鋼桁架+鋼網(wǎng)架采光穹頂整體提升技術(shù)

茍生貴　崔進　張寶云　徐海洋

【摘? ? 要】： 針對常規(guī)采光穹頂施工前后變形難以控制的問題，提出一種整體提升施工技術(shù)，優(yōu)化提升支點布局，地下室頂板無需設(shè)置回頂支撐，優(yōu)化提升節(jié)點，充分利用原結(jié)構(gòu)與臨時路基箱工裝組合，形成鋼桁架+鋼網(wǎng)架采光穹頂自平衡體系，施工階段形成穩(wěn)定體系，減少后續(xù)變形和施工難度。

【關(guān)鍵詞】： 采光穹頂；鋼桁架；鋼網(wǎng)架；整體提升

【中圖分類號】：TU758.11【文獻標志碼】：C【文章編號】：1008-3197（2023）05-59-04

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2023.05.015

Steel Truss + Steel Mesh Lighting Dome Overall Lifting Technology

GOU Shenggui， CUI Jin，ZHANG Baoyun， XU Haiyang

（Branch the Third Construction Co. Ltd.， China Construction Eighth Engineering， Beijing 100097， China）

【Abstract】：For the control difficulty of? construction of large span steel structure light dome， this paper introduces an overall lifting construction technologyby optimizing the layout of lifting pivot points， the basement roof does not need to set back the top support， optimizing the lifting nodes， making full use of the original structure and temporary roadbed box work combination， forming a self-balancing system of steel truss + steel grid light dome， forming a stable system in the construction stage， reducing subsequent deformation and construction difficulties.

【Key words】：light Dome； steel trusse；steel mesh frame；overall lifting

隨著建筑技術(shù)的更新和建筑裝備的完善，商業(yè)綜合體為追求更佳的建筑效果而對結(jié)構(gòu)提出更高要求；大跨度鋼結(jié)構(gòu)因自重較小、體系穩(wěn)定、空間布置靈活，被廣泛應(yīng)用于商業(yè)建筑中。傳統(tǒng)大跨度鋼結(jié)構(gòu)采光穹頂施工主要采用空中散拼，依照采光穹頂造型，從地面搭設(shè)胎架，按照單元構(gòu)件進行依次連接安裝，胎架搭設(shè)體量大，除了采光穹頂?shù)闹亓?，還需考慮胎架重量，整體荷載較大，普遍需要對地下室頂板進行回頂支撐，施工難度極大；而城市核心區(qū)由于場地有限，難以占用大面積場地用于鋼結(jié)構(gòu)拼裝，采光頂下部地下室頂板承板力又不滿足搭設(shè)胎架空中散拼的需求，施工前后變形難以控制，對建筑效果的實現(xiàn)影響較大。本文以實際工程為例，將采光穹頂優(yōu)化設(shè)計為鋼桁架+鋼網(wǎng)架組合樓板自平衡體系。

1 工程概況

某寫字樓兩棟塔樓中間設(shè)置42 m×52 m鋼結(jié)構(gòu)采光穹頂，作為商業(yè)大堂屋蓋的同時，穹頂屋面連通兩棟塔樓。采光頂距地21.5 m，整體鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量1 100 t。

2 采光穹頂整體提升技術(shù)

2.1 采光穹頂設(shè)計

分析兩棟塔樓與采光穹頂之間不同的變形，采光穹頂采用一端滑動，一端鉸接的方式與兩棟塔樓連接。為解決施工整體安全穩(wěn)定和建造后的美觀問題，采用四周空間桁架+單層網(wǎng)架的方式形成整體穹頂結(jié)構(gòu)，空間桁架上方施工組合樓板，鋼桁架、鋼網(wǎng)架和組合樓板相互之間形成穩(wěn)定的自平衡體系，減少鋼結(jié)構(gòu)采光穹頂自身的變形，為幕墻建筑效果實現(xiàn)創(chuàng)造條件。見圖1。

2.2 采光穹頂施工

2.2.1 深化設(shè)計及策劃

采光穹頂下方為地下室頂板，混凝土梁跨度達到21.3 m，為滿足施工需求，將混凝土梁全部優(yōu)化為勁性梁，提升整體承載能力。

兩棟塔樓之間采光穹頂對稱布置，中間單層網(wǎng)架與四周空間桁架相連。整體安裝思路：地面支撐設(shè)置→地面四周空間桁架拼裝→網(wǎng)架部分安裝。網(wǎng)架斜向主受力桿件長度達到52 m，是整個網(wǎng)架體系的重點?？紤]現(xiàn)場運輸情況，主受力桿件沿中心點分為兩段，現(xiàn)場拼接焊接；后續(xù)曲面造型的桿件需考慮拼裝角度，定型加工。

空間桁架部位桿件較多，最厚鋼板達到80 mm，各部位均采用熔透焊縫連接，現(xiàn)場焊接時需要大量人員施焊，對環(huán)境溫度、操作空間和焊工技能有著很高要求。采用工廠分段加工的方式，控制每段質(zhì)量在15～20 t，滿足場區(qū)內(nèi)移動起重設(shè)備吊重同時，減少現(xiàn)場作業(yè)，工廠化加工更能保障施工精確性和質(zhì)量，節(jié)省施工工期。

施工前，采用SAP2000、SolidWorks對拼裝、提升、卸載全過程進行全過程模擬，對正常提升、局部支點超提和失效狀況下4個提升點提升反力、豎向位移、應(yīng)力進行重點分析[1]。正常提升情況下，最大反力為1 740 kN，豎向最大位移為41.56 mm，最大應(yīng)力比為0.82。

根據(jù)模擬計算，北側(cè)兩點同時超提，左側(cè)超提10 mm，右側(cè)超提5 mm時為最不利狀態(tài)，最大反力為1 327.5 kN，豎向最大位移為26 mm，最大應(yīng)力比為0.63。

東北角支點失效為最不利，最大反力為17 414 kN，豎向最大位移為32.46 mm，最大應(yīng)力比為0.81。

2.2.2 組裝桁架胎架

根據(jù)采光穹頂?shù)亩ㄎ?，清理投影下方場地清理。在樓板和洞口部位設(shè)置路基箱，將荷載傳至首層梁，存在高差的部位采用H390 mm×300 mm×10 mm×16 mm型鋼焊接而成拼裝胎架，按照桁架的分段長度進行合理布置。拼裝胎架每道兩個支點，兼具支撐與防傾倒作用。見圖2。

桁架胎架布置在承載力較大的梁部位，胎架與地面空隙部位采用厚度不同鋼板填塞，保證主要承力點位于梁正上方。拼裝完成后復(fù)核頂部型鋼支撐標高，確保標高與方案要求相符方可進行下一步施工，對于跨中部位支撐預(yù)先加工，比設(shè)計起拱值降低10～20 mm。

2.2.3 組裝四周空間桁架

吊裝采用流動式汽車吊，拼裝區(qū)域樓板滿鋪20 mm鋼板，避免樓板承受集中荷載，汽車吊支腿位置至少3個位于梁上，限制汽車吊大臂旋轉(zhuǎn)方向。桁架上弦開始拼裝時，采用纜風繩進行臨時加固，安裝固定后，采用200 mm×200 mm×8 mm×12 mmH型鋼斜向加固，上端焊接在桁架上弦，下端焊接在拼裝胎架上。

桁架部位安裝順序為先拼裝內(nèi)外側(cè)桁架，再補充中間腹桿。吊裝前，需要檢查吊耳是否合理，桁架吊裝方向及位置是否正確。桁架起吊需要試吊檢查，單側(cè)桁架豎直，較長桿件需要兩端平衡起吊，吊起后構(gòu)件方向便于安裝。桁架吊裝就位后，采用16 mm×110 mm×200 mm碼板臨時固定。桁架整體拼裝完成并通過驗收后進行中間網(wǎng)架部分拼裝。

2.2.4 組裝中間網(wǎng)架

中間網(wǎng)架為單層空間曲面結(jié)構(gòu)，中心距地面高度及變形最大。對網(wǎng)架中心采用路基箱、標準節(jié)和H390 mm×300 mm×10 mm×16 mm型鋼組成臨時支架支頂并考慮網(wǎng)架部分預(yù)起拱。先吊裝網(wǎng)架主管，主管方向和角度矯正安裝完畢后，再安裝豎向通長次管并調(diào)整角度，最后安裝散件次管，各桿件最終交匯于一點。

網(wǎng)架部位作為采光穹頂玻璃和裝修施工的基礎(chǔ)，需要精確控制節(jié)點焊接角度，調(diào)整時水平向采用千斤頂調(diào)整，豎直方向采用倒鏈調(diào)整。

2.2.5 提升點設(shè)計及安裝

根據(jù)不同提升部位，設(shè)計兩種提升做法，原結(jié)構(gòu)牛腿部位設(shè)計設(shè)置“F”節(jié)點支座，其余部位設(shè)置龍門架式工裝。每個點承載力控制在2 000 kN以內(nèi)，以到達均衡受力，穩(wěn)步提升的目的[2]。見圖3。

北側(cè)和南側(cè)由于不能依附原結(jié)構(gòu)，無法直接在支座上方設(shè)置提升點，在相應(yīng)提升點的位置單獨設(shè)置提升工裝胎架，提升工裝自下至上由路基箱、軌道梁支座、標準節(jié)、標準節(jié)頂部支座、提升鋼梁構(gòu)成，形似龍門架，提升上錨點高度25.4 m，提升結(jié)構(gòu)高度24.2 m，保持1 m以上安全距離。見圖4。

“F”節(jié)點支座采用斜撐+提升鋼梁形式構(gòu)成吊臂式提升工裝，在原結(jié)構(gòu)柱處采H300 mm×300 mm×10 mm×16 mm鋼梁抱柱形式固定，下方采用口400 mm×150 mm×25 mm×25 mm支柱與牛腿相連接做支撐點。提升時為避開自身牛腿，需將對應(yīng)支座部位的桁架斷開，增加局部桿件設(shè)置提升下錨點，待提升完畢后嵌補桿件。見圖5。

“F”節(jié)點支座采用SolidWorks建模進行有限元分析，計算吊臂安全性能，應(yīng)力、位移，穩(wěn)定性均滿足要求。

下提升點工裝由40 mm厚鋼板焊接而成，提升位置桁架設(shè)置加勁肋，下部焊接在桁架上翼緣，錨點部位鋼結(jié)構(gòu)相應(yīng)補強。提升裝置采用液壓千斤頂，偏于安全選取時，千斤頂系數(shù)不超過0.6，鋼絞線安全系數(shù)＞4。液壓泵選用需要滿足千斤頂驅(qū)動數(shù)量、提升速度需求、提升過程中同步調(diào)節(jié)、實施控制監(jiān)測等的要求。提升上下錨點工裝必須確保同心豎直，偏差＜20 mm。鋼絞線的兩頭打磨成30°角。

在安裝提升千斤頂和下錨點時，要求投影誤差＜5 mm。隨著提升構(gòu)件不斷上升，鋼絞線會不斷伸出提升油缸導(dǎo)向架安裝于液壓提升器側(cè)方或后方，導(dǎo)向架的導(dǎo)出方向以方便安裝油管、傳感器和不影響鋼絞線自由下墜為原則。導(dǎo)向架橫梁高出液壓提升器天錨約1.2～2 m，偏離液壓提升器中心5～10 cm為宜。

2.2.6 試提升

在空載情況下驗收提升設(shè)備功能。將油缸置于地面，與液壓泵相連，用手控使油缸完成全部動作，驗證系統(tǒng)及諸元件動作的正確性。采用4個油缸提升，每個負載700 kN，分別由4組控制系統(tǒng)控制，模擬實際的自動操作和順控操作功能，能順利完成自動和順控操作，同步誤差在規(guī)定范圍內(nèi)。

試提升作業(yè)前，桁架與胎架之間的連接需要依次全部解除，計算機控制系統(tǒng)進入“自動”操作程序，進行桁架的試提升。提升加載按照20%、40%、60%、70%、80%、90%、95%和100%的荷載比例分級加載。在加載過程中對被提升的桁架和提升支撐結(jié)構(gòu)進行觀測，無異常情況方可繼續(xù)加載。

被提升的桁架脫離胎架后，在被提升桁架最低點離開胎架100 mm懸停。懸停期間，要定時對提升支撐結(jié)構(gòu)和被提升的桁架進行檢查和檢測。在試提升過程中，對各點的位置與負載等參數(shù)進行監(jiān)控，同時觀察系統(tǒng)的同步控制狀況，為下一步施工作出科學的決策提供依據(jù)。

檢查提升設(shè)備工作是否正常；提升過程中的同步控制狀況，檢查提升控制策略是否正確，各種參數(shù)設(shè)定是否恰當；組織配合狀況，檢查提升指揮系統(tǒng)是否順暢、操作與實施人員是否工作配合是否熟練；提升結(jié)構(gòu)的受力、變形等是否滿足設(shè)計要求。

2.2.7 整體提升

整體提升前檢查現(xiàn)場各種備件、通訊設(shè)施、信號傳輸設(shè)備是否完善，提升設(shè)備傳感器信號、控制信號是否到位，提升油缸、液壓泵站和控制系統(tǒng)是否正常，檢查錨具壓力和主泵溢流閥壓力是否合適。提升前查看最近三天天氣情況，避免大風及雨雪天氣提升，當風力超過5級時停止提升。

提升過程中，需要實時觀察各提升點加載和提升情況，記錄壓力和高度情況并對提升裝置周圍進行巡視，檢查結(jié)構(gòu)及提升機構(gòu)是否安全可靠。提升過程中不得對提升機進行拆除或轉(zhuǎn)換。監(jiān)控提升通道是否暢通，當出現(xiàn)障礙物或不可預(yù)見困難應(yīng)停止提升，采取措施避障后進行施工。當鋼結(jié)構(gòu)采光穹頂達到提升高度后，進行平面位置的核對和校正并進入懸停階段。見圖6。

2.2.8 支座合龍及卸載

由于鋼結(jié)構(gòu)桁架需要在提升點位置預(yù)留出提升空間，部分桿件需要提升完成之后安裝。合龍口的焊接質(zhì)量直接關(guān)系整個工程的安全，為整個工程的關(guān)鍵控制點，合龍口焊接前塞桿的質(zhì)量檢查、焊接的施工準備及焊接過程中的工序控制至關(guān)重要。

支座卸載遵循先端部后中間的原則。根據(jù)支座類型分為端部支座和中間部位支座兩種，安裝時先安裝端部支座位置。整體鋼結(jié)構(gòu)采光穹頂合龍溫度與其余部件施工溫度相近時，產(chǎn)生的影響最小。

利用提液壓千斤頂逐級減荷載的方法進行卸載。采用提升器進行卸載，實際為液壓提升設(shè)備松油壓、提升器鋼絞線卸載的過程，按照同步分級卸載方式，每次卸載量取為5 mm/10 mm。卸載采用分級卸載，按照5、10、20、30、30 mm分級卸載，每級卸載按照10 mm進行分步。每級卸載時間隔不少于2 h，每步卸載時間間隔10 min[3]。

3 注意事項

地面桁架胎架及支撐工裝拼裝時，需要對首層結(jié)構(gòu)梁定位準確，避免對樓板產(chǎn)生較大荷載，吊車支腿位置嚴格按照放線位置，嚴格控制大臂旋轉(zhuǎn)角度。提升頂點上方設(shè)置封閉式安全防護平臺，安裝合龍區(qū)在下方設(shè)置水平安全防護和水平安全網(wǎng)。人員上下工裝設(shè)置垂直鋼爬梯和速差防墜器。提升千斤頂配備液壓鎖，防止失速下降；配備溢流閥，限制每臺千斤頂最高負載；配備節(jié)流閥，控制提升千斤頂下放時安全。提升前對各個部件和系統(tǒng)進行驗收和調(diào)試并進行試提升，懸停時間不少于12 h，相鄰兩提升點位移高差≯20 mm。提升前后對地下室頂板、鋼桁架+鋼網(wǎng)架持續(xù)進行變形監(jiān)測，當出現(xiàn)異常變形或超過結(jié)構(gòu)變形限制，應(yīng)立即停止施工并查明原因，排除險情后方可繼續(xù)施工[4]。

4 結(jié)語

鋼桁架+鋼網(wǎng)架采光穹頂整體提升技術(shù)，控制了整體變形，整體提升前后，采光穹頂最大豎向變形為9 mm，水平向基本無變形，有效節(jié)約了資源和工期。利用主體結(jié)構(gòu)和臨時提升工裝組成整體提升體系，提高了整體提升安全性和精確性，能有效提高現(xiàn)場的施工進展，減輕施工人員勞動強度。

參考文獻：

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