大跨度雙曲鋼網殼結構施工技術

丁 建，劉新星，鄭 征，馮艷剛，夏 可，謝梓宇，劉英麒

(1.北京建工建筑產業化投資建設發展有限公司，北京 100000； 2.中建交通建設集團有限公司，北京 100071)

1 工程概況

湄洲灣港秀嶼港區石門澳作業區11號泊位工程即干煤棚、硫酸銨棚工程項目為全封閉式形式，其中干煤棚為鋼網架結構，硫酸銨棚為鋼桁架結構。1，2號干煤棚為拱棚網架(2棟形式一致)，采用正放四角錐弧形面螺栓球節點結構，內、外弦均為剛性支撐，外弦采用雙向支座落在下部混凝土柱上，外弦柱頂標高為2.000m，內弦采用單向支座落在下部混凝土柱上，內弦柱頂標高約為3.750m，網架結構頂標高為42.913m，平面尺寸為328.5m×117.5m(長×寬)，網架厚4.4m，如圖1所示。屋面主、次檁條分別采用C型鋼和Z型鋼，配φ10拉條支撐和局部φ32×2.5套管聯系。馬道采用[8作為主梁，配 ∟30×3 角鐵加腋，上面鋪設3mm厚花紋鋼板，欄桿采用方鋼□40×1.5。鋼管采用Q355B鋼，可采用直縫電焊鋼管或無縫鋼管，如圖1所示。

圖1 石門澳作業區1，2號干煤棚

2 施工方案選擇

2.1 整體提升方案

整體提升法是將結構起步架在地面拼裝完成，選擇合適的受力吊點，再由液壓起重設備將結構整體垂直提升至設計標高的施工方法，能較好地保證結構安裝精度。

本項目采用整體提升法的限制條件為：①平面尺寸為328.5m×117.5m(長×寬)，網架厚度4.4m；起步架長達117.5m，整體提升法對于起步架安裝造價偏高。②整體提升法由于準備工作時間較長，工藝相對復雜，提升前須加固才能保證結構不變形。

鑒于以上原因，本工程未采用整體提升法。

2.2 滿堂支撐方案

采用滿堂支撐搭設安裝平臺也是本項目的備選方案之一。計劃利用起步架位置搭設滿堂腳手架+鋼柱作為主支撐，其他位置搭設滿堂腳手架作為操作平臺。這種方案的優點是安全可靠、施工方便。

本項目采用滿堂腳手架安裝方案的限制條件為：①由于本工程網殼高度達42m，且本工程為雙曲網殼，腳手架搭設難度較大；②由于腳手架搭設和拆除周期較長，采用該方案成本偏高。

鑒于以上原因，本工程未采用滿堂腳手架安裝方案。

2.3 起步架無支撐安裝方案

此工藝首先進行起步跨網架安裝，采用地面延伸吊裝法安裝軸間單條塊5個柱距(3個上弦網格、4個下弦網格)作為網架起步跨，共分5步安裝完成(安裝過程詳見2.5.3節)。采用該施工工藝可節約大量人力、物力，大幅度提高施工速度，故本工程采用起步架無支撐方案。

2.4 工藝流程

工藝流程為：圖紙深化設計→安裝前準備工作→鋼結構網殼結構安裝。

2.5 工藝操作要點

2.5.1圖紙深化設計

利用BIM建模技術將圖紙中螺栓球鉆孔位置進行優化，優化為一種或幾種螺栓孔尺寸，減少螺栓孔鉆孔型號和數量誤差，保證鉆孔位置準確。

2.5.2安裝前準備工作

1)安裝前應對網架支座的軸線與標高進行驗線檢查，網架軸線、標高位置必須符合設計要求和有關標準的規定。

2)采取整體吊裝或局部吊裝時，應對提升和吊裝設備進行全面檢查并做好試吊工作。

2.5.3鋼結構網殼結構安裝

支座臨時固定措施：網架起步時一端放在柱頂支座上(將支座球放入雙向支座內，不要焊接固定，臨時固定可在x軸方向采用同材質的20mm厚鋼板切割一個弧形的抱箍將球帶住，保證球可在支座內轉動但不會在另一端提升時將球帶出支座，將鋼板抱箍焊接在x-z平面上的支座加勁板上，鋼板抱箍與球之間留一點間隙以便球可在x-z平面內轉動，臨時固定鋼板抱箍，如圖2所示)。

圖2 支座鉸接做法示意

起步跨網架從x軸方向在地面延伸安裝，共分成5步完成。

第1步：吊裝塊1。先在地面拼裝9個下弦網格(橫向即跨度方向9個下弦網格及9個上弦網格、縱向4個下弦網格及3個上弦網格)，面積約739m2，最大提升質量約31t，用2臺50t汽車式起重機吊至柱頂安裝位置，一端放在地面上，如圖3a所示。

第2步：吊裝塊2。改用2臺100t汽車式起重機提起網架地面一端(高度約為1個網架厚度)，在地面拼裝1個網格(橫向即跨度方向1個網格)，起重機在原位不動繼續提升，每提升1次拼裝1個網格，共拼裝8個網格(橫向即跨度方向8個網格)，面積約1 396m2，最大提升質量約59t，如圖3b所示。

第2步吊裝塊精度控制措施為：①在地面沿橫向(網架跨度)放樣劃線(下弦球心軸線)以控制外輪廓，拼裝時復核大樣，從而保證網架拼裝不偏移；②沿橫向逐一拼裝網格，每拼裝完1個網格進行相應長度測量，保證吊裝塊2與圖紙17個網格尺寸相符，如不符，停止拼裝并逐一檢查復核桿件及螺栓球拼裝尺寸；③沿縱向測量網格長度，保證吊裝塊2上、下弦合計長度與圖紙相符，如不符，停止拼裝并逐一檢查復核桿件及螺栓球拼裝尺寸；④在設計圖紙上確認尺寸后預先在第17個網格相應落位地面位置放樣控制下弦球點，以形成二次復核，保證精度。

第3步：吊裝塊3。改用2臺200t(站位在中部)及2臺100t(站位在端部)汽車式起重機提起網架地面一端，在地面拼裝1個網格(橫向即跨度方向1個網格)，起重機在原位不動繼續提升，每提升1次拼裝1個網格，共拼裝7個網格(橫向即跨度方向7個網格)，面積約1 970m2，最大提升質量約83t，如圖3c所示。

為避免網架張開引起桿件變形，在吊裝塊3安裝完成后可采取如下措施進行加固：在起步架起始端第1個下弦球與第24個下弦球間用5t倒鏈和6×37-20-1 850MPa鋼絲繩拉2道張緊繩(在縱向兩端各拉2根)，松緊程度以張緊繩剛剛繃緊為宜。

第3步吊裝塊精度控制措施為：①在地面沿橫向(網架跨度)放樣劃線(下弦球心軸線)以控制外輪廓，拼裝時復核大樣，從而保證網架拼裝不偏移；②沿橫向逐一拼裝網格，每拼裝完1個網格進行相應長度測量，保證吊裝塊3與圖紙24個網格尺寸相符，如不符，停止拼裝并逐一檢查復核桿件及螺栓球拼裝尺寸；③沿縱向測量網格長度，保證吊裝塊3上、下弦合計長度與圖紙相符，如不符，停止拼裝并逐一檢查復核桿件及螺栓球拼裝尺寸；④在設計圖紙上確認自重狀態下第1球與第24球間距后，利用鋼絲繩控制吊裝塊3網格架相應尺寸，結合鋼卷尺測量復核；⑤在設計圖紙上確認尺寸后預先在第24個網格相應落位地面位置放樣控制下弦球點，以形成二次復核，保證精度。

第4步：吊裝塊4。改用2臺250t(站位在中部)及2臺100t(站位在端部)汽車式起重機提起網架地面一端，在地面拼裝1個網格(橫向即跨度方向1個網格)，起重機在原位不動繼續提升，每提升1次拼裝1個網格，共拼裝6個網格(橫向即跨度方向6個網格)，面積約2 463m2，最大提升質量約104t，如圖3d所示。

為避免網架張開引起桿件變形，在吊裝塊4安裝完成后可采取如下措施進行加固：在起步架起始端第1個下弦球與第30個下弦球間用5t倒鏈和6× 37-20-1 850MPa 鋼絲繩拉2道張緊繩(在縱向兩端各拉2根)，松緊程度以張緊繩剛剛繃緊為宜。

第4步吊裝塊精度控制措施為：①在地面沿橫向(網架跨度)放樣劃線(下弦球心軸線)以控制外輪廓，拼裝時復核大樣，從而保證網架拼裝不偏移；②沿橫向逐一拼裝網格，每拼裝完1個網格進行相應長度測量，保證吊裝塊4與圖紙30個網格尺寸相符，如不符，停止拼裝并逐一檢查復核桿件及螺栓球拼裝尺寸；③沿縱向測量網格長度，保證吊裝塊4上、下弦合計長度與圖紙相符，如不符，停止拼裝并逐一檢查復核桿件及螺栓球拼裝尺寸；④為保證網格架穩定，吊裝塊3鋼絲繩控制線(第1球與第24球)保持穩定不放張；⑤在設計圖紙上確認自重狀態下第1球與第30球間距后，利用鋼絲繩控制吊裝塊4網格架相應尺寸，結合鋼卷尺測量復核；⑥在設計圖紙上確認尺寸后預先在第30個網格相應落位地面位置放樣控制下弦球點，以形成二次復核，保證精度。

為避免網架張開引起桿件變形，在吊裝塊5安裝完成后可采取如下措施進行加固：在起步架起始端第1個下弦球與第36個下弦球間用5t倒鏈和6×37-20-1 850MPa鋼絲繩拉2道張緊繩(在縱向兩端各拉2根)，松緊程度以張緊繩剛剛繃緊為宜。

3 施工測量工藝

在起步跨網架全部拼裝完成后，采用2臺汽車式起重機在中部、2臺汽車式起重機在端部將起步跨網架的地面一端提升至軸支座上(吊裝塊5)。支座球入位時施工人員用纜風繩配合起重機擺正到柱頂支座設計位置，落柱后進行就位計算。

在起步跨網架就位后，4臺起重機仍固定不松繩，在網架支座的軸線及標高調整至符合設計及規范要求后將支座球與支座焊接固定。特別注意起步跨網架的定位精度，因其影響后續網架的安裝精度，落位后需進行應力及撓度變化驗算。

在被測量的鋼網架下選取有代表性的下弦軸線，測量軸線下弦螺栓球球心的沉降量。根據 GB 50205—2020《鋼結構工程施工質量驗收標準》的規定，鋼網架結構需測量下弦螺栓球球心高度，使用工(器)具包括水準儀、鋼卷尺。

空間網架工程撓度最大允許值為短向跨度的1/250，本項目網架跨度為117.5m，撓度允許值為470mm。網架安裝時注意檢查撓度，其值不大于現荷載條件下的撓度計算值的1.15倍，即540.5mm。

4 結構變形監測

4.1 監測點設置

為保證安裝精度，在1，2號干煤棚短柱位置均設置了監測點(每個煤棚共計48個)，在安裝過程中用全站儀實時監測其標高及坐標位置變化。

4.2 檢測數據分析

1)由于起步架施工時進行了預起拱(起步架跨中預起拱400mm)，鋼結構安裝完成后未出現下撓。

2)網殼鋼構件全部安裝焊接完成后，結構變形相對于初始狀態下撓值在5mm以內，安裝精度很高。

3)網架安裝完成后，所有監測點水平坐標及標高基本無明顯變化。

4)網架結構整體施工完畢后，監測點最大下撓值(網架中間相對于理論標高)在10mm以內，滿足設計要求。

5 施工過程中關鍵問題的應對措施

5.1 內外排支座拉力及應力應對措施

因本工程采用的是點式支撐方式(支座豎向剛度很強)，內外短柱上部結構與其他結構不產生聯系，當網殼架架構吊裝緩慢下落擱置于短柱支座上時，短柱的豎向變形位移可忽略不計，因內外排短柱基礎同為一個承臺且有連系梁互為三角形拉結，在受力過程中內外短柱支座與基礎共同工作，此時也考慮內外短柱支座x和y向彈性約束方式；本工程采用的是彈性氯丁橡膠支座(75mm×900mm×900mm(厚×長×寬))，通過氯丁橡膠支座滿足等效彈簧剛度來解決網架內外支座的應力變化和變形要求，此時支座的彈性和短柱的剛度為疊加受力；由于網殼結構桿件雙曲部位長短不一，長網殼桿件的端部會產生負彎矩，雙曲轉角部位會產生拉力，因此此處支座設計為鋼筋混凝土連系梁(簡支梁)，把內外短柱拉結成為正三角形支座形式；這樣既能防止網殼架的應力和拉力變化所產生的變形和滑動，同時也具有足夠的結構約束力。

5.2 支座焊接球制作轉動問題應對措施

除上面提到的鋼板抱箍加固防止螺栓球位移轉動外，支座設置了氯丁橡膠支座，平板式氯丁橡膠支座有很好的彈性和抗剪抗變形功能，本工程螺栓孔設置為橢圓形孔，約束一個方向的位移和滑動應變，釋放另一個方向滑動位置，如圖4所示。因此，可有效實現網架節點在支座中的轉動要求；同時，本工程支座采用的是雙面弧形壓力支座，在內外短柱柱頂和網殼架水平方向相耦合支座可沿著弧面上下、左右轉動，轉動性能良好有效。

圖4 氯丁橡膠支座螺栓孔示意

6 結語

本工程結合現場實際情況，通過合理的施工工藝分析及模擬計算，采用高空散拼方法進行大跨度網殼結構施工，與傳統施工工藝相比，節約了大量人力、物力，大幅度提高了施工速度，實現了施工過程有序可控、成本低、質量優的目標，可為類似工程項目提供可靠施工經驗。