空間雙曲面鋼結構安裝施工技術

曾樹佳，韓 靖，黃志超

（1.廣州建筑股份有限公司，廣東 廣州；2.廣州一建建設集團有限公司，廣東 廣州）

1 工程概況

廣州塔南廣場項目屬于大型地下空間項目，位于廣州塔南側，東臨廣州塔路，南臨藝洲路，西臨藝苑路。建設場地為不規則梯形，地塊南北長約322～353 m，東西長約182～280 m，總用地面積76 040 m2，建筑面積113 568.4 m2，地下3 層，采用半逆作蓋挖施工。為配合景觀營造，建筑設有懸挑波浪造型的鋼梁結構，其分布位置與效果如圖1 所示。

圖1 懸挑鋼梁分布位置及效果示意

2 技術難點分析

頂板的東、西兩側以及北天眼處設有曲面波浪形懸挑鋼梁結構，主要由埋件、懸挑變截面鋼梁、主鋼梁、次鋼梁組成。懸挑鋼梁固定端與結構樓板中的預埋件進行鉸接，懸挑端的變截面鋼梁與主鋼梁之間采用高強螺栓進行連接。東面鋼梁懸挑長度約7.5 m，西面懸挑長度約為10 m，縱向通長跨度約66 m，總用鋼量約為154 t。

鋼梁懸挑長度大，雙曲線結構造型復雜，以致于常規連接板預埋件的負荷能力無法滿足大跨度懸挑結構的支承反力[1-5]，需在傳統預埋件的基礎上進行優化，從而確保節點的受力安全。需考慮超長懸挑鋼梁末端撓度變形對最終造型定位的影響，提前對施工全過程進行模擬計算，并在施工過程中采取有效糾偏措施，保證安裝精度以及最終的成品質量。主要難點如下。

2.1 安裝定位精度控制

主梁節點與預埋件相連接，埋件易受樓板澆筑混凝土的影響而產生偏移，再加上鋼梁懸挑長度大，在安裝各懸挑構件時容易產生累計誤差[6-8]，且主次梁交接處為不規則的斜截面四邊形，因此，對各構件安裝定位精度的把控有著較高的要求。

2.2 傾斜構件吊裝定位

為精準呈現波浪狀造型，懸挑構件以及次梁構件采用變截面H 型梁及箱型梁。主次梁連接面為不規則四邊形，在吊裝時需要預先考慮安裝傾角，盡可能降低高空作業的定位難度。

2.3 監控及糾偏措施

需對安裝全過程實施精度監控，且當偏移量超出控制范圍時應該及時采取有效的糾偏措施，避免出現偏移導致后續構件無法安裝或完工后整體造型偏移等問題。

2.4 自由端撓度變形

鋼結構懸挑長度大，自重作用導致的結構變形將影響整個懸挑結構的受力、拼裝精度以及結構的安全性，如何充分考慮結構變形問題、控制施工過程變形、穩定性、撓度變化是施工的重點和難點。

2.5 預埋件荷載超限

常規連接板預埋件的負荷能力無法滿足大跨度懸挑結構的支承反力，需在傳統預埋件的基礎上進行優化，從而確保節點的受力安全。

2.6 高空作業

在大懸挑鋼結構施工過程中，要進行鋼結構構件的吊裝、高空安裝與焊接等工作，同時穿插頂板園林綠化鋪裝等工序，施工安全風險大。

3 關鍵工藝

3.1 施工全過程模擬分析

為驗證鋼結構吊裝方案的可行性以及考慮超長懸挑鋼梁末端撓度變形對最終造型定位的影響，需分析提取吊裝施工全過程中結構的內力變化情況，采用有限元軟件建立大懸挑鋼結構施工模擬分析模型，如圖2、圖3 所示，計算施工過程中各構件安裝就位后的不同工況，分析各工況加載下鋼構件的受力、變形狀態。同時結合吊裝機械工作性能對鋼構件進行合理的分段，保證分段后的重量都在吊裝機械的工作能力范圍內。

圖2 東西側懸挑鋼梁模型

圖3 北天眼處懸挑鋼梁模型

3.2 精度控制及糾偏技術

在鋼梁安裝過程中，采用紅外線水平儀對鋼梁的軸線坐標進行跟蹤觀測，保證鋼結構安裝過程中各項控制指標在可控范圍內。若在鋼梁安裝過程中垂直度產生偏差，可采用手拉葫蘆和千斤頂進行調整。

3.3 預埋構件優化設計

鋼梁懸挑長度大，以致于常規連接板預埋件的負荷能力無法滿足大跨度懸挑結構的支承反力，需在傳統預埋件的基礎上進行優化，連接方式如圖4 所示，安裝時先做螺栓連接固定，再將預埋鋼骨與鋼梁的上下翼板做全融透一級焊縫焊接，從而確保節點的受力安全。

圖4 懸挑主梁及預埋構件

4 工藝流程

東、西側以及北天眼處的懸挑鋼梁均為曲面凹凸造型。東、西側根據現場施工進度及場地條件，大雨棚可縱向安裝，安裝順序見圖5、圖6，由南向北或者由北向南，安裝思路如下：

圖5 變截面懸挑主鋼梁安裝示意

圖6 懸挑主梁次梁安裝工序

第一步：預埋件安裝完成后，再安裝焊接鋼梁短接頭；

第二步：安裝變截面懸挑主鋼梁；

第三步：安裝次鋼梁；

第四步：安裝懸挑次鋼梁；

第五步：安裝最外層的次鋼梁；

第六步：次鋼梁安裝完成，焊縫探傷檢測、驗收。北天眼懸挑鋼梁結構施工工序如下：

第一步：混凝土梁鋼筋綁扎后，安裝鋼柱、鋼梁埋件。

第二步：安裝立柱；

第三步：從高處開始順序吊裝、安裝Y 形鋼柱，如圖7 所示；

圖7 安裝Y 形鋼柱

第四步：從高處開始順序吊裝主梁、檁條，如圖8所示；

圖8 安裝主梁、檁條

第五步：安裝其他懸臂梁；

第六步：焊縫探傷檢測、防腐防銹涂裝、驗收。

5 質量控制要點

（1） 鋼結構安裝前，應根據定位軸線和標高基準點復核和驗收土建施工單位設置的制作預埋件或預埋螺栓的平面位置和標高。

（2） 結構安裝時，應注意日照、焊接等溫度變化引起的熱影響對構件的伸縮和彎曲引起的變化，并采取相應的措施。

（3） 對關鍵構件在施工過程的沉降、位移和變形情況進行連續不間斷監測，以便及時對支撐系統和重要桿件的位移、變形量及其對設計參數的符合程度進行評估。

（4） 厚板焊接時，應注意嚴格控制焊接順序，防止產生厚度方向上的層狀撕裂。

（5） 焊接完成后認真對焊縫外觀進行檢查，焊縫表面不得有裂紋、焊瘤等缺陷。一級、二級焊縫不得有表面氣孔、夾渣、弧坑裂紋、電弧擦傷等缺陷。且一級焊縫不得有咬邊、未焊滿、根部收縮等缺陷。

6 結論

圍繞廣州塔南廣場項目，深入分析雙曲線懸挑鋼結構設計及施工需解決的各項難點技術問題，進行技術攻關，優化預埋件，解決傳統預埋連接板在連接大跨度鋼梁時的受力安全問題。運用有限元軟件對施工全過程的受力變形進行模擬計算，考慮懸挑梁的下撓程度，并在施工過程中實施位移監測，偏差超出控制范圍時及時采取糾偏措施，提高現場施工質量，最大程度呈現設計意向效果，為類似工程提供參考。