復雜地質條件下的大跨空間結構支撐體系施工

羅仁軼 尹 建 梁大海 李全偉 陳俊杰

1. 中國建筑第八工程局有限公司 上海 201204；2. 上海通正鋁結構建設科技有限公司 上海 201103

1 工程概況

某項目位于江蘇省南京市江寧區湯山鎮湯山風景區，總建筑面積100 200 m2，主要建設內容為植物園、配套商業、崖壁商業、崖壁劇院、觀景平臺、棧道、礦坑酒店等。同時，配套建設區域內道路、硬質景觀、綠化景觀、小火車地下車站及區內綜合管網等公用設施。其中的未來花園項目總投影面積為16 000 m2，總長348 m，寬度78 m，由42把相同結構的傘狀結構組成（圖1），每把傘由不銹鋼傘狀結構和屋面有機玻璃系統組成。施工方案主要采用鋼結構格構柱和格構式連系梁，主要目的為支撐傘狀不銹鋼結構的安裝、定位及焊接[1-3]。

2 工程重難點

1）項目位于湯山山腰位置的礦坑處，四面地勢較高，施工區域狹窄，且下方設計為綠植功能，無硬化要求，實際場地為高低不平的破碎巖石基礎，場地平整很困難，施工的基礎條件非常差。

圖1 未來花園項目平面布置

2）項目的主要結構為不銹鋼傘狀結構，上部為屋面有機玻璃水幕，均為業內較少采用的主結構材料，其中不銹鋼結構焊接變形較大，較鋼結構對溫度更敏感，施工中需采用措施對原有結構進行焊接變形控制。

3）項目上部結構為有機玻璃，有機玻璃被應用在大跨空間結構中的施工工藝尚未完全成熟，施工中存在多種不確定因素，且有機玻璃對溫度的敏感性比不銹鋼更高，因此更需要對其進行施工溫度的合理安排和控制。

結合各種因素綜合分析，常規的大跨滑移及整體提升不具備實施條件，本工程擬采用鋼結構格構支撐體系作為結構的實施措施。

3 大跨空間結構支撐體系介紹

格構支撐體系的主要特點有：對基礎要求低、剛度強，構造可隨主結構特點靈活布置和應用等。格構支撐主要由格構柱和格構式連系梁組成（圖2）。

圖2 格構支撐體系立面

3.1 格構柱構造

本工程考慮不銹鋼結構焊接變形內力大、單把傘上部承載600 kN。經計算，格構柱截面采用1.5 m×1.5 m，主肢為∠100 mm×6 mm，水平及斜向綴條為∠63 mm×5 mm，內設爬梯，爬梯為∠50 mm×4 mm配直徑20 mm的圓鋼，材質均為Q235B。

3.2 連系梁構造

本工程連系梁截面為1.5 m×1.5 m，采用主肢、綴條均為∠63 mm×5 mm，材質為Q235B，與格構柱采用角鋼搭接焊接形式（圖3、圖4）。

圖3 連系梁立面

圖4 格構柱與連系梁連接節點

3.3 基礎構造做法

本工程基礎為破碎性巖石，且高低不平，平整困難，故在單個格構柱下方均設立獨立的格構柱基礎，采用C35素混凝土，澆筑1.95 m×1.95 m、高30 cm的基礎承臺，并預埋25 cm×25 cm的埋件，作為格構柱基礎焊接使用（圖5）。

圖5 基礎做法立面

4 受力分析

本工程單把傘上部主結構總計600 kN的荷載，為確保施工安全，對支撐體系結構進行了強度、穩定性及撓度等分析，主要采用3D3S及MIDAS等軟件計算。

本工程考慮最不利的工況為格構柱高度22.5 m，中間布設2道連系梁，建立模型如圖6所示。

圖6 計算模型

根據鋼結構設計規范及荷載規范，本工程格構支撐體系為措施結構，結構重要性系數為1.0。根據主結構計算模型分析，格構支撐點12個，每個點位分擔50 kN上部荷載、組合施工荷載及風荷載等，共計9種組合荷載。

本工程單個格構柱下方均設立獨立的格構柱基礎，采用C35素混凝土澆筑基礎承臺，并預埋埋件，錨筋為HRB400，根據混凝土規范及荷載規范采用經典力學進行計算分析（計算過程略）。

根據上述計算分析可以得出，格構體系的應力比最大為0.711，撓度最大為1.5 mm，基礎承臺及埋件的設計尺寸和構造均滿足抗拉等力學要求，整體結構安全穩定。

5 安裝關鍵技術

5.1 安裝總體技術路線

考慮本工程施工流水及進度，主結構安裝順序為從中間向兩邊依次進行，所以措施結構安裝順序同主結構保持一致，從中間向兩邊依次進行（圖7）。

圖7 主結構安裝順序示意

5.2 安裝要點

1）每把傘的格構柱單根安裝就位后，應采用4根纜風繩進行臨時固定。

2）每安裝完2把傘后，將2把傘之間的連系梁進行安裝焊接，逐步形成穩定體。

3）為保證不銹鋼結構精準定位，在單把傘安裝就位后，每個格構柱柱頂鋪設厚2 cm、1.55 m×1.55 m、材質為Q345B的鋼板作為定位工裝板，上部安裝千斤頂工裝作為不銹鋼結構的支撐點。

6 質量控制

1）本工程基礎條件差，為破碎性巖石，無法整平處理，因此，在混凝土澆筑前，應將底部碎石及雜物清理干凈，使混凝土與巖石層密實貼合，經質量部及監理驗收合格后，方可進行混凝土澆筑。

2）鋼結構柱安裝完成后應及時將纜風繩拉好，纜風繩種根在已澆筑混凝土埋件上，待整把傘的12個格構支撐體系全部安裝完成后，方可取消纜風繩拉結。

3）格構柱與連系梁的焊接必須按圖施工，必須設置有角鋼擱置，焊縫長度120 mm。

4）格構柱和連系梁本身長度方向對接時，采用等截面的搭接角鋼按照圖紙中200 mm長的要求進行圍焊，確保對接節點安全。

7 結語

本文針對復雜地質條件下的不銹鋼傘狀結構，采用了環狀格構支撐體系進行支撐施工，同時，針對復雜無法落腳的格構體系，采用了格構梁進行轉換，并對非常規的構造進行單獨計算，確保了結構的安全性。此類格構體系結構構造標準化，支撐剛度強，構造可隨復雜地貌進行調整，適用性廣，周轉性高，符合綠色施工的方針政策。經過對比，格構支撐體系費用低于腳手架措施費用，因此，可在類似的工程中推廣使用。