大跨度異形鋼結構分區安裝施工關鍵技術研究與工程實踐

曹 靖 （安徽富煌鋼構股份有限公司，安徽 合肥 238076）

1 工程概況

該會展中心整體尺寸為縱向145m，橫向83m，地上一層，局部設置夾層。屋蓋采用大跨度空間鋼結構體系，屋蓋最高點32m，平均高度約23m，建筑面積約6453m2，主要功能為展覽空間，夾層為辦公區域。

圖1 項目全貌

會展中心屋蓋整體外形呈漩渦狀，屋蓋主體結構由徑向變截面鋼梁和螺旋狀環梁組成，底部由29根Y型鋼柱支撐整個屋蓋鋼結構。屋蓋荷載由主徑向鋼梁傳遞至Y型鋼柱，再傳遞至地下室基礎；徑向主梁又由內環梁和外圈環梁以螺旋線形式連接，形成一個穩定的主體結構體系。主體構件之間再通過布置次構件以加強屋蓋平面內的穩定性。

在屋蓋內環梁中部設置輪輻式天窗，天窗中部壓力環與屋蓋內環梁由20根發散性箱型鋼梁及次構件剛接連接。天窗荷載由徑向鋼梁由內而外傳遞到屋蓋內環梁，天窗內部環梁和次要構件保證結構平面內穩定。

2 整體施工流程

2.1 施工區域劃分

屋蓋鋼結構分為A區、B區和天窗三個施工區域。A區包含X1～X5軸和X22～X29軸區域鋼結構，B區包含X6～X21軸區域鋼結構，并設置兩條施工合攏縫，分別位于X5～X6軸和X21～X22軸。

2.2 安裝總體思路

根據屋蓋結構傳力特點，結合會展中心鋼結構施工工期及施工現場平面布置，我司采用局部搭設支撐胎架，大型履帶吊“分段吊裝+分塊吊裝”相結合方案進行屋蓋鋼結構安裝。屋蓋主徑向梁、連續圈梁及內環梁采用大型履帶吊“分段吊裝”方案；屋蓋次徑向和環向鋼梁采用大型履帶吊“分塊吊裝”方案，其他散件單件安裝。

2.3 施工安裝順序

首先進行地下鋼柱和Y型鋼柱的安裝。地下鋼柱預埋采用1臺50t汽車吊環場進行地下鋼柱安裝，待土建結構出地面后，采用2臺QUY300履帶吊（主臂48m）環場進行地上Y型鋼柱安裝。然后進行屋蓋鋼結構的安裝。

屋蓋支撐鋼柱安裝完成后，先搭建臨時支撐胎架。主要設置在主徑向鋼梁、內環梁、圈梁分段處及天窗壓力環分塊單元下部，然后安裝屋蓋天窗鋼結構，再進行A區和B區施工。A區和B區安裝順序均為順時針安裝，主體結構領先次結構吊裝，次結構領先散件安裝。待屋蓋A區和B區均合攏施工完成后，利用千斤頂進行支撐胎架的卸載。

圖2 屋蓋結構體系及分區

圖3 現場施工安裝示意圖

圖4 典型拼裝單元及分區原則示意圖

3 關鍵技術與施工工藝

在項目的實施過程中，涉及多個關鍵部分工序。其中分塊單元構件的吊裝工程貫穿始終，分塊分段的合理性對工期有顯著影響，材料的受力變形控制直接影響安裝精準度；胎架作為臨時支撐結構體系，其變形監測控制是重中之重；在屋蓋鋼結構的收尾階段，合攏工作關乎工程最終成形形態和質量。為此，在項目的施工過程中，多次運用計算機數值分析和仿真分析，配以空間測量、三維激光掃描等關鍵技術手段，多管齊下確保項目精準施工落地。關鍵技術與施工工藝闡述如下。

3.1 屋蓋主次結構分塊/分段吊裝方案設計

3.1.1 鋼結構現場分段原則

本工程共有29根Y型屋蓋支撐鋼柱，柱底均為地下室基礎面-3.75m，柱頂標高各不相同，隨屋蓋外圈環梁螺旋線逐漸變化，主要為-0.75m往上1.2m，其中 X-6、X-15、X-24斷點為-0.4m（便于機械進出）。地下施工階段，首節鋼柱采用1臺50t汽車吊進行安裝。

屋蓋共有29榀主徑向梁，主徑向梁與下部Y型柱連接，形成屋蓋的主體結構。對于單層大跨度鋼結構而言，大量使用胎架不利于把控拆除胎架時間；而高空焊接由于仰角大，焊接面大，工人操作條件差，焊縫質量得不到保證。這兩項工程量都應力求減少。根據A區和B區吊裝主徑向梁所使用的吊機性能，我司合理進行主徑向梁的吊裝分段，盡量減少高空焊接量及支撐胎架使用量，達到操作方便及經濟合理的要求。

3.1.2 鋼結構地面拼裝方案

據鋼結構施工方案結合現行道路的運輸規定，單車最大允許運輸構件的范圍為2.8m（寬度）×3.2m（高度）×16m（長度）。根據屋蓋結構形式，將構件分段成運輸范圍內以散件形式發運至現場。將徑向主梁第一分段與Y型柱在地面拼裝成整體后吊裝，其余徑向主梁和環向鋼梁分段在地面進行拼裝后吊裝；將徑向和環向次梁散件在地面進行拼裝后整體吊裝。構件采用H型鋼組成的馬凳作為支撐進行拼裝對接。

3.1.3 吊裝工程變形模擬與監測

在屋蓋結構單元的吊裝工程中，需對構件的吊裝作業進行受力分析模擬，確保作業過程中不至于發生超出允許范圍的變形，為此選取A區某分塊單元，在其起吊和落鉤階段進行二階段分析如下：

取X29軸～X1軸間次結構分塊吊裝單元驗算為例，分塊吊裝單元桿件截面為 B500x250x14x20（Q345B），分塊尺寸為11.8m×7.5m，吊裝重量約為16.9t，采用QUY160履帶吊吊裝。若采用不正確吊裝方式，容易導致吊裝變形過大甚至結構破壞。因此對其進行吊裝工況驗算，以更好掌握吊裝過程中結構變形及應力情況。為保證吊裝分段自身的平衡，應使履帶吊吊鉤與桁架重心在同一豎直平面內，在設置桁架吊點時，可通過CAD三維實體模型直接查找其重心。履帶吊設置四個吊點，吊點位于桿件交匯的節點，因此在相應吊點位置焊接四個吊裝吊耳。

吊裝分析參數：選擇有限元軟件Mi?das進行吊裝分析，桿件采用梁單元，吊裝鋼絲采用只受拉單元，起吊階段計算分析結果如圖5所示。

圖5 起吊階段結構變形圖和應力比圖

計算結果表明：吊裝過程中結構的最大豎向（Z方向）位移發生在桿件端部，且最大位移值為2.25mm。該分段在吊裝過程的撓度為2.25/7500=1/3333＜1/400，結構變形滿足規范要求。結構桿件的最大應力為11.78MPa<295MPa，則該分段在吊裝工況下的應力比滿足規范要求。

落鉤階段：在提升階段吊到安裝指點位置后，吊機開始緩慢撤離，與周邊結構的臨時連接對吊裝單元起支承作用。支承點的設置如下計算模型所示（圖6）。

圖6 落鉤階段結構變形圖和應力比圖

結構變形圖計算結果表明：臨時固定時結構的最大豎向（Z方向）位移發生在桿件跨中，且最大位移值為5.70mm。該分段的撓度為5.70/7500=1/7494＜1/400，結構變形滿足規范要求；結構桿件的最大應力為24.9MPa<295MPa，則該分段在臨時連接工況下的應力比滿足規范要求。

3.2 支撐胎架設計與驗算

我公司安裝用支撐架采用可組裝式四肢格構柱形式，四肢截面4×Ф89×4—Q345B，綴 條 Ф60×3.5—Q345B 每 節高×寬×長=2m×2m×2m，每節采用高強螺栓連接。本工程采用與支撐架高度h=24m，并采用四方向纜風繩在上端拉固。

支撐架承載力取強度驗算、穩定性驗算和壓彎構件計算的三者最小值。注意事項包括：一是支撐物體中心盡量放在支撐架中心，并設置放置粱，（槽鋼）需減少偏心；二是本工程支撐架可承重60t，考慮偏心距400mm，并與支撐架基礎水平并固定。

考慮支撐荷載、施工荷載、風荷載等工況對臨時支撐架進行承載力、應力、變形以及穩定性建模計算，計算結果如下：

結果表明支撐架最大變形9.29mm，支撐架最大應力-80.8MPa，均未超過允許限值。

3.3 大跨度結構的合攏設計與施工方案

3.3.1 合攏問題的影響因素分析

考慮到大跨度結構的溫度應力效應比較大，為此需要對結構成形過程中的溫度應力進行仿真計算。主要有以下幾個方面的問題需要考慮：

第一，合攏溫度及合攏時間的確定。合攏溫度的確定要結合當地的氣象溫度資料與結構的受力性能確定。由于結構平面尺寸較大，且屋蓋外形為曲面，在日照下不同區域的桿件及桿件的上下表面溫度差異較大，導致桿件伸長不一，影響結構的合攏，因而需要確定合適的合攏時間。

第二，合攏線數量及合攏段尺寸的確定。如果合攏前的結構尺寸過大，在結構內將會產生很大的溫度應力，但如果合攏線過多，需要合攏構件接口的數量將大大增加。因此，需要綜合考慮結構受力性能與施工安裝操作兩個方面，確定適合的合攏線尺寸與數量。

第三，合攏線位置的確定。由于屋蓋各個區域的約束強度及構件自身剛度不同，其溫度效應也不盡相同。因而需要綜合考慮確定具體合攏線的位置。

在此，我們主要通過溫度應力的有限元模擬，對合攏溫度進行詳細分析，比較不同合攏溫度下結構應力分布和不同方案下結構的溫度效應分布，為最終合攏施工方案的確定提供理論依據。

3.3.2 不同合攏溫度和合攏時間對結構的影響分析

合攏溫度的確定可依據以下原則：首先考慮當地的溫度氣象條件，合攏時溫度應接近年平均氣溫，有利于合攏施工；二是合攏溫度應盡量接近結構可能達到的最高溫度與最低溫度的中間點，使結構受力比較合理。當地常年平均氣溫在25℃左右，升、降溫各30℃，確定結構的最高溫度為55℃，最低溫度為-8℃，計算不同合攏溫度下結構的升溫與降溫數值。由于合攏時間為7月份，查找資料得到當地5月份溫度在24℃～38℃。考慮每日氣溫，在此考慮兩種方案：合攏溫度25℃與合攏溫度35℃。

分析結果如表1。

不同合攏溫度和合攏時間對結構的影響 表1

綜合以上計算結果，在合攏時間5月份的溫度范圍內（5℃～24℃），合攏溫度取高時對結構更有利。除了合攏溫度外，合攏時間也對結構合攏產生影響。夜晚時溫度較低不適合合攏。這些情況都給安裝帶來困難。因此合攏端的安裝盡量避免在溫度較低的夜晚進行。

3.3.3 合攏縫設置對結構的影響分析

取不設置合攏縫和設置兩道合攏縫兩種情況，分別進行溫度應力對結構的位移和應力的影響分析。

分析結果如表2。

合攏縫設置對結構的影響 表2

結合以上計算結果分析得到，由于該屋蓋屬于大跨度空間結構，在結構上設置合攏縫能夠有效地降低溫度效應對結構內力的影響。

圖7 支撐胎架和受力分析圖

圖8 不同合攏溫度下位移和組合應力圖

圖9 （不）設置合攏縫下結構位移和應力圖

4 結語

針對大跨度異形鋼結構工程施工的復雜性和技術難度，本文基于已建會展中心項目的成功實踐，對結構進行科學合理的分塊分段并編制詳細的施工原則和方法；對結構單元和支撐單元的受力變形進行了分析控制；在結構合攏階段，對是否需要設置合攏縫以及如何設置進行了詳細的分析和論證，對大跨度異形鋼結構施工和安裝的共性問題和關鍵技術進行了研究，對類似的工程具有一定的指導意義。