樹杈結構單元式拼裝預變形施工技術

那志強

摘? ? 要：樹杈結構的吊裝施工過程，上部結構荷載對底部結構的變形有較大影響。為使竣工時的樹杈結構達到設計位置，滿足樹狀結構的整體變形及承載力要求，在單元式拼裝技術基礎上提出預變形施工技術。針對唐山勒泰中心項目的冰場樹杈結構，通過MIDAS進行施工模擬，確定樹杈結構各節點的預變形值。指導樹杈結構的現場施工，并明確施工方案和施工流程，應用效果好。

關鍵詞：樹杈結構;預變形;單元式拼裝;施工模擬;現場施工

1? 引言

隨著社會的進步與發展，近年來樹杈結構在大型、大跨度、造型復雜的空間結構得到廣泛的應用。作為一種新型結構形式，它具有美觀且光滑連貫的過渡外形，并且支撐空間大，覆蓋范圍廣。一般樹狀結構由主干柱、分級節點、分級樹杈組成。

鑒于樹杈結構獨特的造型和受力的連貫性，樹狀結構的施工必須采取科學、合理、可靠的技術，才能保障整體工程的質量。

結合唐山勒泰中心項目A區冰場的樹杈結構，為降低施工難度，提高施工速度和質量，提出并采用單元式拼裝預變形施工技術。

2? 工程概況

唐山勒泰中心項目A區由穹頂和冰場組成。A區冰場樹杈上空為曲線鋼結構網格，主次梁結構，支撐冰場上空的為樹杈結構，樹杈頂部支管與屋面主次梁以單向鉸形式連接。典型樹杈為一分四，四分十六形狀樹杈，其余形狀有一分二，二分六形狀樹杈。

樹杈結構是冰場主要的受力結構，其施工過程也是該工程的關鍵環節。為降低施工難度，提高樹狀結構的施工速度和施工質量。本工程對樹杈結構的吊裝采用從下而上分級單元式拼裝技術。另外樹杈結構的吊裝施工過程，上部結構荷載對底部結構的變形有較大影響，正常施工過程會造成樹杈柱及上部結構的位置偏差，產生較大側移。為使竣工時的樹杈滿足設計位置，保證樹狀結構的整體變形及承載力，在單元式拼裝技術基礎上提出預變形施工技術，形成樹杈結構單元式拼裝預變形施工技術，并指導現場的工程施工。

3? 技術原理

3.1? 預變形值確定方法

為更好地控制樹杈結構在施工過程中由偏心荷載造成的側向變形，先通過全過程施工模擬計算預變形值，再進一步指導現場施工。

預變形值的計算方法為正裝迭代法，結合二級樹杈結構施工過程，說明正裝迭代法的具體步驟：

（其中v為結構希望達到的設計位置，u（i）為第i次迭代后相對初始位置的變形。）

給定設計位置v，按照實際施工方案對樹杈結構進行全過程正序跟蹤分析，可得到成型狀態結構的變形u（1）和位置v + u（1）;則以? u（1）作為預變形值，施加到設計位置上，就得到初始位置vu（1）。如果結構按施工步正常施工，在竣工狀態時回到設計位置;或者第二次以u（2）迭代達到設計位置，二者誤差u（1） ? u（2）較小滿足變形收斂標準（豎向高度h/2000內收斂），此時vu（1）即為初始位置，?u（1）為預變形值。否則，則繼續迭代至滿足變形要求，確定最終的預變形值? u（n）。

3.2? 單元式拼裝與預變形技術

本工程采用單元式拼裝技術與預變形施工技術相結合的施工方案。單元式拼裝即對于樹杈結構采用先一級樹杈后二級樹杈的施工順序。各級樹杈構件均采用先將支管與節點焊接再高空吊裝的方案。

預變形施工需要先通過有限元分析軟件，利用正裝迭代法計算預變形值完成后，再進行現場的施工指導。這里所需的預變形值包括柱頂預變形值、一級樹杈支管頂部預變形值和二級樹杈支管頂部預變形值。預變形施工主要原則為：控制柱頂、一級樹杈支管頂部、二級樹杈支管頂部吊裝在計算所得的精確預變形施工初始位置再進行焊接固定，待屋面吊裝完成，樹杈結構達到設計位置。

4? 樹杈結構施工仿真

4.1? 樹杈計算模型

本文針對較為復雜的一分四，四分十六形狀樹杈進行施工模擬，利用正裝迭代法，最終確定樹杈結構的施工預變形值。

采用MIDAS GEN軟件，先對整體冰場結構進行恒載作用下計算分析，找到側向變形最大的樹杈柱，對該樹杈結構進行全過程施工模擬：將整個樹杈結構計算過程按施工步依次生成結構構件單元，逐步進行計算分析。需要指出的是，施工模擬中，樹杈桿件的生成順序與施工順序一致外，施加的荷載也與施工過程保持一致。

4.2? 正裝迭代全過程施工仿真

通過全過程施工仿真進行反復迭代至樹杈結構達到設計位置，得到最終的施工預變形值。施工采取單元式拼裝方案，故全過程施工仿真共分為7個施工步：

（a）底柱;（b）一級樹杈構件;（c）二級樹杈1號分叉;（d）二級樹杈2號分叉;（e）二級樹杈3號分叉;（f）二級樹杈4號分叉;（j）屋面吊裝，所需吊裝屋面指根據整體結構施工方案，該樹杈分配到的支撐屋面。

每次迭代計算均遵循以上7個施工步的施工順序，只是每次迭代設定的預變形值不同。MIDAS建立樹杈結構模型，定義不同施工階段，逐步進行施工仿真，底柱和一、二級樹杈用梁單元模擬，底柱為鋼管混凝土柱。

4.3? 計算結果分析

樹杈結構前視圖。本文以柱頂A、一級樹杈頂頂B、二級1號樹杈頂C三點為例，介紹確定預變形值的計算過程。其中，A、B、C三點空間位置。

4.3.1? 未調節時施工初變形值

按照正裝全過程施工仿真的7個施工步進行第一次迭代計算，得到A、B、C三點未進行預變形調節前隨施工步變化的X向側向變形值。故未調節時施工階段完成時的變形值為：

4.3.2? 預變形施工調節分析

（1）第一次預變形調節。第一次迭代確定A、B、C三點X向施工初變形值后，進行第二次正裝迭代施工仿真，即第一次預變形調節。三點的X向第一次預變形值為：

[-uA（1）=-15mm，-uB（1）=-41mm，-uC（1）=-106mm]

以第一次預變形值進行施工仿真，分析7個施工步的成型位置與設計位置的X向位置差，計算結果如圖6所示。由圖6可得，第一次預變形施工完成時A、B、C三點X向位置差（與設計位置對比）分別為：

（2）第二次預變形調節。以第二次迭代結果確定的X向第二次調節預變形值為：

以該預變形值進行施工仿真，分析7個施工步的成型位置與設計位置的X向位置差，計算結果如圖7所示。由圖7可得，第二次預變形施工完成時A、B、C三點X向位置差（與設計位置對比）分別為：

故A、B、C三點均滿足收斂要求，迭代結束。

綜上可知，通過兩次預變形調節分析，得到A、B、C三點X向最終的預變形值分別為：

5? 施工現場操作要點

樹杈結構的預變形值確定后即可指導現場施工。現場施工按照單元式拼裝技術流程進行施工。現場施工順序與施工仿真順序一致，需要注意的是各樹杈構件均按計算所得預變形值進行精確吊裝、焊接。針對現場施工，確定樹杈單元式拼裝預變形施工的流程。

5.1? 一、二級樹杈節點的加工

鑄鋼樹杈節點造型復雜美觀且光滑連貫過渡，連接桿件多，加工復雜程度大，故鑄鋼樹杈節點均需要在專業廠家的車間內進行加工。加工完畢后需進行節點的檢測，檢測合格后將鑄鋼樹杈節點運送到施工現場。

5.2? 支管與樹杈節點的焊接

為保證節點的強度，避免在相貫線附近處出現應力集中的現象，將節點與構件的焊接部位轉移到節點區之外。并且在地面進行焊接工作，降低焊接難度，保證焊接質量。

5.3? ?一、二級樹杈構件的吊裝與焊接

一、二級樹杈構件吊裝與焊接的主要施工流程為：節點及構件檢測→焊接工藝評定→現場吊裝（臨時固定、焊接環境控制）→按規定工藝焊接→焊縫檢測。

（1）現場檢測。對于加工完成的鑄鋼樹杈節點運輸到現場后需進行二次檢測。檢測可采用三維坐標測量儀對節點幾何尺寸及形狀位置進行復測檢測，合格后方可進入下道施工工序。

（2）現場吊裝。采用高空整體吊裝需要對吊裝場地仍需進行復核、設計、處理。根據總體施工方案，并綜合起重機械技術參數、吊裝重量、吊裝高度及技術經濟性，確定起重機械的型號，同時需要考慮起重機械的開行路線。預變形施工現場吊裝的關鍵是根據預變形值的要求，將樹杈結構各構件吊裝到指定位置。

（3）現場焊接。嚴格按工藝評定的要求施焊：控制預熱溫度;雙人雙向對稱焊，隨時對焊接產生的變形進行觀察，層間焊接時通過調整焊接次序及臨時固定方法來控制焊接變形，保證焊接過程不影響樹杈結構設計位置;隨時控制好電流、電壓、氣流、焊接速度，清理焊縫施焊前的夾渣、浮銹、氧化皮等雜質;焊接完成后，采用石棉布包裹，以使焊接區緩慢冷卻，避免產生冷裂紋。

需要注意的是，各級構件焊接時確保焊接質量，控制焊接變形，使焊接前后吊裝的各級樹杈構件位置不變，保證焊接過程不影響樹杈結構設計位置，達到預變形施工設計要求。

6? 結束語

本文針對唐山勒泰中心項目A區冰場支撐樹杈結構的施工，提出樹杈結構單元式拼裝預變形施工技術，通過MIDAS進行施工仿真確定預變形值，指導樹杈結構的現場施工，應用效果好，具有明顯的施工優勢，具體結論如下：

（1）采用單元式拼裝方案，操作簡便，便于控制調整，降低焊接難度，加快施工進度、縮短工期。而且在地面進行一、二級支管與節點的焊接，減少高空作業，焊接質量高，工作人員安全保障高。

（2）本文在單元式拼裝技術基礎上提出預變形施工技術。對A區冰場側向變形較大的樹杈結構進行全過程施工仿真。通過兩次預變形調節，使樹杈結構施工成型時達到設計位置。確定柱頂、一級樹杈頂、二級樹杈1號分叉頂的X向施工預變形值分別為：-11mm，-33mm，-91mm，指導現場施工。

（3）對于本工程及其他大型鋼結構工程，預變形施工技術避免了一般施工方法造成的過大施工變形和承載力風險。很好地控制了施工造成的變形，使結構在竣工時達到設計位置和施工預計效果，并較大程度上保證結構的承載力，降低施工過程對結構造成的不利影響。

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