縱向測(cè)量網(wǎng)格長(zhǎng)度，保證吊裝塊3上、下弦合計(jì)長(zhǎng)度與圖紙相符，如不符，停止拼裝并逐一檢查復(fù)核桿件及螺栓球拼裝尺寸；④在設(shè)計(jì)圖紙上確認(rèn)自重狀態(tài)下第1球與第24球間距后，利用鋼絲繩控制吊裝塊3網(wǎng)格架相應(yīng)尺寸，結(jié)合鋼卷尺測(cè)量復(fù)核；⑤在設(shè)計(jì)圖紙上確認(rèn)尺寸后預(yù)先在第24個(gè)網(wǎng)格相應(yīng)落位地面位置放樣控制下弦球點(diǎn)，以形成二次復(fù)核，保證精度。

第4步：吊裝塊4。改用2臺(tái)250t(站位在中部)及2臺(tái)100t(站位在端部)汽車式起重機(jī)提起網(wǎng)架地面一端，在地面拼裝1個(gè)網(wǎng)格(橫向即跨度方向1個(gè)網(wǎng)格)，起重機(jī)在原位不動(dòng)繼續(xù)提升，每提升1次拼裝1個(gè)網(wǎng)格，共拼裝6個(gè)網(wǎng)格(橫向即跨度方向6個(gè)網(wǎng)格)，面積約2 463m2，最大提升質(zhì)量約104t，如圖3d所示。

為避免網(wǎng)架張開引起桿件變形，在吊裝塊4安裝完成后可采取如下措施進(jìn)行加固：在起步架起始端第1個(gè)下弦球與第30個(gè)下弦球間用5t倒鏈和6× 37-20-1 850MPa 鋼絲繩拉2道張緊繩(在縱向兩端各拉2根)，松緊程度以張緊繩剛剛繃緊為宜。

第4步吊裝塊精度控制措施為：①在地面沿橫向(網(wǎng)架跨度)放樣劃線(下弦球心軸線)以控制外輪廓，拼裝時(shí)復(fù)核大樣，從而保證網(wǎng)架拼裝不偏移；②沿橫向逐一拼裝網(wǎng)格，每拼裝完1個(gè)網(wǎng)格進(jìn)行相應(yīng)長(zhǎng)度測(cè)量，保證吊裝塊4與圖紙30個(gè)網(wǎng)格尺寸相符，如不符，停止拼裝并逐一檢查復(fù)核桿件及螺栓球拼裝尺寸；③沿縱向測(cè)量網(wǎng)格長(zhǎng)度，保證吊裝塊4上、下弦合計(jì)長(zhǎng)度與圖紙相符，如不符，停止拼裝并逐一檢查復(fù)核桿件及螺栓球拼裝尺寸；④為保證網(wǎng)格架穩(wěn)定，吊裝塊3鋼絲繩控制線(第1球與第24球)保持穩(wěn)定不放張；⑤在設(shè)計(jì)圖紙上確認(rèn)自重狀態(tài)下第1球與第30球間距后，利用鋼絲繩控制吊裝塊4網(wǎng)格架相應(yīng)尺寸，結(jié)合鋼卷尺測(cè)量復(fù)核；⑥在設(shè)計(jì)圖紙上確認(rèn)尺寸后預(yù)先在第30個(gè)網(wǎng)格相應(yīng)落位地面位置放樣控制下弦球點(diǎn)，以形成二次復(fù)核，保證精度。

為避免網(wǎng)架張開引起桿件變形，在吊裝塊5安裝完成后可采取如下措施進(jìn)行加固：在起步架起始端第1個(gè)下弦球與第36個(gè)下弦球間用5t倒鏈和6×37-20-1 850MPa鋼絲繩拉2道張緊繩(在縱向兩端各拉2根)，松緊程度以張緊繩剛剛繃緊為宜。

3 施工測(cè)量工藝

在起步跨網(wǎng)架全部拼裝完成后，采用2臺(tái)汽車式起重機(jī)在中部、2臺(tái)汽車式起重機(jī)在端部將起步跨網(wǎng)架的地面一端提升至軸支座上(吊裝塊5)。支座球入位時(shí)施工人員用纜風(fēng)繩配合起重機(jī)擺正到柱頂支座設(shè)計(jì)位置，落柱后進(jìn)行就位計(jì)算。

在起步跨網(wǎng)架就位后，4臺(tái)起重機(jī)仍固定不松繩，在網(wǎng)架支座的軸線及標(biāo)高調(diào)整至符合設(shè)計(jì)及規(guī)范要求后將支座球與支座焊接固定。特別注意起步跨網(wǎng)架的定位精度，因其影響后續(xù)網(wǎng)架的安裝精度，落位后需進(jìn)行應(yīng)力及撓度變化驗(yàn)算。

在被測(cè)量的鋼網(wǎng)架下選取有代表性的下弦軸線，測(cè)量軸線下弦螺栓球球心的沉降量。根據(jù) GB 50205—2020《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)需測(cè)量下弦螺栓球球心高度，使用工(器)具包括水準(zhǔn)儀、鋼卷尺。

空間網(wǎng)架工程撓度最大允許值為短向跨度的1/250，本項(xiàng)目網(wǎng)架跨度為117.5m，撓度允許值為470mm。網(wǎng)架安裝時(shí)注意檢查撓度，其值不大于現(xiàn)荷載條件下的撓度計(jì)算值的1.15倍，即540.5mm。

4 結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)

4.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置

為保證安裝精度，在1，2號(hào)干煤棚短柱位置均設(shè)置了監(jiān)測(cè)點(diǎn)(每個(gè)煤棚共計(jì)48個(gè))，在安裝過程中用全站儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其標(biāo)高及坐標(biāo)位置變化。

4.2 檢測(cè)數(shù)據(jù)分析

1)由于起步架施工時(shí)進(jìn)行了預(yù)起拱(起步架跨中預(yù)起拱400mm)，鋼結(jié)構(gòu)安裝完成后未出現(xiàn)下?lián)稀?/p>

2)網(wǎng)殼鋼構(gòu)件全部安裝焊接完成后，結(jié)構(gòu)變形相對(duì)于初始狀態(tài)下?lián)现翟?mm以內(nèi)，安裝精度很高。

3)網(wǎng)架安裝完成后，所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平坐標(biāo)及標(biāo)高基本無(wú)明顯變化。

4)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)整體施工完畢后，監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大下?lián)现?網(wǎng)架中間相對(duì)于理論標(biāo)高)在10mm以內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。

5 施工過程中關(guān)鍵問題的應(yīng)對(duì)措施

5.1 內(nèi)外排支座拉力及應(yīng)力應(yīng)對(duì)措施

因本工程采用的是點(diǎn)式支撐方式(支座豎向剛度很強(qiáng))，內(nèi)外短柱上部結(jié)構(gòu)與其他結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生聯(lián)系，當(dāng)網(wǎng)殼架架構(gòu)吊裝緩慢下落擱置于短柱支座上時(shí)，短柱的豎向變形位移可忽略不計(jì)，因內(nèi)外排短柱基礎(chǔ)同為一個(gè)承臺(tái)且有連系梁互為三角形拉結(jié)，在受力過程中內(nèi)外短柱支座與基礎(chǔ)共同工作，此時(shí)也考慮內(nèi)外短柱支座x和y向彈性約束方式；本工程采用的是彈性氯丁橡膠支座(75mm×900mm×900mm(厚×長(zhǎng)×寬))，通過氯丁橡膠支座滿足等效彈簧剛度來解決網(wǎng)架內(nèi)外支座的應(yīng)力變化和變形要求，此時(shí)支座的彈性和短柱的剛度為疊加受力；由于網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)桿件雙曲部位長(zhǎng)短不一，長(zhǎng)網(wǎng)殼桿件的端部會(huì)產(chǎn)生負(fù)彎矩，雙曲轉(zhuǎn)角部位會(huì)產(chǎn)生拉力，因此此處支座設(shè)計(jì)為鋼筋混凝土連系梁(簡(jiǎn)支梁)，把內(nèi)外短柱拉結(jié)成為正三角形支座形式；這樣既能防止網(wǎng)殼架的應(yīng)力和拉力變化所產(chǎn)生的變形和滑動(dòng)，同時(shí)也具有足夠的結(jié)構(gòu)約束力。

5.2 支座焊接球制作轉(zhuǎn)動(dòng)問題應(yīng)對(duì)措施

除上面提到的鋼板抱箍加固防止螺栓球位移轉(zhuǎn)動(dòng)外，支座設(shè)置了氯丁橡膠支座，平板式氯丁橡膠支座有很好的彈性和抗剪抗變形功能，本工程螺栓孔設(shè)置為橢圓形孔，約束一個(gè)方向的位移和滑動(dòng)應(yīng)變，釋放另一個(gè)方向滑動(dòng)位置，如圖4所示。因此，可有效實(shí)現(xiàn)網(wǎng)架節(jié)點(diǎn)在支座中的轉(zhuǎn)動(dòng)要求；同時(shí)，本工程支座采用的是雙面弧形壓力支座，在內(nèi)外短柱柱頂和網(wǎng)殼架水平方向相耦合支座可沿著弧面上下、左右轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)性能良好有效。

圖4 氯丁橡膠支座螺栓孔示意

6 結(jié)語(yǔ)

本工程結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，通過合理的施工工藝分析及模擬計(jì)算，采用高空散拼方法進(jìn)行大跨度網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)施工，與傳統(tǒng)施工工藝相比，節(jié)約了大量人力、物力，大幅度提高了施工速度，實(shí)現(xiàn)了施工過程有序可控、成本低、質(zhì)量?jī)?yōu)的目標(biāo)，可為類似工程項(xiàng)目提供可靠施工經(jīng)驗(yàn)。