復雜葉片平面交叉網格鋼結構施工技術

陳宏達

(北京城市副中心投資建設集團有限公司，北京 101117)

0 引言

伴隨著新材料、新工藝、新技術、新體系的出現，大跨空間結構迎來了大力發展的春天。施工過程中將一系列空間復雜鋼結構的“準結構”逐步集結成結構，采用合理的施工方法能保證結構建造過程的安全性、經濟性與時效性。整體提升施工技術是大跨屋蓋結構常見的施工方法。隨著廣州新白云國際機場維修機庫鋼屋蓋整體提升[1]、首都機場 A380 機庫網架屋蓋整體提升[2-5]、國家圖書館萬噸鋼結構整體提升[6]、國家體育場鋼屋蓋安裝整體提升[7]等一系列重大建設工程的順利實施，整體提升施工技術日趨成熟。

常見的大跨結構整體提升施工技術多用于重型剛性結構，鮮有柔性紙片結構整體提升的工程應用。北京城市副中心圖書館屋蓋為銀杏葉片狀平板網殼結構(見圖1)。傳統施工方法先施工下部樓層，再高空拼裝屋面結構，施工周期長，高空焊接質量難以保證。采用地面拼裝與分區整體提升相結合的方式施工平面交叉網格屋蓋結構，可加快施工速度，提高施工質量。但單層平板網殼為柔性結構，逆作提升過程結構體系不完整，施工風險高；將屋蓋提升至設計位置后，下部結構尚未施工，支承屋蓋結構的鉸接柱未與下部樓層形成有效連接，結構整體性差，卸載方法不當可能會導致結構倒塌。針對上述問題，結合數值模擬與施工監測，開展平面交叉網格結構施工技術研究，解決柔性平面交叉網格結構逆作提升與卸載過程中結構體系未形成、施工風險高的技術難題。

圖1 北京城市副中心圖書館效果

1 工程概況

北京城市副中心圖書館正投影面積為168m×168m，結構高度為21.5m，工程總用鋼量16 300t。屋蓋為由144片14m×14m纖細葉片柱支撐的平面交叉網格結構，銀杏葉狀屋蓋結構由截面為600mm×200mm×14mm×30mm的箱型鋼梁組成，纖細馬鞍形柱頂與屋蓋之間通過復雜的鑄鋼節點連接，底部與地下室頂板鉸接。梁、柱鋼材分別為Q355，Q390。結構主體為框架-剪力墻結構，樓層間山體結構造型復雜，具體結構布置如圖2所示。

圖2 北京城市副中心結構布置

考慮到結構形式復雜且工期緊張，為保證施工質量與安裝精度，依據土建施工進度與現場施工條件，將屋蓋結構分為4個提升區與2個吊裝區。對具備提升條件的4個提升區，先在地面完成拼裝再分區提升施工(見圖3)。屋蓋結構逆作施工過程中，結構體系不完整，亟需制訂合理的提升及卸載方案，并結合施工仿真分析與施工監測技術，確保施工過程安全可靠。

圖3 屋蓋分區提升方案

2 平面網格結構施工方案

2.1 提升方案

1)提升裝置的布設 提升過程中將提升吊點設置在每組結構柱附近以減小結構提升過程對使用階段的影響。設計一種永臨結合的提升支架，通過2根臨時鋼管柱與1根纖細葉片柱及頂部小桁架形成三角受力體系，利用結構自身特點，保證網殼結構提升過程中的抗側向剛度，減少臨時支撐架等措施的使用，如圖4所示。根據計算確定各吊點提升力為251～398kN，為此在各提升吊點處設置1臺100t液壓油缸與4～6根φ15.2鋼絞線。

圖4 提升裝置布設

2)提升過程系桿轉換 提升支架頂標高約為25.000m，為增強提升支架自身剛度和穩定性，在支架中間部位設置1道水平聯系桿，采用插板焊接的形式與結構鋼柱及提升圓管柱連接。由于增設水平聯系桿，各區屋蓋結構需進行2次提升，如圖5所示。首先將屋蓋結構提升至水平聯系桿下方1m處懸停；再在屋蓋下方1m處焊接1道水平聯系桿，拆除上部原有聯系桿后，將屋蓋提升至安裝標高。

圖5 平板網格屋蓋提升過程系桿轉換

2.2 逆作卸載方案

提升支架的卸載順序為：①分批卸載剪力墻處提升支架；②連接剪力墻與下部結構構件；③同步對稱卸載其余提升支架，從而保證結構在卸載過程中逐步形成整體剛度，防止結構突然倒塌。以提升3區為例，結構卸載過程如圖6所示。將屋蓋結構提升至設計位置后，先卸載3區剪力墻1處的提升支架，并完成剪力墻1與下部樓層及山體結構的連接，再卸載3區剪力墻2處的提升支架，并完成對應下部結構桿件的連接，待結構整體剛度形成后，再同步對稱卸載其余位置的提升支架。

圖6 提升3區結構卸載過程示意

3 平面網格逆作施工關鍵技術分析

采用MIDAS Gen 8.6.5有限元計算分析軟件進行結構施工過程的仿真分析。施工過程僅考慮結構自重與風荷載，荷載組合按現行規范考慮[8-9]。考慮節點做法，結構自重系數取1.15。以提升3區為例，分析結構逆作提升與卸載過程。

3.1 同步提升分析

提升過程中因各吊點不能完全同步，導致提升結構發生內力重分布，存在安全隱患。采用位移與荷載同步提升控制，控制提升吊點間的豎向位移差不超過規范限值，同時控制吊點實際提升力不超過理論計算值的1.2～1.3倍[10]。在最大吊點提升力處施加15mm向上強迫位移時，提升結構在1.3倍自重+1.5倍不同步提升荷載作用下的桿件應力如圖7所示，最大組合應力為109MPa，滿足Q355鋼材強度要求；此時吊點最大提升力515kN為同步提升力403kN的1.28倍，滿足吊點實際提升力不超過理論計算值的1.2～1.3倍的要求。因此控制提升過程中相鄰提升吊點的最大豎向變形差不超過15mm。

圖7 不同步提升桿件應力(單位：MPa)

3.2 提升抗風分析

六級風荷載作用下提升結構組合應力與側向變形如圖8所示。

圖8 風荷載作用下提升結構組合應力與側向變形

由圖8可知，隨著提升高度的增加，提升結構的組合應力與側向變形均呈現變小的趨勢。屋蓋結構剛脫離胎架即提升高度為1m時，鋼絞線對提升結構的約束最弱，提升結構的側向變形與組合應力最大。最大組合應力由1.3倍恒荷載+1.5倍y向風荷載控制，值為107MPa。1.0倍y向風荷載作用下，提升結構的側向變形最大，值為256mm。提升結構周圍空曠，不存在與其他結構或構件發生碰撞的隱患。提升過程中結構構件應力均處于彈性，側向變形為彈性可恢復，因此提升過程中結構抗風性能滿足要求。

3.3 卸載防連續倒塌分析

當提升3區剪力墻1處提升支架卸載，又未連接剪力墻與下部結構時，結構整體穩定性能最差，倒塌風險最高，為此，進行施工階段結構整體穩定性分析及局部抽柱的防連續倒塌分析，其中風荷載按十年一遇考慮。在1.0倍恒荷載+1.0倍風荷載作用下結構整體穩定性系數為8.59，滿足規范要求。卸載過程結構抗連續倒塌分析結果如圖9所示。拆除圖9中的1根結構柱后，在1.3倍自重+1.5倍x向風荷載作用下，桿件應力水平較低，且均處于彈性；風荷載及自重荷載作用下，結構的最大側向變形及豎向變形也均滿足規范要求。因此結構卸載過程安全可靠。

圖9 卸載過程結構抗連續倒塌分析結果

4 平面網格施工監測分析

4.1 施工監測方案

依據結構施工仿真分析結果，確定施工監測方案，驗證結構計算分析的準確性及施工方案的合理性，指導平面網格柔性結構施工。對提升3區進行施工監測，在施工過程中受力復雜、應力大及變化幅值大的位置布置應力及變形測點，如圖10所示。其中應力監測點布置在提升吊點附近、葉片梁位置、柱樓層處及鑄鋼件節點處，變形監測點設置在葉片網格交點處、各區嵌補桿件間。

圖10 施工應力與變形監測點布置

4.2 施工監測數據分析

4.2.1應力監測分析

選擇圖10a中葉片梁下翼緣測點1，3進行施工各階段自重荷載下桿件的應力分析，結果如圖11所示。

圖11 施工過程梁測點應力變化曲線

由圖11可知，施工監測與模擬計算分析得到的桿件應力變化趨勢一致，由于鑄鋼件節點造型及受力復雜，對葉片梁實際約束與結構整體模型假定略有出入，同時結構柱底并非完全鉸接，模擬值比實測值略大，最大幅值約為15%。測點1位于提升吊點處，提升過程與卸載過程桿件應力較大，實測值約為56MPa；結構卸載過程中，構件發生應力重分布，桿件應力減小；隨著屋面樓板及裝飾施工完成，豎向荷載增加，施工成型后測點應力繼續增加至82.5MPa。測點3距提升吊點較遠，桿件應力隨著施工工序的開展不斷增加，結構施工成型后，測點應力實測值為114.2MPa，實測數據桿件應力均處于彈性，結構施工過程安全可靠。

4.2.2變形監測分析

選擇圖10b中葉片梁跨中測點14及邊緣嵌補處測點17進行1.0倍自重荷載作用下桿件的變形分析，結果如圖12所示。

圖12 施工過程梁測點變形曲線

由圖12可知，施工監測與模擬計算分析得到的梁豎向變形趨勢一致，隨著施工各階段荷載的增加，變形逐漸增大。模擬值比實測值略大，最大幅值約為20%。提升就位過程中葉片結構梁跨中最大豎向變形實測值僅11mm，為結構跨度的1/1 273，滿足安裝精度要求；嵌補桿件最大豎向變形實測值為5mm，滿足各提升區桿件嵌補精度要求。

將屋蓋結構提升至設計位置后，結構柱最大傾斜實測值為15mm，比模擬值17mm略小，柱側向位移角為1/1 273，滿足驗收要求；葉片梁與異形柱間的嵌補桿件最大變形量為17mm，施工時嵌補桿件預留變形量為20mm，滿足桿件嵌補精度要求。結構施工監測保證了結構的施工安全，驗證了施工方案的合理性及施工全過程仿真分析的準確性。

5 結語

1)提出了單層平面交叉網格結構逆作提升技術，設計了一種永臨結合的提升支架，保證網格結構提升過程中的抗側向剛度，解決了平面交叉網格逆作提升的施工難題。

2)形成了結構逆作施工關鍵控制技術，進行了提升過程的同步提升與抗風分析，并給出了相應的控制方法，保證了結構的提升安全與安裝精度。

3)形成了平板網格結構卸載技術，保證結構在卸載前形成抗側向剛度，結合卸載過程的整體穩定性分析及防倒塌分析，驗證了卸載方案的合理性，解決了柔性結構卸載風險高的技術難題。