編織筒狀鋼結構施工方法分析及關鍵工藝

李志強 王 強 黃京新 王 磊

中鐵建工集團有限公司廣州分公司 廣東 廣州 511400

1 背景工程概況

1.1 編織筒結構簡介

廣東省江門市江門站站房建筑面積40 000 m2，建筑高度31.7 m，主體結構為混凝土框架結構＋鋼結構，屋架為鋼網架結構。站房主要由高架候車室、側式站房組成。

鋼結構編織筒結構融合了大榕樹風格，造型獨特且復雜。上部為內嵌式鋼結構網格，共由48片網格嵌補而成；下部由24根鋼結構主管及24根支管構成編織筒的受力骨架。編織筒呈上大下小、外斜（外放）式造型，上部圓直徑60 m，下部圓直徑32 m，高度為17 m，質量約1 200 t。編織筒頂部為鋼結構屋蓋網架，網架桿件通過焊接球連接，形成懸挑型雙曲結構，寬約80 m，最大懸挑寬度13.6 m。編織筒及屋蓋結構如圖1和圖2所示。

圖1 編織筒結構及屋蓋示意

圖2 編織筒結構

1.2 技術難度與難點

編織筒結構的技術難點主要集中在編織筒本身的組裝安裝和其頂部范圍內屋蓋網架結構與筒狀結構的安裝次序。兩者在技術上均存在很大的難度[1-2]。

編織筒結構的24根受力主管和24根受力支管均呈外放式，且主管和支管相互交錯，上部48片鋼結構網格鑲嵌其中，造型奇特復雜；筒狀結構均由弧形構件拼裝而成，本身的焊縫數量達3 000余條。在焊接安裝和造型組裝過程中，如何確保弧形構件組裝成形精度和焊接安裝質量為關鍵性問題。此為技術難點之一。

編織筒狀結構高度17 m，主要質量集中在上部位置，上部構件的組裝安裝存在不小的難度。組裝安裝方式的選擇直接決定著弧形構件的組裝進度和焊接質量。采用傳統組裝方式，如整體吊裝、空中焊接組裝，或搭設滿堂腳手架作為高空組裝及焊接平臺等，均存在可操作性不強的問題。此為技術難點之二。

編織筒上部屋蓋網架結構面積大，投影面積約10 540 m2，編織筒結構為其支撐體系，即屋蓋網架完全依賴于編織筒的支撐。在屋蓋網架安裝與編織筒結構安裝次序上存在難以協調的問題。若先組裝安裝編織筒，再安裝屋蓋網架，則會因編織筒結構安裝本身存在難度，故在編織筒安裝完成后，筒體上方區域的屋蓋網架較難安裝；如先安裝整個屋蓋網架，再安裝底部支撐的編織筒，則屋蓋網架將長時間停留于高空，變形量不易控制，且與編織筒交接契合不易。此為技術難點之三。

2 編織筒施工方法分析及選定

2.1 施工方法分析

類似的鋼結構施工方法主要有整體（分片）吊裝法、高空滑移法、高空散裝法、整體提升法等單一或組合的施工方法。為保障編織筒的造型精度和焊接質量，總體原則上，應優先考慮地面拼接焊接組裝，而后采取整體（分片）吊裝或提升的方法安裝就位；屋蓋網架則再選擇上述某種或幾種方法安裝就位。

2.1.1 均采用整體（分片）吊裝法

在安裝次序上，先整體或分片吊裝編織筒，而后整體或分片吊裝上部屋蓋網架，編織筒與屋蓋網架均在鄰近地面組裝安裝。此種方式的優點為編織筒體造型和焊接質量均能得到極大的保障。然而編織筒結構和屋蓋網架自身質量均較大，僅屋蓋網架結構質量就達1 500 t，選擇整體吊裝方法或是分成多片吊裝而后組裝的方法時，可供選擇的吊裝機械極少，適合吊裝的機械價格昂貴。此外，編織筒結構位于混凝土結構樓板上，采取機械整體吊裝方法時需對混凝土結構進行結構補強。加之機械吊裝占用場地過大，阻礙其他鄰近專業工種作業，單純采用整體（分片）吊裝方法既不經濟也不合理。

2.1.2 采用整體（分片）吊裝＋高空滑移法

此組合方法主要是將編織筒整體（分片）吊裝安裝，屋蓋網架則應用高空滑移法安裝。考慮到屋蓋網架為曲面雙層結構，并存在大跨度懸挑結構，采用高空滑移方式時很難對拼裝單元進行劃分，且滑移軌道的設置也十分不易。此外，高空滑移法還存在如下缺點：一是對結構的平面外剛度要求大；二是對滑移設備的要求比較高。因此，采用高空滑移法進行安裝是十分不利的。

2.1.3 采用整體（分片）吊裝＋高空散拼法

屋蓋網架結構最大安裝高度達到31.07 m，最大寬度達到80 m，結構自重較大，且桿件眾多。若采用分件高空散裝方法，則需要搭設大量的高空滿堂腳手架平臺。采用此方式時，不但滿堂腳手架搭設和高空焊接組裝工作量巨大，且因與筒體交錯嚴重，編織筒部位處的滿堂腳手架搭設異常困難。此外，搭設滿堂腳手架平臺極大地占用了下部的作業空間，導致其他專業工序無法作業，嚴重影響工程的工期。因此，對于本結構而言，此方法不科學。

2.1.4 采用整體提升＋整體（分片）吊裝方法

在安裝順序上，先整體提升屋蓋網架結構，再整體或分片吊裝編織筒。此組合方式的優勢表現為：屋蓋網架結構和編織筒均可以在地面上進行現場拼裝、組裝、焊接，能夠最大限度地減少高空作業工作量；同時，下部空間也可以穿插其他專業的工序作業。缺點則為：屋蓋網架提升安裝就位后，空間高度方向上出現位置限制，不利于下部的編織筒體整體或分片吊裝。相比于前幾種方式，此方法具有很大的優勢，雖對編織筒體吊裝有一定的局限性，但有改進的空間。

2.2 施工方法確定

通過對以上施工方法的分析可知，屋蓋網架結構整體提升方法在各方面均具有較好的優勢。該方法的液壓提升設備自重和體積都比較小，在狹小的空間里特別適用，同時操作人員能夠遠離作業點控制提升作業，降低了對作業地點的要求。

因此，在施工方法的選擇上，整體提升方式應為本工程結構的主要施工方法。安裝次序上，屋蓋網架應先行安裝。為突破編織筒結構吊裝的局限性，可考慮將編織筒結構的安裝方式改成提升方式。基于編織筒體造型的特殊和復雜性，整體提升的操作性不佳且較困難，故考慮編織筒體結構分段提升，中上部的編織筒體可與屋蓋網架同步先行提升，下部的支撐管件則可考慮逐個吊裝安裝。

3 編織筒狀結構主要工藝

3.1 總體思路

采用整體提升＋分片吊裝的方式，即屋蓋網架結構和編織筒體中上部結構采取整體提升的方式，編織筒體下部結構則采取分片吊裝、焊接安裝的方法。于編織筒體高度方向上選取合理的分界線，上部區域為提升區，下部區域為吊裝安裝區，如圖3所示。

圖3 提升分區示意

編織筒底部混凝土結構樓板施工完成后，先行在樓板上拼接組裝屋蓋網架，并設置相應高度的胎架，以便于編織筒體中上部結構在樓板上拼接組裝。編織筒體下部管構件待屋蓋網架和中上部編織筒結構提升完成后，采用相應型號的汽車吊進行吊裝嵌補和焊接。待編織筒下部受力管構件嵌補焊接完成后，方可拆除提升支架。提升方法如圖4所示。

圖4 提升方法示意

3.2 提升點的確定

3.2.1 提升支點的布置

依據建立的模型及相關計算，在編織筒及屋蓋網架上設置相應提升支點。本結構依據計算結果，設置12個三角肢臨時提升塔架和2個格構式臨時提升塔架，其中，每個三角肢提升塔架上安裝2臺穿心式液壓提升器，每個格構式提升塔架上安裝1臺穿心式液壓提升器。提升支點布置如圖5、圖6所示。

圖5 提升支點設置示意

圖6 提升塔架示意

臨時提升支架直接落于主體混凝土結構樓板上時容易造成樓板荷載應力集中，需通過設置型鋼轉換鋼梁，將提升荷載傳遞至混凝土樓板的框架梁、柱上，如圖7所示。

圖7 荷載轉換鋼支架示意

3.2.2 被提升結構下錨點的布置

根據建模對編織筒與屋蓋網架的驗算與分析，將提升的下錨點設置于編織筒提升區域的主管上。考慮到編織筒節點復雜、自重大等特點，采用D形吊耳通過地錨與被提升編織筒連接，連接形式采用焊接，如圖8所示。在安裝時，吊耳處的節點及直接受力的節點應采用加勁肋板等進行局部加強，以確保在提升吊裝過程中耳板不出現變形或斷裂等問題。

圖8 D形吊耳布置

3.3 提升設備選擇

根據液壓提升器油缸和鋼絞線的性能，以及各提升分塊在各自工況下計算得出的最大提升反力，對每個提升點配置相應規格的液壓提升器及鋼絞線。本編織筒結構配置TX-100-J型號液壓提升器，額定荷載1 000 kN，質量700 kg；鋼絞線公稱直徑15.24 mm，抗拉強度1 860 MPa。

為保證計算機控制系統的多點同步控制，在保證各吊點提升能力和總提升能力的情況下，宜選用同一型號的液壓提升器，鋼絞線數量和規格則根據滿足提升荷載要求的原則進行選取即可；提升液壓泵站可選用比例液壓系統，可實現多點同步控制，提高控制精度和可靠性。

3.4 提升與管構件嵌補

3.4.1 試提升

為觀察和檢驗整個提升施工系統的工作狀態，在正式提升之前，按下列程序進行試提升。

解除編織筒體結構與落地胎架之間的連接。按設計提升力的20%、40%、60%、70%、80%、90%、95%、100%分級加載，直至提升結構全部離地；每次加載后，須校核鋼結構變形量、傳感器工作情況、計算機控制系統等，確保提升過程的穩定可靠。

3.4.2 正式提升

按照試提升分級加載程序，提升編織筒體及屋蓋網架。技術條件同試提升情況，在此不再贅述。提升模型如圖9所示。

圖9 提升模型示意

提升過程中應監控編織筒體等結構的姿態，并實時進行調整。采用全站儀等測量儀器監測各提升吊點的標高，計算出各提升吊點的相對高差。利用液壓提升器調整各提升吊點高度，使被提升鋼結構單元達到設計姿態，直至鋼結構構件提升到設計位置。

3.4.3 管構件嵌補

在中上部編織筒體和屋蓋網架結構提升至設計位置后，再嵌補安裝編織筒下部的管構件。在此期間，中上部筒體與屋蓋網架處于懸停狀態，應注意各提升吊點的負載控制、錨具的鎖定監控、結構變形量的監測等，確保懸停期間結構的安全。同時，應盡快完成編織筒體下部管構件的嵌補安裝工作，以縮短懸停時間。編織筒下部管構件可采取地面分片組裝拼裝，而后分片吊裝與中上部編織筒對接連接的方式，以縮短嵌補安裝的時間。

3.5 提升參數優化

在編織筒結構及屋蓋網架結構拼裝提升過程中，對相關數據進行了記錄和分析。在提升時，參照以下技術參數取值或調整，可取得更好的結構拼裝提升效果。

穿心式液壓油缸折減系數可選0.5～0.6；提升荷載宜嚴格按照設計提升力的20%、40%、60%、80%、90%、95%、100%分級加載；各吊點提升能力不應小于對應吊點荷載標準值的1.25倍；提升速度宜≤0.2 m/min；相鄰2個提升點的允許高差值宜≤25 mm；整體最高點與最低點的允許高差值宜≤50 mm；卸除荷載宜按設計值的10%、30%、50%、70%、90%、100%分級卸載；提升加載或卸載時應保證無雨，風力宜≤5級。

4 結語

編織筒狀結構造型美觀但結構復雜，其設計特點有很強的創新性，但也對施工帶來了不小的難度和挑戰。針對本結構，實施人員采用了整體提升＋分片吊裝組合的施工方法，較好地完成了編織筒結構的安裝，達到了造型設計的效果，為江門火車站的順利建設提供了有力保障。本文論述了編織筒體結構的施工方法及相關分析，可為今后類似結構的項目提供參考依據。