大型會展中心雙層展廳鋼結構工程施工技術*

王強強 楊 林 王 強

(浙江精工鋼結構集團有限公司 浙江 紹興 312030)

1 工程概況

紹興國際會展中心一期工程B 區工程包含1個單層超大展廳(1號展廳)、1個雙層展廳(2號多功能展廳)、1個會議中心和會展廊等。

圖1 效果圖

2號多功能展廳地下設有大范圍地下室,地上為全鋼結構。鋼屋蓋平面尺寸74 m×216 m,橫向典型柱網柱距9.0 m,局部10 m,縱向典型柱網柱距9 m,局部抽柱位置柱距18 m,鋼屋蓋主要包括登錄大廳、會議廳、2層展廳等三個大空間屋蓋,結構最大標高為31.25 m。

展廳主要支承鋼柱均向地下延伸至地下室底板,地下部分均為鋼骨柱。地上登錄大廳鋼屋蓋采用實腹式主次梁結構,主梁跨度36m,主梁高度1.2～1.6 m。會議廳一、二層為鋼框架,鋼屋蓋為混凝土重載屋面,沿跨度方向布置主桁架,桁架跨度45 m,桁架高度中央3.5 m,根部4.0 m;同時沿垂直于主桁架方向布置次桁架,桁架高度2.8 m～3.5 m。雙層展廳屋面因裝修及吊掛荷載較大,也為重載屋面,其沿跨度方向布置主桁架,桁架跨度54 m,桁架高度4.0 m。同時,因下部支撐柱局部抽柱,垂直于主桁架方向布置托桁架支撐主桁架,桁架高度4.0 m。桁架兩側區域為柱距為9 m×9 m 或9 m×18 m 的規則框架結構[1]。

圖2 結構整體布置軸測圖

2 工程重難點及解決措施

2.1 場地條件復雜

2號多功能展廳鋼結構設有大范圍地下室,而樓蓋桁架每榀重量達105～136 t,屋蓋桁架每榀重量在45～71 t。如使用履帶吊等大型吊裝機械,則需要對地下室頂板進行大量加固,行走路線固定不靈活,且臨時支撐措施量大;如使用塔吊,則塔吊型號選擇大,使用周期短不經濟。方案選擇需要綜合考慮工期、經濟、安全、效率、質量控制等多方面因素。

2.2 工期緊

2號多功能展廳鋼結構工程量為1.1萬t,地上施工工期只有2個月,工期極為緊張。

2.3 雙層結構復雜

雙層展廳均為大跨度桁架結構,兩層桁架在平面投影上重疊;如何選擇方案,充分利用有限的拼裝場地以及保障兩層桁架之間的施工相互交叉影響小,是方案選擇的重點。

3 施工安裝方案

2號多功能展廳地下室鋼骨柱使用80 t汽車吊通過鋼棧橋坡道到地下室底板上吊裝。

地上鋼結構施工時,使用汽車吊在地下室頂板上吊裝,鋼框架采用常規分段吊裝的方案。

通過對多種方案的對比分析,2號多功能展廳中的會議廳屋蓋桁架、雙層展廳的樓蓋桁架和屋蓋鋼桁架均在地下室頂板上整體拼裝,利用小型汽車吊做桁架拼裝機械,同時利用兩側框架結構做提升支承,采用整體提升的施工方案。其中雙層展廳提升采用逆作法提升,即先提升屋蓋桁架,再利用屋蓋桁架提升樓蓋桁架。

4 關鍵施工技術

4.1 棧橋坡道設計

本工程棧橋坡道主要用于80 t汽車吊和材料運輸車輛下地下室底板吊裝地下鋼骨柱。棧橋坡道長34 m、高5 m、寬5 m,與水平面夾角為10°,以滿足車輛行駛要求。立柱與地下室底板通過預埋件連接,頂部鋪設路基箱,兩側設有1 m 高欄桿。

鋼坡道立柱采用P300×14圓管,主梁采用H500×300×14×20的H 鋼,次梁采用H300×150×8×10的H 鋼,剪刀撐采用B80×8的方管,上鋪5 m×2 m×0.25 m 的路基箱共15塊。

4.2 展廳桁架提升施工工藝

根據結構形式,共分為會議廳屋蓋桁架、展廳屋蓋桁架和展廳樓蓋桁架3個提升分區。展廳屋蓋桁架和會議廳屋蓋桁架各7榀;樓蓋桁架共11榀,其中西側邊廳部位4榀樓蓋桁架上方另設有鋼框架結構,為保證工期和方便安裝鋼框架,這4榀桁架采用分段安裝方式隨主結構先行安裝。其余7榀樓蓋桁架作為一個提升分區。各提升區內桁架連同桁架間次桁架、聯系桿件、鋼梁等一同拼裝、提升。

4.2.1 提升點布置

本工程兩榀主桁架結構之間的連接剛度較弱,為保證桁架提升到位后與兩側框架結構的對接精度,桁架結構提升時,在每榀桁架兩端均設置一個提升吊點。如圖4所示,三個提升分區分別設置14 個提升吊點。

圖4 屋蓋桁架提升分區和提升吊點布置

4.2.2 提升上下吊點設計

本工程桁架提升的上吊點均設置在屋蓋桁架端部鋼柱柱頂處的上弦桿牛腿上。常規需在柱頂單獨設置提升架用以放置提升器,為減小提升架的用量,本工程利用柱頂側面的桁架牛腿,通過在桁架牛腿側面上設置提升器放置平臺,提升器放置平臺僅需三塊鋼板焊接而成。由于提升器放置在鋼牛腿的一側,在提升荷載作用下,會對鋼牛腿產生較大的扭轉荷載;為減小牛腿在提升荷載下的扭轉,本工程將H 型鋼牛腿靠近吊點處一側上下翼緣用鋼板焊接成箱型,增大牛腿的抗扭剛度,同時通過節點有限元計算保證提升牛腿的安全性。

提升下吊點設置在桁架下弦處的托梁上。托梁位于桁架下部,采用兩根并排的H 型鋼組成,為保證兩根H 型鋼托梁受力的均勻和穩定性,每隔2m 左右采用鋼板將兩根鋼梁上下翼緣焊接固定。采用兩根并排H 型鋼梁作為托梁的原因主要是在滿足提升承載力的前提下,需控制托梁高度不應過高,避免桁架拼裝時需要的支撐胎架過高。托梁間隔一跨設置一道,每道托梁兩端連接兩榀桁架。其中雙層展廳的7榀屋蓋桁架提升完成后,提升千斤頂在原位繼續進行7榀樓蓋桁架的提升。

4.2.3 提升設備的選擇

本工程桁架結構提升,提升反力在450～850 k N;對于小于700 k N 的提升吊點采用額定提升能力為100 t提升器,對于大于700 k N 的提升吊點采用180 t提升器;滿足規范對單點提升器提升能力不小于對應吊點荷載標準值的1.25倍和總體提升能力不小于總提升荷載標準值的1.25倍且不大于2.5倍的要求。

鋼絞線作為柔性承重索具,采用高強度低松弛預應力鋼絞線,抗拉強度為1 860 MPa,單根直徑為15.24 mm,破斷拉力約26 t。鋼絞線數量的選擇首先保證其安全系數不低于2.0倍,同時數量不得少于3根,以保證提升過程中結構的安全性,避免因某根鋼絞線失效而引起連鎖破壞反應。

4.2.4 提升過程

提升前,要求各提升區周邊鋼框架安裝施工完成,保證桁架支承柱的側向穩定。提升流程包括:分級加載→結構離地檢查→姿態檢測調整→同步提升→提升過程的微調→提升就位→焊接補桿→卸載幾個步驟。完成后,拆除提升器和托梁。

在雙層桁架提升時,由于樓蓋桁架弦桿牛腿尺寸較大,其對屋蓋桁架提升會產生干涉,為避免對提升過程造成影響,對樓層桁架鋼柱牛腿采取后裝方式進行施工;牛腿可設置于樓層對應桁架上,隨樓層桁架一起提升到設計位置后補裝。

4.2.5 提升過程模擬計算分析

紹興會展中心2號館鋼結構采用分段吊裝+桁架整體提升施工。在安裝過程中,結構受力及變形是一步步累加成型,其結構受力情形和原設計一次成形狀態受力有所不同,因此,需要對結構施工過程進行有限元模擬分析,保證施工過程中結構的安全性以及施工完成后結構使用過程中的安全性。

經過分析,本工程施工完成后結構最大豎向變形為29.13 mm,與原設計一次成型豎向變形25.22 mm相比,相差較小,在規范允許范圍之內,可不進行預偏調整。施工過程中各個施工步驟桿件最大應力比為0.35＜1.0,且有較大富裕,能夠保證施工過程中結構的安全性。

施工過程是結構逐步成形過程,與原設計結構一次成形過程有較大的差別;這種差別會在構件內部產生附加應力,使得部分構件應力比原設計狀態下要大,部分構件應力比原設計狀態小;對于應力增大的構件會降低后期結構正常使用條件下的安全余量,因而需對施工過程在結構桿件內產生的附加應力大小進行分析。由圖5可見,絕大部分桿件附加應力小于15 MPa,附加應力較小,對桿件影響小,施工方式較為合理;考慮原設計桿件應力富余,能夠保證結構正常使用過程中的安全性。[2]

圖5 施工過程桿件附加應力柱狀圖

4.3 大跨度桁架預起拱

本工程存在較多的大跨度桁架和鋼梁,為保證大跨度桁架和鋼梁的施工精度,需進行預起拱。預起拱分為兩種形式:設計預起拱和施工預起拱。設計預起拱是為保證結構在恒荷載和部分活荷載作用下變形后的形態能夠與設計圖紙一致。施工預起拱是考慮結構施工過程對結構變形的影響,保證施工完成后結構位形能夠與設計位形一致。結構最終的預起拱值為設計預起拱和施工預起拱的疊加。預起拱一般在模型深化設計階段進行考慮,以便于預起拱的準確實施。對于施工預起拱,由于工程經常為圖紙深化先行,不確定施工方案,施工預起拱也可以在項目施工現場拼裝階段進行實施。本工程最大跨鋼梁跨度為36 m,按跨度的1/900進行設計預起拱,大跨度桁架,由于剛度較大,按跨度1/2 000進行設計預起拱。根據施工方案,本工程鋼梁為整榀吊裝,無需進行施工預起拱,大跨度桁架采用提升施工,根據施工模擬分析結果,桁架最大施工預起拱值為28.6 mm。

筆者通過紹興國際會展中心一期B 區2號展廳鋼結構工程,系統介紹了雙層展廳施工的重難點,同時也較全面地闡述了各個部位的施工方案,尤其是較詳細地說明了在極短工期的施工條件下,結合結構特點采取合適的施工方案。筆者涉及的施工技術和方法可為今后類似工程提供借鑒和參考。