商業(yè)mall大跨度穹頂鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工

聶 浩，黃磊群，雷 相，梁斯宇，鄧華明，劉愛英

(廣西路橋集團(tuán)建筑工程有限公司,廣西 南寧 530000)

大跨度穹頂鋼結(jié)構(gòu)常用于體育館、娛樂場所、大型商業(yè)建筑等場所,例如萬達(dá)購物中心,其具有自重輕、造價低、安全可靠、采光性能好、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點,但大跨度穹頂鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜、安裝精度要求高、安裝穩(wěn)定性差,高空作業(yè)等特點,給穹頂結(jié)構(gòu)施工安裝造成較大困難。本文以南寧市望州路舊城改造商業(yè)mall項目大跨度穹頂鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工為例,從ANSYS軟件分析、結(jié)構(gòu)計算、鋼梁柱吊裝、臨時支撐架體搭設(shè)等方面展現(xiàn)大跨度穹頂鋼結(jié)構(gòu)建造技術(shù)的實際應(yīng)用。

1 工程概況

望州路舊城改造商業(yè)mall項目位于南寧市興寧區(qū)燕州路以北,望州路以西,處于興寧區(qū)中心地帶,該項目商住一體,占地面積31 050.79 m2,總建筑面積197 505.07 m2,商業(yè)建筑屋頂采用穹頂結(jié)構(gòu),平面尺寸為32.1 m×27.2 m,穹頂最高處標(biāo)高為28.366 m,采用國產(chǎn)優(yōu)質(zhì)Q235B鋼,鋼柱采用350×200×12鋼方管,高4.1 m,主鋼梁采用250×100×6鋼方管,最大長度32.1 m,次鋼梁采用90×90×4鋼方管,鋼環(huán)梁采用350×450×14梯形鋼管,穹頂最高處標(biāo)高為28.366 m。

2 工程重難點分析

望州路舊城改造商業(yè)mall項目是一個復(fù)雜的建筑工程,該項目的商業(yè)建筑采用穹頂結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)相對于傳統(tǒng)的平頂建筑來說更復(fù)雜,需要特殊的設(shè)計和施工技術(shù)。穹頂?shù)母叨群颓€形狀將對結(jié)構(gòu)工程師和施工團(tuán)隊提出挑戰(zhàn),需要確保穹頂?shù)姆€(wěn)定性和安全性。首先,項目的穹頂結(jié)構(gòu)采用鋼結(jié)構(gòu),包括鋼柱、主鋼梁、次鋼梁和鋼環(huán)梁。鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計和制作需要高度的精確度和質(zhì)量控制,以確保其能夠承受穹頂?shù)闹亓坎M足安全標(biāo)準(zhǔn)。其次,穹頂?shù)淖罡唿c標(biāo)高為28.366 m,這意味著整個結(jié)構(gòu)需要具有良好的穩(wěn)定性和抗風(fēng)能力,特別是在南寧地區(qū)遇到的極端天氣條件下。此外,考慮到項目是商住一體的綜合建筑,需要在商業(yè)和住宅區(qū)域之間進(jìn)行有效的設(shè)計和協(xié)調(diào),具體包括保障商業(yè)和住宅區(qū)域的功能性和隔離性,以滿足不同用途的需求。最后,由于項目位于市中心地帶,會面臨土地限制和規(guī)劃限制的挑戰(zhàn)。需要確保項目符合土地利用規(guī)劃要求,并考慮交通、停車和城市基礎(chǔ)設(shè)施等因素,且在施工過程中,特別是在建造高大的穹頂結(jié)構(gòu)時,必須嚴(yán)格遵守施工安全規(guī)定,確保工人的安全。現(xiàn)場管理和協(xié)調(diào)也是確保工程順利進(jìn)行的關(guān)鍵因素。綜合來看,望州路舊城改造商業(yè)mall項目具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和設(shè)計要求,需要高水平的工程和管理技術(shù),以確保工程的成功實施。在項目的各個階段,包括設(shè)計、施工和運營,都需要認(rèn)真考慮上述重難點,以減少風(fēng)險并實現(xiàn)項目的可持續(xù)發(fā)展。

3 穹頂鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 穩(wěn)定性計算

穹頂鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性計算是確保結(jié)構(gòu)在各種負(fù)載和環(huán)境條件下安全的關(guān)鍵步驟。首先,需要確定穹頂結(jié)構(gòu)將承受的各種設(shè)計荷載,包括風(fēng)荷載、雪荷載、自重、設(shè)備荷載等,這些荷載會影響結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,根據(jù)設(shè)計荷載,選擇適當(dāng)?shù)牟牧虾徒孛娉叽鐏順?gòu)建鋼結(jié)構(gòu)。確保材料的強度和剛度滿足設(shè)計要求,在應(yīng)用過程中可以使用結(jié)構(gòu)分析軟件或手工方法,建立穹頂結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型,模型應(yīng)包括所有的結(jié)構(gòu)組件,如鋼柱、主鋼梁、次鋼梁和鋼環(huán)梁,在此基礎(chǔ)上確定結(jié)構(gòu)的邊界條件,包括支承條件和懸臂長度等,相關(guān)條件對結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性計算至關(guān)重要,可以使用適當(dāng)?shù)姆€(wěn)定性理論和方法,對穹頂結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)定性分析。常見的穩(wěn)定性分析方法包括歐拉穩(wěn)定性、彎扭穩(wěn)定性、局部穩(wěn)定性等。最后,穹頂結(jié)構(gòu)上的荷載會不均勻分布,例如,風(fēng)荷載在不同高度有不同的作用,在穩(wěn)定性計算中,需要考慮這些非均勻荷載分布。此外,在穩(wěn)定性計算中,通常會考慮極端條件,例如最大風(fēng)荷載或地震荷載,有助于確保結(jié)構(gòu)在極端情況下也能保持穩(wěn)定,完成初步穩(wěn)定性計算后,進(jìn)行校核以確保結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計要求,在穹頂結(jié)構(gòu)中,扭曲和剪切效應(yīng)也需要考慮在內(nèi)。這些效應(yīng)可以通過適當(dāng)?shù)姆€(wěn)定性分析方法來處理。

在本設(shè)計中,采用ANSYS 2021R1有限元軟件整體計算分析,計算跨度32.1 m,初始缺陷取跨度的1/300,荷載選取滿跨恒荷載與半跨均布活荷載進(jìn)行全過程分析。恒載單向桿件導(dǎo)荷取0.5 kN/m2、雙向桿件導(dǎo)荷取0.7 kN/m2;活載為雙向桿件導(dǎo)荷方式取0.5 kN/m2。半跨均布荷載分別布置在上半跨(工況1)、左半跨(工況2)、右半跨(工況3),見圖1。采用恒荷載+活荷載標(biāo)準(zhǔn)組合,各選用15組不同模態(tài)進(jìn)行分析,其中1.00恒載+1.00活載工況1,第12組模態(tài)1,2情況下穩(wěn)定系數(shù)最小為22.457;1.00恒載+1.00活載工況2,第13組模態(tài)1,2情況下穩(wěn)定系數(shù)最小為20.748;1.00恒載+1.00活載工況3,第74組模態(tài)1,2情況下穩(wěn)定系數(shù)最小為22.525。最小整體穩(wěn)定系數(shù)取第13組模態(tài)1,2情況下的20.748,滿足規(guī)范設(shè)計要求[1-3]。

根據(jù)線性分析結(jié)果,第13組模態(tài)1,2情況下穩(wěn)定系數(shù)最小,對13組模態(tài)1情況下Z向位移最大的112號節(jié)點進(jìn)行非線性(時程曲線)穩(wěn)定性分析,其安全系數(shù)為10.1>4.2,滿足要求,見圖2。

3.2 結(jié)構(gòu)計算

穹頂鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算,以確保結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性。結(jié)構(gòu)計算之前需要進(jìn)行靜力分析,計算結(jié)構(gòu)在各種設(shè)計荷載下的內(nèi)力、反力和位移。這可以通過有限元分析等方法來完成,如果結(jié)構(gòu)位于地震活躍區(qū)域,需要進(jìn)行動力分析,以評估結(jié)構(gòu)在地震作用下的響應(yīng),在此基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計算[4],包括歐拉穩(wěn)定性、彎扭穩(wěn)定性和局部穩(wěn)定性等。這些計算將確保結(jié)構(gòu)在荷載作用下不會失穩(wěn)。完成初步結(jié)構(gòu)計算后,進(jìn)行校核以確保結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計要求。如果需要,可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化,以提高性能并減少材料使用,如果結(jié)構(gòu)將受到循環(huán)荷載或振動荷載的影響,需要進(jìn)行疲勞分析,以評估結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。

本工程采用Q235鋼材:彈性模量:2.06×105N/mm2;泊松比:0.30;線膨脹系數(shù):1.20×10-5;質(zhì)量密度:7 850 kg/m3。

永久荷載包括:玻璃、桿件、連接件、附件等的自重,標(biāo)準(zhǔn)值取0.65 kN/m2;活荷載:按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)值[5]取0.000 5 kN/m2;風(fēng)荷載:垂直作用于采光頂表面,對于采光頂結(jié)構(gòu),荷載作用復(fù)雜,并且有時風(fēng)壓是正,而有時候是負(fù),一定范圍內(nèi)的負(fù)壓對結(jié)構(gòu)是有利的。因此實際計算的時候要分別考慮并采用其參與組合后的最大值,比較大的風(fēng)荷載體型系數(shù)情況下的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值wk+取0.553 kN/m2;比較小的風(fēng)荷載體型系數(shù)情況下的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值wk-取-1.106 kN/m2。

地震作用:地震設(shè)防烈度7度(0.10g),計算振型數(shù)取9個,建筑結(jié)構(gòu)阻尼比0.040,特征周期值0.40 s,采用振型分解法,第二組,場地Ⅱ類。

分別考慮恒載、活荷載、風(fēng)荷載、豎向地震、水平地震等工況作用組合下,對鋼結(jié)構(gòu)屋蓋進(jìn)行詳細(xì)的計算分析,對各單工況結(jié)果考慮了94種荷載組合,將穹頂整體結(jié)構(gòu)劃分為760個單元構(gòu)件,對各單元構(gòu)件進(jìn)行強度應(yīng)力比、整體穩(wěn)定應(yīng)力比進(jìn)行分析,計算結(jié)果見表1,其中強度應(yīng)力比小于0.5的單元構(gòu)件621個,占比81.7%;繞2軸整體穩(wěn)定應(yīng)力比小于0.5的單元構(gòu)件607個,占比79.9%;繞3軸整體穩(wěn)定應(yīng)力比小于0.5的單元構(gòu)件591個,占比77.8%。整體穩(wěn)定應(yīng)力比大于0.9的單元構(gòu)件,繞2軸僅2個,占比0.3%;繞3軸12個,占比1.6%,強度應(yīng)力及穩(wěn)定應(yīng)力比均不大于1,滿足設(shè)計要求。

表1 應(yīng)力比統(tǒng)計結(jié)果表

對結(jié)構(gòu)整體采用有限元軟件分析,撓度變形見圖3,其鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件撓度變形中間大,四周小,最大豎向撓度為28.1 mm,小于l0/300=32 100/300=107 mm,滿足規(guī)范要求。

4 穹頂鋼結(jié)構(gòu)施工

4.1 穹頂鋼結(jié)構(gòu)安裝方案

穹頂鋼結(jié)構(gòu)的安裝是一個復(fù)雜的過程,需要嚴(yán)格按照計劃進(jìn)行,以確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性,以下是穹頂鋼結(jié)構(gòu)安裝的主要流程:1)鋼結(jié)構(gòu)預(yù)埋件預(yù)埋:進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)預(yù)埋件的預(yù)埋工作,包括在地基或基礎(chǔ)混凝土中設(shè)置預(yù)埋螺栓或其他連接元件,以便后續(xù)的鋼結(jié)構(gòu)可以安全地固定在上面,預(yù)埋件的位置和尺寸必須按照設(shè)計圖紙精確布置。2)矩形鋼立柱安裝:安裝過程的下一步是安裝矩形鋼立柱。這些立柱通常位于結(jié)構(gòu)的四個角落和中間位置,用于支撐主要的鋼結(jié)構(gòu)框架。立柱必須垂直安裝,并與預(yù)埋件進(jìn)行牢固的連接。3)柱頂鋼環(huán)梁(邊梁)安裝:在立柱安裝后,安裝柱頂?shù)匿摥h(huán)梁或邊梁。這些橫向構(gòu)件將連接立柱,形成結(jié)構(gòu)的基本框架。安裝過程需要確保這些梁與立柱的連接緊固,以保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。4)主梁安裝:主梁是支撐穹頂?shù)年P(guān)鍵構(gòu)件。它們通常位于結(jié)構(gòu)的頂部,橫跨邊梁之間,主梁的安裝需要仔細(xì)的計劃和高度精確的位置控制,以確保整個結(jié)構(gòu)的幾何形狀和穩(wěn)定性。5)次梁安裝:次梁是用于支撐穹頂玻璃組件的次要結(jié)構(gòu)構(gòu)件。它們位于主梁之間,并起到加強和穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的作用,次梁的安裝需要與主梁對接和連接。6)采光穹頂玻璃組件安裝:進(jìn)行采光穹頂玻璃組件的安裝。這些玻璃組件將覆蓋整個穹頂結(jié)構(gòu),提供采光和美觀性,安裝過程需要小心操作,以確保玻璃的安全性和完整性,在整個安裝過程中,安全是至關(guān)重要的,必須嚴(yán)格遵守相關(guān)的安全標(biāo)準(zhǔn)和操作規(guī)程。同時,需要確保所有連接點和固定件都經(jīng)過正確的安裝和檢查,以確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。

1)鋼結(jié)構(gòu)預(yù)埋件在穹頂洞口反邊鋼筋綁扎時預(yù)埋,采用兩根φ12 mm鋼筋作為埋件托筋,與反邊鋼筋焊接固定,保證預(yù)埋板不移動后與洞口反邊整體澆筑。

2)鋼立柱為單根矩形鋼管,長4.1 m,單根總重394.59 kg,現(xiàn)場采用塔吊進(jìn)行吊裝;鋼立柱吊至預(yù)埋件上時,先臨時固定,調(diào)整垂直度至符合規(guī)范要求,若超出范圍,可采用墊片或?qū)Ｓ缅涜F調(diào)整。垂直度無誤后,先點焊連接穩(wěn)固后采用四面滿焊焊接立柱與預(yù)埋件。

3)鋼環(huán)梁(邊梁)位于柱頂,為弧形,每根長度為4.5 m,重403.56 kg,使用塔吊吊裝就位與鋼柱點焊臨時固定,調(diào)整平整度合格后對接滿焊,在屋面搭設(shè)雙排腳手架作為操作平臺。

4)主鋼梁截面尺寸為250 mm×100 mm×6 mm,長32.1 m,單根鋼主梁最大質(zhì)量為997.8 kg,吊裝前采用四點綁扎的方法對鋼梁進(jìn)行多次試吊,保證主梁不傾斜來確保吊點準(zhǔn)確位置。吊裝過程中,第一榀主鋼梁吊至環(huán)形梁處,不要松鉤,對準(zhǔn)定位軸線調(diào)整垂直度,并檢查側(cè)向彎曲,臨時固定并焊接后,進(jìn)行相鄰軸線主鋼梁吊裝,第二榀主鋼梁與第一榀主鋼梁相互平行,水平方向采用型鋼第一根主鋼梁上臨時固定,豎向采用方通臨時固定在滿堂支撐上,確保主梁安裝穩(wěn)定,以此類推,必要時可拉設(shè)攬風(fēng)繩避免鋼梁的傾斜[6]。

5)次梁按照圖紙設(shè)計要求分格安裝,焊縫厚度不少于設(shè)計焊縫厚度的2/3,且不大于8 mm,焊縫長度不宜小于25 mm,位置應(yīng)在焊道內(nèi)。

4.2 臨時支撐體系支撐

屋頂穹頂?shù)匿摻Y(jié)構(gòu)施工是該項目的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié),需要仔細(xì)計劃和高度專業(yè)化的操作。以下是對屋頂穹頂鋼結(jié)構(gòu)施工的詳細(xì)描述,包括屋面外圍支撐體系和屋面骨架滿堂支撐體系。

1)屋面外圍支撐體系。在屋面穹頂?shù)乃闹?有高度為4.1 m的鋼環(huán)梁。這些鋼環(huán)梁的安裝是關(guān)鍵步驟之一,因為它們將支撐整個穹頂結(jié)構(gòu)。為了完成這項任務(wù),采用了移動式門式架作為作業(yè)操作平臺。這個平臺是為了讓工人能夠到達(dá)鋼環(huán)梁的高度,并進(jìn)行焊接和安裝工作。通過使用移動式門式架,可以有效解決立柱與環(huán)形梁的焊接問題,因為工人可以在較高的位置工作,而不需要懸掛或其他不便的工作方式。這有助于提高工作效率和安全性。

2)屋面骨架滿堂支撐體系。屋面的主次梁以及玻璃安裝需要采用滿堂支撐體系。滿堂支撐體系使用直徑為48.3 mm×3.6 mm的普通鋼管搭建操作平臺。這個平臺的搭設(shè)高度達(dá)到27 m,縱向跨距為1 000 mm,共有32跨;橫向跨距為1 000 mm,共有26跨。同時,在平臺上設(shè)置立桿,立桿的步距為1 500 mm,為了支撐工人在平臺上進(jìn)行工作,腳手板以平行于平臺橫向鋪設(shè)的方式鋪設(shè)。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計旨在確保平臺的穩(wěn)定性和承載能力,以滿足主次梁的焊接和玻璃安裝等工作的要求。

總的來說,屋頂穹頂?shù)匿摻Y(jié)構(gòu)施工需要高度專業(yè)的操作和嚴(yán)格的安全措施。使用移動式門式架和滿堂支撐體系等現(xiàn)代施工技術(shù),可以確保工程按計劃進(jìn)行,同時保障了工人的安全。這些施工步驟是確保屋頂穹頂?shù)姆€(wěn)定性和安全性的關(guān)鍵因素,對于整個項目的成功至關(guān)重要。穹頂鋼結(jié)構(gòu)安裝示意圖見圖4。

5 結(jié)論

1)采用有限元軟件對穹頂鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行線性及非線性穩(wěn)定性分析,采用線性分析時其最小穩(wěn)定系數(shù)為20.748;對其穩(wěn)定系數(shù)最小的節(jié)點進(jìn)行非線性分析(時程曲線),其安全系數(shù)為10.1,均滿足設(shè)計要求。

2)對結(jié)構(gòu)采用94種不同荷載組合,對構(gòu)件單元進(jìn)行強度應(yīng)力比、整體穩(wěn)定應(yīng)力比分析,應(yīng)力比均小于1,豎向撓度最大變形為28.1 mm,小于規(guī)范設(shè)計要求。

3)屋面穹頂鋼結(jié)構(gòu)安裝結(jié)合現(xiàn)場實際安裝方案、施工現(xiàn)場環(huán)境等條件,外圍采用移動式門式架,內(nèi)部采用滿堂支撐作為臨時操作平臺。