淺析南京龍之谷綜合體復(fù)雜大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)

文／付水平、陳杰、陳奕帆 中冶（上海）鋼結(jié)構(gòu)科技有限公司 上海 201900

1、工程概況

近年來，旅游業(yè)隨著經(jīng)濟的發(fā)展逐漸成為消費者“剛性”需求。在促進(jìn)消費、打通內(nèi)循環(huán)的大方針背景下，催生了一大批諸如上海迪士尼、北京環(huán)球影城、萬達(dá)主題樂園等旅游綜合體，帶動了文旅消費爆發(fā)式增長。南京龍之谷綜合體作為亞洲最大的室內(nèi)樂園，由A、B、C、D、E五個場館構(gòu)成。

由于整體工程量巨大，本文主要就C館進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)施工工藝的探討。為便于構(gòu)件加工運輸及現(xiàn)場安裝的精細(xì)化管理，提高施工效率，故將C館分為5個施工區(qū)。對于大跨度桁架等類似加工件（運輸條件允許范圍）以“分區(qū)制作、地面拼裝，分段/整榀吊裝；綜合安裝，逐區(qū)推進(jìn)”為原則進(jìn)行施工。

C館建筑結(jié)構(gòu)外緣最大長度216m、結(jié)構(gòu)外緣最大寬度204m，建筑面積36500㎡，結(jié)構(gòu)標(biāo)高+36.00m，用鋼量約5400t，主體采用“鋼管混凝土柱+屋蓋管桁架”結(jié)構(gòu)形式，屋蓋主桁架截面高度4m、跨度5.1m～62m。

2、重難點分析及對策

重難點分析：

(1)本工程管桁架全部需要在現(xiàn)場進(jìn)行拼裝、焊接，拼裝工作量極大；

(2)部分桁架為實現(xiàn)其曲面空間造型，必須采用空間三點坐標(biāo)定位，拼裝精度控制難度大；

(3)桁架作為屋蓋承重體系，其焊接質(zhì)量決定了結(jié)構(gòu)的后期使用安全。由于南京全年降水量大、時間長，現(xiàn)場的焊接環(huán)境較差，如何保證焊接質(zhì)量是本工程難點。

(4)現(xiàn)場地形復(fù)雜，環(huán)境因素較差，地基承載力薄弱，對于構(gòu)件進(jìn)場及吊裝均產(chǎn)生不利影響。

解決措施：

(1)對工廠加工桿件進(jìn)行實時質(zhì)量監(jiān)控，出現(xiàn)偏差及時修正，保證構(gòu)件的加工精度；

(2)檢查桿件組裝精度無誤后才能開始焊接；焊接時現(xiàn)場搭設(shè)防風(fēng)防雨措施；

(3)焊接完成后再次復(fù)核桁架的整體外形尺寸，超出允許偏差必須及時矯正；

(4)根據(jù)現(xiàn)場工作量和施工進(jìn)度安排，提前進(jìn)行相關(guān)操作人員培訓(xùn)、考核，只有經(jīng)考核合格者方能參與本工程相應(yīng)施工操作。

(5)對現(xiàn)場拼裝場地進(jìn)行壓實硬化，拼裝胎架經(jīng)過設(shè)計計算，保證有足夠的強度、剛度和穩(wěn)定性，保證地面拼裝精度[1]。

3、施工工藝技術(shù)

根據(jù)本工程結(jié)構(gòu)形式、特點以及工作面交付順序，鋼結(jié)構(gòu)主體采用“地面拼裝、分區(qū)施工，綜合安裝、逐區(qū)推進(jìn)、分區(qū)卸載”工藝?？傮w結(jié)構(gòu)吊裝順序為：鋼柱→柱間環(huán)桁架→屋面主桁架(連系桁架、單層網(wǎng)殼)、次桁架、屋面支撐→散件補檔。

3.1 支承胎架的設(shè)計與安裝

3.1.1 設(shè)計與安裝概述

本工程單榀桁架跨度大、重量重，需分段進(jìn)行吊裝并設(shè)置足夠強度和剛度的支承胎架，確保安裝過程中桁架的空中穩(wěn)定性及整個施工過程的安全。屋蓋桁架必須完成安裝、焊接并形成穩(wěn)定整體結(jié)構(gòu)體系以后方可進(jìn)行支承胎架的卸載和拆除。

3.1.2 支承胎架布置原則

(1)安全、可靠，方便施工（包括胎架本身的施工和屋蓋鋼結(jié)構(gòu)桁架的施工）。

(2)符合設(shè)計意圖，即安裝的結(jié)構(gòu)受力狀況與原結(jié)構(gòu)本身的受力狀況基本一致。

(3)減少安裝時的桁架變形，便于安裝精度的控制。

(4)簡化結(jié)構(gòu)的受力和支承胎架的受力情況。

(5)卸載要安全、可行，方便施工。

3.1.3 支承胎架設(shè)置

3.1.3.1 胎架基礎(chǔ)及柱腳的設(shè)置

桁架吊裝前，館內(nèi)地面必須壓實，土基上部鋪600mm壓實碎石，經(jīng)平整后，根據(jù)支承胎架類型設(shè)置井字型H型鋼轉(zhuǎn)換梁，根據(jù)胎架坐落位置，下鋪路基箱并與其焊接牢固；底座四周設(shè)H型鋼（或角鋼）地樁并與井字梁端部焊接。將支承胎架上的荷載由轉(zhuǎn)換梁（井字梁）通過鋼板傳遞至壓實地面。

3.1.3.2 胎架的穩(wěn)定措施

支承胎架最大支承高度為30m，主要分布于樹狀柱四周。在吊裝時，除了采取上部拉設(shè)纜風(fēng)繩外，在其腰部與結(jié)構(gòu)鋼柱做水平臨時剛性支撐連接。

3.1.4 支承胎架安裝

3.1.4.1 安裝流程

定位放線→胎架底座（鋼板+轉(zhuǎn)換梁）安裝→胎架安裝→校正、臨時固定→焊接固定。

3.1.4.2 安裝方法

（1）胎架底部土基必須整平、壓實，增大胎架與地基的接觸面積，減少胎架沉降，增強胎架穩(wěn)定性。

（2）支承胎架下部地面需進(jìn)行如下處理：土基分層壓實后須鋪填40cm厚石塊，然后鋪厚20cm碎石，承載力達(dá)到20t/㎡以上。

（3）支承胎架安裝前先放線定位。先安放底座，再安裝支承胎架。安裝就位后四周立即拉設(shè)纜風(fēng)繩（與地面夾角45°），纜風(fēng)繩地錨用L100＊10角鋼打入壓實土基1m。

（4）纜風(fēng)繩上部與胎架頂部橫梁環(huán)繞捆綁，下部與角鋼穿孔環(huán)繞，并分別用3卡扣固定繩頭[2]。

3.2 鋼柱拼裝

3.2.1 安裝概況

鋼柱采用分段吊裝，即先吊裝預(yù)埋部分，待下部鋼柱完成混凝土澆筑后吊裝地上單元。上部鋼柱吊裝必須在混凝土達(dá)到一定強度后進(jìn)行。

3.2.2 安裝工藝

斜柱在安裝過程中，由于其側(cè)向偏心較大，為保持側(cè)向穩(wěn)定性，先安裝斜柱外側(cè)的雨棚結(jié)構(gòu)，并通過雨棚主梁與斜柱形成整體結(jié)構(gòu)體系。在斜柱安裝時在其重心以上3m位置處增設(shè)臨時斜支撐，待其柱頂環(huán)桁架、徑向柱桁架安裝完成后，方可拆除。

3.3 屋蓋桁架安裝

3.3.1 安裝概況

C館屋蓋最大安裝高度36m、重量32t、跨度62m，屋蓋桁架采用整榀分段，保證吊裝過程穩(wěn)定。桁架散件進(jìn)場，現(xiàn)場拼裝、吊裝，桁架分段處下設(shè)支承胎架，待屋蓋安裝完畢并形成整體穩(wěn)定體系后再進(jìn)行支承胎架的卸載和拆除。

3.3.2 安裝工藝

現(xiàn)場采用搭設(shè)臨時支承胎架、分段吊裝的方式進(jìn)行安裝。

(1)每種類型桁架的吊點設(shè)置方式

1）大截面桁架、弧形（托）桁架：吊點設(shè)置在桁架上弦，共4個吊索，吊鉤的平面位置與桁架重心重合，保證吊索與水平面的夾角不小于45°。為保證吊裝過程中桁架不發(fā)生嚴(yán)重的晃動，在桁架兩端設(shè)置纜風(fēng)繩。

2）小截面直線形桁架：根據(jù)小截面桁架的跨距大小進(jìn)行分別設(shè)置相應(yīng)數(shù)量的吊點。

(2)定位空間支撐點及其地面投影

根據(jù)吊裝單元結(jié)構(gòu)形式合理選取支撐點位置，通過空間三維實體模型放樣，利用測量儀器精密測量定位各支撐點空間坐標(biāo)，然后在地面上用十字線標(biāo)記各定位點地面投影坐標(biāo)。

(3)安裝臨時支承胎架

安裝臨時支承胎架要求胎架底面中心與地面十字線中心重合，胎架總高度應(yīng)該為吊裝單元支撐點空間高度與地面標(biāo)高的差值。為保證胎架的側(cè)向穩(wěn)定性，除胎架柱腳與地錨焊接外，現(xiàn)場每個胎架四面拉設(shè)纜風(fēng)繩。

3.3.3 安裝技術(shù)措施

(1)桁架分段調(diào)位

吊裝分段脫胎后，如吊裝分段的傾斜角度不滿足安裝就位要求，通過手拉葫蘆改變吊繩長度實現(xiàn)對傾斜角的調(diào)節(jié)；也可預(yù)先選定不同長度的吊繩來實現(xiàn)。此工序要保證繩索與起重機吊鉤的中心線應(yīng)通過桁架分段的重心。調(diào)位工序可在脫胎之后、吊裝就位之前進(jìn)行。

(2)桁架分段吊裝

本工程弧形托桁架采用原位立拼，平面桁架采用就近拼裝吊裝，避免二次倒運造成的構(gòu)件變形及油漆損傷等。

(3)桁架分段就位

構(gòu)件吊裝段的就位工序可具體為：吊裝段高于安裝位置2m左右處，用溜繩牽拉調(diào)整朝向，緩慢降至安裝位置上空0.5m左右處，調(diào)整分段與安裝位置關(guān)系；再次緩慢落鉤，保證相鄰結(jié)構(gòu)不碰撞，邊牽拉溜繩邊將構(gòu)件吊裝段就位于安裝位置。就位過程中用全站儀進(jìn)行坐標(biāo)定位。

(4)桁架分段固定

各分段間的標(biāo)高應(yīng)考慮焊接變形影響并跟蹤測量，連接固定前校核構(gòu)件吊裝段的安裝高度和水平位置。待連接固定完成后脫鉤，提升力釋放一般分三次：第一次釋放1/4，第二次釋放1/2，第三次完全釋放。

(5)桁架弦桿對接節(jié)點安裝精度保證措施主要包括：

1）安裝前對支承胎架頂部支撐托板的三維坐標(biāo)進(jìn)行復(fù)核調(diào)整，保證支座點的標(biāo)高位置準(zhǔn)確無誤。

2）桁架對接前對連接接口位置坐標(biāo)進(jìn)行復(fù)核，有誤差及時調(diào)整，并依此校正安裝段對接接口的位置。

3）桁架主弦桿對接口設(shè)置定位耳板，便于對接安裝時定位及臨時固定[3]。

3.4 現(xiàn)場焊接

3.4.1 焊接工藝流程

現(xiàn)場施工焊接工藝流程如圖1所示。

圖1

3.4.2 鑄鋼件焊接

本結(jié)構(gòu)設(shè)計有大量的鑄鋼節(jié)點，都是在受力復(fù)雜，桿件相貫較多的重要節(jié)點處，焊接質(zhì)量的好壞對整體結(jié)構(gòu)安裝質(zhì)量起決定性的作用，為此：

(1)優(yōu)先選用低氫高韌性的堿性藥皮焊條手工焊進(jìn)行焊接；

(2)焊接工藝評定必須嚴(yán)格遵守JGJ81-2002《建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)規(guī)程》的有關(guān)規(guī)定；

(3)焊接工藝按合格的焊接工藝評定制定，施工中貫徹執(zhí)行，焊接工藝參數(shù)包括焊接材料的選擇、坡口形式、焊接電壓、焊接電流、焊接速度、預(yù)熱溫度、后熱溫度、層間溫度的控制；

(4)鑄鋼GS-20Mn5QT為改善了可焊性的鑄造調(diào)質(zhì)鋼，焊接性能良好，但是由于接頭板厚，原則上擬采用稍高的焊前預(yù)熱溫度防止裂紋，作為調(diào)質(zhì)鋼材，要控制熱輸入量和道間溫度的上限，以防止近縫區(qū)軟化，同時采取道間錘擊工藝，松弛接頭焊接收縮應(yīng)力；

(5)鑄鋼件與異種鋼接頭的焊接，應(yīng)按厚板焊接的有關(guān)工藝規(guī)定進(jìn)行施焊，作好定位焊的施焊控制和檢查，并保證接頭的對稱、連續(xù)焊接，一次完成，特別是要作好焊接防風(fēng)和焊后緩冷保護(hù)，焊后應(yīng)后熱消氫、消應(yīng)力，后熱處理后包扎保溫棉緩冷，同時保證足夠的探傷檢查延遲時間，避免延遲裂紋。

3.5 支承胎架卸載與拆除

3.5.1 卸載原則

卸載時，要確保過程安全、操作方便，不能改變設(shè)計意圖或?qū)?gòu)件力學(xué)性能產(chǎn)生較大影響。避免支承胎架內(nèi)力或結(jié)構(gòu)體系的桿件內(nèi)力過大而出現(xiàn)破壞現(xiàn)象，保證結(jié)構(gòu)體系可靠、穩(wěn)步形成，卸載方案應(yīng)遵循以下原則：

(1)通過理論計算掌握結(jié)構(gòu)受力及變形情況；

(2)確保結(jié)構(gòu)安全和變形協(xié)調(diào)；

(3)確保支承胎架安全；

(4)卸載過程應(yīng)循序漸進(jìn)，嚴(yán)格執(zhí)行過程監(jiān)測，確保按預(yù)定的卸載步驟進(jìn)行。

3.5.2 卸載工藝

館屋蓋各區(qū)胎架支撐點最大卸載量為14.2mm，卸載值較小，適合采用較為簡便的火焰切割法進(jìn)行卸載：

（1）根據(jù)卸載步驟，在支承胎架頂部H型鋼支撐點處依次畫出卸載切割線。

（2）同一個卸載區(qū)內(nèi)根據(jù)需卸載點數(shù)量配備人員及工器具。

（3）卸載指令下達(dá)后各點同時切割支撐點H型鋼，開始卸載。

（4）第一次級切割完成，桁架下降至預(yù)定位置，確認(rèn)同步卸載各點全部完成，統(tǒng)一開始下一步卸載，直至卸載完畢。

（5）卸載完成后支承胎架不直接拆除，對桁架連續(xù)監(jiān)測3日，無異常后拆除。

3.5.3 支承胎架拆除

支承胎架在卸載完成后分段拆除，拆除選用50t汽車吊。拆除時要注意以下事項：

(1)在確認(rèn)拆除段與下段或錨固件徹底脫離后，才能起吊和移動；

(2)拆除過程中，拆除段拉設(shè)溜繩，防止與已安構(gòu)件或混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞；

(3)未拆除段及時拉設(shè)風(fēng)纜繩，防止傾翻。

4、桁架起吊翻身驗算

根據(jù)施工方案，選取最不利的徑向桁架，進(jìn)行桁架脫胎時吊裝翻身驗算,如圖2所示。

圖2

結(jié)構(gòu)材料及截面特性見下表1。

表1

4.1 桁架吊裝分析

根據(jù)施工分段及胎架、結(jié)構(gòu)柱的分布情況，根據(jù)受力最不利原則，取徑向主桁架（跨度最大）進(jìn)行吊裝翻身分析。采用大型有限元分析軟件MIDAS/GEN進(jìn)行吊裝有限元分析。結(jié)構(gòu)自重軟件自動計算?？紤]到吊裝過程中許多不確定性因素，結(jié)構(gòu)自重乘以放大系數(shù)1.2，恒載（自重）荷載分析系數(shù)取1.35。

4.2 有限元模型及邊界條件

有限元3D模型及邊界條件如下圖3所示。

圖3

4.2.1 剛度分析

桁架最大位移為27.97mm＜12679＊2/400=63.4mm，滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》的要求，如圖4所示。

圖4

4.2.2 吊索拉力

基本組合下吊索拉力最大值為149.8kN。

4.2.3 強度分析

各構(gòu)件應(yīng)力比如下圖5所示。

圖5

吊裝過程中各構(gòu)件的應(yīng)力比均小于0.16，滿足強度和《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》的要求。

4.3 小結(jié)

由上述計算分析，桁架的整個吊裝翻身過程滿足強度、剛度的要求，吊裝過程安全合理。

5、屋蓋斜柱安裝過程驗算

5.1 荷載工況及組合

屋蓋桁架主要承受結(jié)構(gòu)自重荷載（DL）?？紤]到節(jié)點用鋼量，自重荷載取1.2的放大系數(shù)，自重荷載（DL）分項系數(shù)取1.35。

5.2 過程分析結(jié)果

5.2.1 SG-1步分析結(jié)果

(1)剛度校核

如圖6所示，結(jié)構(gòu)最大位移值為31.7mm＜35217/40 0=88mm，滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50017的要求。

圖6

(2)強度和穩(wěn)定性校核

由應(yīng)力比云圖7可知，構(gòu)件的最大應(yīng)力比均小于0.34，滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50017的要求。

圖7

(3)小結(jié)

由上述計算分析，SG-1施工步驟，屋蓋結(jié)構(gòu)受力滿足強度、剛度和穩(wěn)定性的要求，施工過程安全合理。

5.2.2 SG-2步分析結(jié)果

(1)剛度校核

如圖8所示，結(jié)構(gòu)最大位移值為40.8mm＜35217/40 0=88mm，滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50017的要求。

圖8

(2)強度和穩(wěn)定性校核

由應(yīng)力比云圖9可知，構(gòu)件的最大應(yīng)力比均小于0.47，滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50017的要求。

圖9

(3)小結(jié)

由上述計算分析，SG-2施工步驟，屋蓋結(jié)構(gòu)受力滿足強度、剛度和穩(wěn)定性的要求，施工過程安全合理。

5.2.3 SG-3步分析結(jié)果

(1)剛度校核

如圖10所示，斜柱柱頂最大位移值為31.3mm＜352 17/400=88mm，滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50017的要求。

圖10

(2)強度和穩(wěn)定性校核

由應(yīng)力比云圖11可知，構(gòu)件的最大應(yīng)力比均小于0.25，滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50017的要求。

圖11

(3)小結(jié)

由上述計算分析，SG-3施工步驟，屋蓋結(jié)構(gòu)受力滿足強度、剛度和穩(wěn)定性的要求，施工過程安全合理。

結(jié)語：

通過在施工中不同階段的受力計算分析，優(yōu)化了節(jié)點加固工程量，保障了施工過程的安全性，編制了合理的施工組織設(shè)計，并結(jié)合先進(jìn)的施工技術(shù)，最大可能的節(jié)約成本，大力實施“精品工程”戰(zhàn)略，為業(yè)主打造的這艘旅游業(yè)的航母注入強勁動力。