大跨度三層雙曲鋼網殼結構施工技術

壽建軍，金　洋

(浙江八達建設集團有限公司， 浙江 杭州 310002)

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大跨度三層雙曲鋼網殼結構施工技術

壽建軍，金洋

(浙江八達建設集團有限公司， 浙江 杭州 310002)

以浙江農林大學天目學院籃球館鋼結構工程為例,分析了雙曲、三層網殼空間結構的施工特點,提出分區、分層、分別合攏的施工方法,解決了復雜軸網布置下的平面及空間定位困難等諸多問題,最后對結構的卸載進行數值模擬并準確指導現場支撐拆除工作。

大跨度；三層雙曲網殼；數值模擬；施工技術

1　工程概況

浙江農林大學天目學院籃球館鋼結構工程位于浙江省諸暨市,主體結構采用空間鋼網殼結構,網殼結構基本形式為螺栓球下弦多點支撐四角錐三層網殼結構,節點為螺栓球與焊接球混合節點網殼。支座采用抗滑移球鉸彈簧支座。見圖1。本工程網架南北向跨度為82.4m,東西向跨度105.8m,上弦最高處標高為31.500m, 最低處標高為16.750m,懸挑長度為8.45m,鋼結構總量約650t。

圖1　籃球館主結構軸測圖

2　工程特點及施工重難點

本工程籃球館為三層、雙曲結構,其跨度大、高差較大,桿件種類繁多。以上5點構成了本工程的主要特點,加之本館部分結構采用了焊接球與螺栓球混合節點,安裝定位的精準度十分重要。

2.1建筑跨度大

本工程籃球館的跨度大,建筑東西跨度105.8m,南北跨度82.4m。工程安裝前進行了專項吊裝專家論證方案。

2.2空間定位困難

雙曲、3層鋼結構網殼節點定位復雜,難點包括平面定位和空間定位。以籃球館為例,37個網殼支座坐落在由4段圓組成的蛋形弧線上,弧線由4個圓心控制。

2.3溫度及施工變形控制困難

施工累積誤差及吊裝導致的網殼變形,以及施工時差的溫度變形等,可以通過控制溫度對結構變形的影響,來使施工時溫差、施工誤差的影響控制到最小。施工期間正值夏季,結構變形值達到峰值。

2.4結構卸載難度大

體育館的結構卸載是本工程的重點與關鍵點。本工程支撐卸載存在如下主要技術難點：

1)本工程鋼結構跨度大,卸載過程中。桿件的應力隨時變化,有可能超過設計應力,故必須對卸載全過程進行詳細周密的分析,制定合理的卸載方案?？赏ㄟ^理論分析來指導整個卸載過程,以保證桿件應力在卸載過程中始終控制在允許范圍。

2)整個卸載過程中需經過多次循環卸載才能最終完成。

3)卸載點分布廣,為了確保結構的安全和建筑外形,卸載工作須精心組織施工，須控制各卸載點同步下降。

3　施工要點及主要過程

3.1施工方法

根據本工程的特點以及以往類似工程的施工經驗,本工程的所有構件將以散件形式發往現場,采用汽車吊配合塔吊提升的拼裝方式,對體育館上空網架采用“搭設滿堂腳手架操作平臺,結合承重井字格構架高空散裝”的施工方案進行施工。

由于工期短、任務重,本工程采用分區分層交叉施工的方法。分區施工流程見圖2。

圖2　分區施工流程示意圖

滿堂腳手架按照專家論證后的方案搭設。單個鋼結構館吊裝順序從有支撐跨的一側開始安裝,形成空間剛度單元后再向后逐步進行安裝。吊裝順序按照以下方法進行。

①外圍1～3圈安裝→②4～6圈安裝,同時1～3圈上部桿件開始安裝→③7～9圈安裝,同時4～6圈上部桿件開始安裝→④里圈安裝,同時7～9圈上部桿件開始安裝→⑤里圈上部桿件開始安裝→⑥拆除腳手架及支撐架,最后完成整個體育館屋面網架結構安裝。分層安裝見圖3。

圖3　上下分層示意圖

3.2彈簧支座定位安裝

本工程選用的是彈簧鉸支座,該支座的滑移方向實際上就是本結構計算模型中釋放的一個位移自由度方向,兩者是否吻合意味著制造、安裝是否符合設計假定,如有偏差則會限制該方向的運動,出現附加支座反力,嚴重時會導致結構破壞。因此支座除了要嚴格控制標高誤差以外還應控制方向誤差。

施工過程中,采用全站儀施工,以土建提供的軸線與標高為基準進行測量定位、劃線。安裝完畢后進行復測?；@球館的37個支座復測結果：37個支座中平面位移最大15mm，最大標高誤差8mm。符合《鋼結構工程施工質量驗收規范(GB50205—2001)》要求。見圖4。

圖4　籃球館37個支座平面位置定位圖

3.3溫度及施工變形、網殼合攏

本工程為抽空三角錐結構形式,結構剛度較小,且支座間距較大,由于施工累積誤差及吊裝導致的網殼變形,施工時差造成的溫度變形等,因此必須控制溫度對結構變形的影響,使施工時溫差和施工誤差影響控制到最小。

通過計算機模擬施工仿真分析,對存在較大變形部位通過桿件加強方式控制變形,對于撓度較大的點,設置臨時支撐,待整體結構施工完成后,整體卸載。

合攏區外桿件安裝完成后,于早上8：00：00及下午18：00：00兩個時間段測量合攏區數據,確定尺寸浮動最小值并確定為安裝時間段,之后立刻交由工廠進行加工,待加工完成運至現場,再確定安裝時間段進行安裝。

3.4支撐架卸載

由于網架安裝時采用了臨時支撐腳手架,在安裝結束后需要拆撐卸載。拆撐卸載的原則是：以結構計算為依據,以結構及支撐系統安全為宗旨,以變形協調為核心,以實時監測為手段。

3.4.1卸載辦法與步驟

本工程采用分步循環卸載法,采用螺旋千斤頂來實現。另外，整體網架安裝完成后各桿件由于受焊接、氣溫變化等原因會存在殘余應力,于是需要放置72h進行自然時效處理,以消除殘余應力再進行卸載。具體步驟如下：

1)中心焊接球節點降10mm,旁邊其余焊接球節點降8mm,最內側三圈螺栓球降5mm；

2)中心焊接球節點降10mm,旁邊其余焊接球節點降10mm,最內側三圈螺栓球降8mm,次內側三圈螺栓球降5mm；

3)如此反復,逐漸向外側支座節點擴展,直至全部節點拆除為止,卸載完畢。

圖5　21個應力敏感點布置圖

3.4.2卸載過程監測

在卸載過程中位移監測是卸載監測的兩個手段之一,所以在模擬分析中必須計算出每步卸載過程中各個點的位移量,通過計算機SAP軟件模擬施工仿真分析,對存在較大變形部位通過桿件加強方式控制變形,對于撓度較大的點,籃球館共設置臨時支撐點162個,待整體結構施工完成后,整體卸載。

21個應力敏感點布置在相應區域的腹桿上,見圖5。對此21個點的應力值進行實時監控,如果與計算值發生偏差或者偏差較大,就暫時停止卸載，檢查原因直到排除故障,再繼續卸載，以保證結構的安全卸載。

卸載中支撐點上部節點的位移量相當重要,通過比較前后兩步的位移量,能夠反映出該支撐點的千斤頂是否退出工作。

支座反力的確定關系到千斤頂的大小,同時也能真實反映千斤頂是否退出工作。見圖6～8。

圖6　部分檢測支撐點布置圖

圖7　卸載過程支撐點支撐反力分析

業主聘請了具有CMA認證專業資質的第三方檢測公司對撓度進行跟蹤檢測,檢測結果是卸載后最大累計高差167.3mm,小于203mm。符合《鋼結構工程施工質量驗收規范(GB50205—2001)》要求。預控效果與計算機仿真模擬基本一致。

圖8　部分關鍵桿件內力變化圖

4　結　語

根據工程質量要求高、工期緊、交叉施工的工程特點,采用了新工藝、新安裝技術及新組織管理法,通過精心組織,合理施工,最后按工程要求完工且沒有發生任何輕傷級以上事故。鋼結構跨度撓度值控制在小于設計值的1.12倍以內。2013年11月18日,通過了鋼結構整體工程的驗收并且獲得了浙江省紹興市的“優質結構工程”、中國建筑鋼結構優質工程“鋼結構金獎”以及中國建設工程“魯班獎”。

Construction Technology of the Large Span Three-Layers Double Curved Steel Reticulated Shell Structure

SHOU Jianjun，JIN Yang

2016-07-14

壽建軍 (1970—),男，浙江杭州人，高級工程師，從事鋼結構設計、施工工作。

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