平面桁架與單層網(wǎng)殼組合結(jié)構(gòu)采光頂施工技術(shù)

吳 博 陳小晶 劉 成 周春娟 蘇東升 柳明亮

(1.陜西建工鋼構(gòu)集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710032; 2.陜西省建筑科學(xué)研究院有限公司，陜西 西安 710082)

1 概述

本工程采光頂縱向115 m，橫向35.4 m，基本結(jié)構(gòu)由45 m直徑的單層網(wǎng)殼、最大跨度為20 m的平面桁架與20根φ800×20的鋼柱組成(如圖1所示)。空間屋蓋結(jié)構(gòu)體系由兩部分組成：兩側(cè)由方管平面桁架結(jié)構(gòu)組成，桁架沿橫向布置，與鋼管柱相貫連接，鋼管柱與混凝土柱利用橡膠墊支座連接；中間部位為單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，網(wǎng)殼的節(jié)點(diǎn)為不同桿件焊接形成的相貫節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)殼跨中由4根間距20 m的φ800×20鋼柱支撐，外環(huán)兩側(cè)與8根混凝土柱通過(guò)鋼柱相連接，鋼柱下部與混凝土柱連接，上部通過(guò)4根伸出鋼柱的鋼支撐與單層網(wǎng)殼連接；圖2為單榀平面桁架圖，其跨度約20 m，桁架自身高度1.5 m，桁架上下弦桿及腹桿均由箱型鋼桿件組成。

2 施工方案比選

該工程平面桁架與單層網(wǎng)殼組合結(jié)構(gòu)的安裝方法主要有結(jié)構(gòu)滑移法、整體頂升法、整體吊裝法、地面拼裝法和分塊安裝法等。通過(guò)對(duì)采光頂?shù)慕ㄖY(jié)構(gòu)特性、現(xiàn)場(chǎng)施工條件、起重設(shè)備性能和場(chǎng)地綜合布置等情況分析，得出本工程宜采用地面拼裝法和分塊安裝法相結(jié)合的施工方法。如表1所示，從技術(shù)性與經(jīng)濟(jì)性兩方面對(duì)所采用的安裝方法進(jìn)行對(duì)比，結(jié)合兩種安裝方法的優(yōu)點(diǎn)對(duì)結(jié)構(gòu)不同部位采取不同的安裝方法，在保證施工安全的前提下提高經(jīng)濟(jì)效益和施工效率。

表1 兩種安裝方法技術(shù)經(jīng)濟(jì)特征比較

3 關(guān)鍵施工技術(shù)

3.1 施工工藝流程

構(gòu)件制作與加工→鋼桁架拼裝→鋼構(gòu)件涂裝→基礎(chǔ)施工→鋼柱吊裝→主桁架安裝→次桁架安裝→中庭單層網(wǎng)殼安裝→校正→檢驗(yàn)→焊縫焊接→監(jiān)理工程師檢查→檢驗(yàn)合格→卸載→驗(yàn)收。

3.2 構(gòu)件制作要點(diǎn)

3.2.1桿件加工

雖然本工程所用桿件均為等截面直桿，但是為了保證加工質(zhì)量，加之考慮拋光、除銹等工藝實(shí)施的便利性，所有桿件均采用工廠加工。對(duì)相貫鋼管的切割來(lái)說(shuō)，其程序的編制極為重要。首先編程人員根據(jù)圖紙用Xsteel或AUTOCAD軟件建立三維線框模型，不同的管徑用不同的顏色表示，這是計(jì)算機(jī)放樣的基礎(chǔ)，放樣人員對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)格的復(fù)檢，要求建模必須正確。

線框模型建立后按顏色設(shè)置相應(yīng)的管徑；輸入焊接收縮余量及機(jī)械切割余量；再按照制作要領(lǐng)書選擇正確的加工設(shè)備，切割速度、坡口角度等工藝元素，并由專人對(duì)切割數(shù)據(jù)進(jìn)行認(rèn)真仔細(xì)的復(fù)查；最后根據(jù)材料規(guī)格進(jìn)行合理的套料，即可將放樣程序下發(fā)班組，分批實(shí)施切割。如果每批切割的桿件數(shù)量較多，可先試切割一根，進(jìn)行外形尺寸的檢查，確認(rèn)無(wú)誤后再進(jìn)行大批量的切割。

3.2.2鋼管對(duì)接

受拉情況下，外徑相同厚度不同的鋼管對(duì)接，對(duì)接接頭允許厚度差值(t1-t2)不超過(guò)表2的規(guī)定時(shí)，焊縫坡口的基本形式與尺寸按較厚板的尺寸數(shù)據(jù)來(lái)選取；超過(guò)表2規(guī)定時(shí)，應(yīng)將較厚板的接頭處在焊接前加工成坡度為1∶4的斜坡。

表2 受拉對(duì)接接頭鋼管厚度差限值表

3.2.3支座板加工

支座加工按下述工藝過(guò)程進(jìn)行：支座肋板和底板下料→支座底板鉆孔→支座肋板與底板、肋板與肋板、肋板與球組裝焊接→涂裝。鋼板采用自動(dòng)切割機(jī)下料，下料長(zhǎng)度誤差(含板寬)±1.0 mm。肋板與底板、肋板與肋板的焊接采用CO2氣體保護(hù)焊或手工電弧焊，并按設(shè)計(jì)要求對(duì)已焊接構(gòu)件進(jìn)行防腐前處理和防腐處理。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)拼裝

圖3為胎架拼裝示意圖，場(chǎng)地平整好后，先在相應(yīng)位置畫好地樣線，按照地線的位置搭設(shè)胎架。胎架布設(shè)好后，采用地面拼裝法進(jìn)行桁架拼裝。如圖4所示，桁架拼裝時(shí)先拼裝上下弦桿，此施工步應(yīng)注意對(duì)準(zhǔn)中軸線，控制節(jié)點(diǎn)的位置、弦桿的平行度和兩弦桿的間距，以保證桁架的外形尺寸；再拼裝桁架斜腹桿，應(yīng)注意與弦桿和第一根腹桿節(jié)點(diǎn)相貫線對(duì)齊。

3.4 平面桁架與單層網(wǎng)殼組合結(jié)構(gòu)吊裝

平面桁架與單層網(wǎng)殼組合結(jié)構(gòu)吊裝施工流程如下：

1)待土建基礎(chǔ)施工完畢后測(cè)量并埋入外包柱腳，等外包混凝土達(dá)到強(qiáng)度后吊裝鋼柱；2)鋼柱吊裝完成后開(kāi)始吊裝第一榀主桁架；3)吊裝與第一榀主桁架相鄰的主桁架及連接兩榀主桁架之間的次桁架；4)按順序吊裝其他桁架并安裝中庭單層網(wǎng)殼跨中鋼柱的支撐；5)吊裝中庭單層網(wǎng)殼；6)按照以上方法完成其他榀桁架吊裝，進(jìn)行卸載。

3.4.1平面桁架安裝

平面桁架共計(jì)10榀，將一榀桁架分為三段采用分塊安裝法吊裝，分段重量分別為3.5 t,3 t,3 t，最長(zhǎng)分段跨度20 m，吊裝高度為30 m，其余橫梁及屋面支撐等桿件截面較小，重量較輕。平面主桁架全部采用一臺(tái)汽車吊吊裝，吊點(diǎn)設(shè)置在平面桁架兩段跨中位置；對(duì)于重量較小的次桁架，吊裝時(shí)夾角不得大于90°。桁架綁好后，吊裝離地50 cm左右暫停，觀察其是否水平，檢查無(wú)誤后正式起吊。將第一榀主桁架連接至鋼柱，完成初步焊接穩(wěn)定后，再依次安裝剩余主桁架與連接次桁架。

3.4.2單層網(wǎng)殼安裝

中庭單層網(wǎng)殼部分直徑為45 m，在地面區(qū)域整體拼裝成型，整體重量為26 t×1.1(安全系數(shù))=28.6 t。單層網(wǎng)殼內(nèi)部先采用地面拼裝法，完成拼裝后利用3臺(tái)吊機(jī)整體吊裝，吊裝就位時(shí)利用中庭單層網(wǎng)殼跨中4根鋼柱伸出的4根支撐和29 m直徑區(qū)域中心點(diǎn)的臨時(shí)支撐共同支撐網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。區(qū)域外圍采用分塊安裝法，分六步進(jìn)行地面分塊拼裝，對(duì)安裝好的分塊構(gòu)件進(jìn)行整體連接，與中間圓環(huán)形成閉合的殼體結(jié)構(gòu)，最后完成其他桁架吊裝。中庭單層網(wǎng)殼具體吊裝施工步如圖5所示。

3.5 施工過(guò)程仿真分析

以結(jié)構(gòu)自重1.1倍的放大系數(shù)對(duì)整個(gè)施工過(guò)程采用有限元軟件Midas Gen進(jìn)行仿真分析，通過(guò)建立施工過(guò)程結(jié)構(gòu)的邊界組、結(jié)構(gòu)組和荷載組，對(duì)每一施工步結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力進(jìn)行模擬計(jì)算。根據(jù)施工過(guò)程仿真分析計(jì)算得出每一階段結(jié)構(gòu)的構(gòu)件內(nèi)力、支點(diǎn)處反力以及變形值等，進(jìn)而可以控制結(jié)構(gòu)施工精度及判斷構(gòu)件受力狀態(tài)，使結(jié)構(gòu)施工滿足設(shè)計(jì)要求，確保方案的安全可行。如圖6，圖7所示，整個(gè)桁架施工完成卸載后結(jié)構(gòu)的最大拉應(yīng)力為71.98 MPa，最大壓應(yīng)力為-85.22 MPa，結(jié)構(gòu)的豎向最大撓度為18.21 mm，均滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合樂(lè)華城拉福德中心一期采光頂屋蓋鋼結(jié)構(gòu)安裝工程，對(duì)其關(guān)鍵施工技術(shù)進(jìn)行研究。從施工方案比選、施工工藝流程、構(gòu)件制作、現(xiàn)場(chǎng)拼裝、結(jié)構(gòu)吊裝、施工過(guò)程仿真分析等方面進(jìn)行總結(jié)，為后期同類型鋼結(jié)構(gòu)的施工積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。