大跨度雙曲圓管桁架施工關(guān)鍵技術(shù)

周 元，黃 珊，代小強(qiáng)，杜 杰

（1.中國(guó)五冶集團(tuán)有限公司，四川 成都 610063；2.浙江精工鋼結(jié)構(gòu)集團(tuán)有限公司，浙江 紹興 312030）

近年來(lái)，隨著鋼結(jié)構(gòu)在建筑中的廣泛應(yīng)用，各種造型新型，結(jié)構(gòu)獨(dú)特的結(jié)構(gòu)形式應(yīng)運(yùn)而生，也推動(dòng)了大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)的研究和應(yīng)用不斷發(fā)展。

1 工程概況

宜賓市三江口濱江景觀工程“長(zhǎng)江之歌”廣場(chǎng)水幕鋼結(jié)構(gòu)項(xiàng)目位于宜賓市南岸東區(qū)，為大跨拱形鋼結(jié)構(gòu)，由4片交叉柱、5榀雙曲圓管桁架及若干弧形平面聯(lián)系桁架組成，其投影長(zhǎng)度約297m，寬約55m，高約32m，最大跨度約為80m，如圖1。該鋼結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，加工難度大，同時(shí)桁架采用分段吊裝的施工方法，中間段吊裝單元重心位于桁架以外，安裝施工難度大。

本鋼結(jié)構(gòu)項(xiàng)目整體呈拱形，其中主次桁架為雙曲正四邊形圓管桁架，桁架尺寸約為2m×2m，節(jié)間距約為3m，桿件均為圓管截面，主要規(guī)格有P114×4、P127×4、P140×5、P180×10、P245×10、P273×12、P299×14、P351×16、P400×16、P450×25 等，主桁架支撐于4片交叉柱上，與交叉柱通過(guò)相貫焊接或插板節(jié)點(diǎn)剛性連接，同時(shí)，主次桁架在四個(gè)落地端通過(guò)成品滑動(dòng)鉸支座與基礎(chǔ)預(yù)埋板連接。如圖2。

圖1 “長(zhǎng)江之歌”廣場(chǎng)水幕鋼結(jié)構(gòu)工程效果圖

交叉柱通過(guò)8根圓管柱及2根弧形箱形柱交叉編織而成，截面規(guī)格分別為P450×18、B800×700×32×32，交叉柱柱腳通過(guò)成品固定鉸支座與基礎(chǔ)預(yù)埋板連接。

2 施工方案

圖2 “長(zhǎng)江之歌”廣場(chǎng)水幕鋼結(jié)構(gòu)三維線模型圖

1）施工方法及順序 本項(xiàng)目鋼結(jié)構(gòu)施工采用工廠預(yù)制加工，現(xiàn)場(chǎng)地面拼接，大型起重機(jī)進(jìn)行分段吊裝的施工方法。根據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)稱性的特點(diǎn)，鋼結(jié)構(gòu)安裝順序?yàn)椋孩俳徊嬷谥鞔舞旒堋刍⌒温?lián)系桁架，桁架安裝分別從兩端向中間推進(jìn)。

2）加工及吊裝分段方案 為確保雙曲面桁架及交叉柱的拼裝精度和質(zhì)量，根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)分段方案，在工廠進(jìn)行整段拼裝，拼裝校核焊接復(fù)測(cè)完畢后，再根據(jù)公路運(yùn)輸限制要求（運(yùn)輸長(zhǎng)度控制在16m以內(nèi)）進(jìn)行分割運(yùn)輸，到現(xiàn)場(chǎng)后再進(jìn)行地面組裝恢復(fù)至吊裝分段單元，進(jìn)行吊裝，高空對(duì)接。桁架吊裝分段位置，根據(jù)臨時(shí)支撐設(shè)置位置及吊裝重量進(jìn)行設(shè)置，長(zhǎng)度從35m至70m不等，其中最大分段為桁架中間段，其分段長(zhǎng)度約為70m，重量約為38.03t，分段方案如圖3。

3）施工機(jī)械 選用1臺(tái)260t履帶起重機(jī)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的分段吊裝，選用1臺(tái)180t汽車起重機(jī)配合進(jìn)行中間段桁架的雙機(jī)抬吊施工；選用1臺(tái)50t汽車起重機(jī)、1臺(tái)25t汽車起重機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分段地面拼裝、構(gòu)件卸車與倒運(yùn)。

4）臨時(shí)支撐及合攏卸載 根據(jù)桁架的分段吊裝方案，設(shè)置臨時(shí)支撐架，并按要求設(shè)置焊接合攏縫，合攏縫設(shè)于主桁架分段點(diǎn)位置，在鋼結(jié)構(gòu)安裝完成后，選擇合適時(shí)機(jī)進(jìn)行合攏施工。合攏完成后，逐步分級(jí)拆除臨時(shí)支撐架對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行卸載。臨時(shí)支撐架及合攏縫如圖4。

3 雙曲面圓管桁架的簡(jiǎn)化加工

雙曲面圓管桁架因其弦桿為雙曲線，通常需采用專業(yè)軟件和專業(yè)設(shè)備，并需具備一定的專業(yè)建模、加工制造能力，因此，雙曲面圓管桁架的深化設(shè)計(jì)和加工難度較大，工序繁瑣，成本較高。但是，雙曲面圓管桁架的加工難點(diǎn)，主要集中在桁架雙曲弦桿的深化設(shè)計(jì)與加工，且雙曲弦桿通常只是平口對(duì)接，需進(jìn)行相貫口加工的雙曲弦桿較少（僅出現(xiàn)在主次桁架的弦桿連接處），因此，最具加工難度的雙曲桿件的加工量在整個(gè)工程桿件加工量中的占比往往較小，為此過(guò)度的使用深化設(shè)計(jì)和加工資源，耗費(fèi)大量人力物力，將造成資源的極大浪費(fèi)。為此，對(duì)雙曲面圓管桁架進(jìn)行簡(jiǎn)化很有必要。

3.1 簡(jiǎn)化原理

一般地，實(shí)際工程中所出現(xiàn)的雙曲面圓管桁架都存在以下特點(diǎn)。

1）雙曲線是兩個(gè)方向上均存在彎曲的線，對(duì)于弧線而言，其構(gòu)件力學(xué)性能受曲率大小影響，曲率越大，曲率半徑越小，其彎曲程度越大，受力性能越差。因此，在實(shí)際工程中通常雙曲線僅一個(gè)方向上的曲率稍大，另一方向上的曲率較小。

圖3 分段吊裝方案

圖4 臨時(shí)支撐架及合攏縫

2）無(wú)論是雙曲線還是單曲線，“以直代曲”一直都是設(shè)計(jì)師進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模與計(jì)算分析的前提。因此，以直線段代替弧線段（或單曲線），以弧線（或單曲線）代替雙曲線，在一定程度上，不會(huì)影響結(jié)構(gòu)的受力性能，不會(huì)削弱結(jié)構(gòu)安全和可靠度，但同時(shí)，在單曲或雙曲桁架的實(shí)際工程中，也不會(huì)按結(jié)構(gòu)建模與設(shè)計(jì)的方式，采用直線代替曲線的做法，這樣會(huì)導(dǎo)致桿件對(duì)接口過(guò)多、相貫口不規(guī)則等問(wèn)題，除非在節(jié)點(diǎn)位置設(shè)置球節(jié)點(diǎn)或連接板，則結(jié)構(gòu)形式發(fā)生根本性變化。

3）在曲線桁架的加工與安裝施工時(shí)，即使桁架的曲率較小，也不宜直接“以直代曲”（即用折線代替弧線），否則，不僅折點(diǎn)位置過(guò)度不平滑，影響結(jié)構(gòu)曲線桁架造型，且桁架弦桿對(duì)接口過(guò)多，施工量無(wú)限加大，造成結(jié)構(gòu)質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。

鑒于以上特點(diǎn)，可以考慮在不影響結(jié)構(gòu)造型的前提下，以單曲線代替雙曲線，對(duì)雙曲面圓管桁架進(jìn)行簡(jiǎn)化加工，可有效降低工程施工難度，節(jié)約工程成本。

3.2 簡(jiǎn)化方法

深化設(shè)計(jì)是鋼構(gòu)件加工的第一步，也是指導(dǎo)加工制作的重要一步。雙曲面圓管桁架的深化設(shè)計(jì)，需借助類似Rhino軟件的曲面建模軟件，或?qū)AD軟件進(jìn)行二次開發(fā)，專業(yè)要求較高，通過(guò)簡(jiǎn)化可直接采用CAD軟件進(jìn)行桁架的深化設(shè)計(jì)。

通常圓管桁架都是將桁架各桿桿端點(diǎn)作為控制點(diǎn)，通過(guò)提供各控制點(diǎn)的坐標(biāo)及坐標(biāo)之間的直線段，來(lái)確定圓管桁架的大致形態(tài)，但是僅利用施工圖中提供的坐標(biāo)控制點(diǎn)，并不能完全滿足雙曲圓管桁架的加工制造要求。

管材的常用規(guī)格長(zhǎng)度為6m、9m及12m等，以及機(jī)械彎曲加工的長(zhǎng)度需要，因此桁架弦桿需要進(jìn)行對(duì)接，同時(shí)根據(jù)桁架結(jié)構(gòu)的構(gòu)造要求，管材對(duì)接接頭應(yīng)避開桁架節(jié)點(diǎn)位置，且距節(jié)點(diǎn)或端頭的最短距離不得小于500mm，因此除應(yīng)盡可能利用施工圖提供的桁架控制點(diǎn)外，還須結(jié)合弦桿下料長(zhǎng)度及接頭位置，適當(dāng)增減控制點(diǎn)。另外，當(dāng)相鄰兩節(jié)點(diǎn)之間的弦桿曲率較大，彎曲幅度較大時(shí)，也應(yīng)考慮在兩節(jié)點(diǎn)之間增加控制點(diǎn)，以確保桁架的彎曲成型效果。

基于CAD技術(shù)的雙曲面圓管桁架的深化設(shè)計(jì)，主要包括以下幾個(gè)步驟。

1）繪制曲線 利用設(shè)計(jì)圖提供的坐標(biāo)控制點(diǎn)，繪制樣條曲線，依次串聯(lián)各雙曲線控制點(diǎn)。因樣條曲線為三維曲線，因此再CAD軟件中可以隨意連接各空間坐標(biāo)點(diǎn)。

2）重新劃分控制點(diǎn) 使用拆分命令，對(duì)樣條曲線進(jìn)行劃分，從而在盡可能不丟失雙曲線線形的前提下，實(shí)現(xiàn)對(duì)雙曲線坐標(biāo)控制點(diǎn)的增減調(diào)整，從而得到新的控制點(diǎn)。曲線劃分可按份數(shù)和長(zhǎng)度兩種方式，以確保桁架的節(jié)間長(zhǎng)度和位置。

3）繪制弧線 在CAD中，弧線只能在由三點(diǎn)確定的平面內(nèi)繪制，因此先利用相鄰三個(gè)控制點(diǎn)，建立新的坐標(biāo)平面，再在新的坐標(biāo)平面內(nèi)依次串聯(lián)三個(gè)控制點(diǎn)繪制弧線。緊接著，利用前一條弧線的最后一個(gè)控制點(diǎn)，和之后相鄰的兩個(gè)控制點(diǎn)，建立新的坐標(biāo)平面并繪制下一條弧線，依次類推，最后完成弧線段繪制。

由此，以單曲線（即弧線）代替雙曲線，得到多條首尾相連的弧線，每條弧線作為一個(gè)彎弧加工單元，進(jìn)行彎弧加工，再將各條弧形構(gòu)件按照一定的扭轉(zhuǎn)角度進(jìn)行對(duì)接，從而得到雙曲圓管桁架弦桿。

4 偏心吊裝單元的雙機(jī)抬吊

在桁架分段吊裝時(shí)，為便于桁架高空就位對(duì)接，應(yīng)合理選擇吊點(diǎn)，并通過(guò)調(diào)節(jié)繩長(zhǎng)，使吊裝單元保持理想的姿態(tài)。但是，本工程鋼結(jié)構(gòu)為雙曲圓管桁架結(jié)構(gòu)，其中間段吊裝單元的重心位于結(jié)構(gòu)外部，使得傳統(tǒng)的吊裝方法很難確保吊裝單元處于理想的姿態(tài)，吊裝難度較大。

為了解決此問(wèn)題，提出以下兩種方案：方案一：增加臨時(shí)結(jié)構(gòu)，從而改變吊裝單元的重心；方案二：對(duì)吊裝單元進(jìn)行二次劃分，將吊裝單元一分為二，或一分為三，得到兩段或三段重心位于結(jié)構(gòu)內(nèi)部的吊裝單元。但是，以上方案均存在缺點(diǎn)：方案一新增的臨時(shí)結(jié)構(gòu)將增加吊裝單元重量，并在吊裝過(guò)程中會(huì)改變整個(gè)桁架結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，同時(shí)，吊裝完畢后需對(duì)臨時(shí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆除，其高空拆除難度較大；方案二需增設(shè)臨時(shí)支撐架，且支撐架高度較大，穩(wěn)定性要求高，同時(shí)增加桁架高空對(duì)接施工量，安全風(fēng)險(xiǎn)加大。因此，不宜直接選用以上方案，綜合以上方案優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)方案二進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，提出采用虛擬分割和重心等效的方法進(jìn)行雙機(jī)抬吊的施工方案。

4.1 重心等效原理

對(duì)物體起吊進(jìn)行受力分析，物體重力和起重機(jī)起重力在同一方向上，并形成一對(duì)平衡力，若將以上兩對(duì)平衡力無(wú)限靠近，使兩個(gè)物體虛接觸，并將兩物體合并為一個(gè)整體，則此連接面上不會(huì)產(chǎn)生豎向附加力，物體合并也不會(huì)對(duì)兩個(gè)起重機(jī)起重力的分配造成影響。反之，若將此過(guò)程進(jìn)行逆向操作，則采用虛擬分割可實(shí)現(xiàn)重心等效的目的。

4.2 雙機(jī)抬吊施工

根據(jù)重心等效原理，對(duì)本工程中間段吊裝單元進(jìn)行虛擬分段，將其一分為二，分段點(diǎn)大致位于中間段吊裝單元的三分點(diǎn)位置，并分別測(cè)算兩段桁架的重心位置，再根據(jù)分段單元的重心位置，選擇鋼絲繩綁扎點(diǎn)，并通過(guò)調(diào)節(jié)鋼絲繩的繩長(zhǎng)，使吊鉤位置與重心近似重合。如圖5。

圖5 中間段鋼結(jié)構(gòu)雙機(jī)抬吊

在吊裝過(guò)程中，雙機(jī)抬吊的同步性，將直接影響兩臺(tái)起重機(jī)實(shí)際起重力與理論分析結(jié)果間的偏差大小，同步性也好，偏差越小，反之，則偏差越大，安全風(fēng)險(xiǎn)越高，因此應(yīng)盡可能使雙機(jī)抬吊保持緩慢、同步提升；同時(shí)，為預(yù)防雙機(jī)抬吊不同步引起的安全風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)采用一大一小兩臺(tái)起重機(jī)進(jìn)行雙機(jī)抬吊施工，且其中起重能力較大的起重機(jī)應(yīng)具備能單獨(dú)起吊整個(gè)吊裝單元的能力，鋼絲繩也應(yīng)加大安全系數(shù)取值，確保單個(gè)鋼絲繩能承載整個(gè)吊裝單元的重量。采用此方法，順利完成本項(xiàng)目中間段吊裝單元的施工，如圖6。

圖6 中間段鋼結(jié)構(gòu)單元吊裝完成

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)工程實(shí)踐，采用基于CAD技術(shù)通過(guò)以弧代曲對(duì)雙曲面圓管桁架進(jìn)行簡(jiǎn)化加工，采用虛擬分割與重心等效的方法進(jìn)行桁架雙機(jī)抬吊安裝，解決了大跨度雙曲面圓管桁架的施工難題，取得了較好的效果，為同類工程的施工積累了經(jīng)驗(yàn)。

[1]JGJ7-2010，空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[2]王建勛,王 東,楊 明,等.環(huán)形大跨度雙曲面屋蓋管桁架安裝技術(shù)[J].施工技術(shù)，2016，(2)：58-60.

[3]倪 志,方謀亞,伍科亮.大跨度雙曲面管桁架快速預(yù)裝施工技術(shù)[J].安裝，2015，(9)：25-27.

[4]GB 50205-2001，鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范[S].