商業mall大跨度穹頂鋼結構設計與施工

聶 浩，黃磊群，雷 相，梁斯宇，鄧華明，劉愛英

(廣西路橋集團建筑工程有限公司,廣西 南寧 530000)

大跨度穹頂鋼結構常用于體育館、娛樂場所、大型商業建筑等場所,例如萬達購物中心,其具有自重輕、造價低、安全可靠、采光性能好、節能環保等優點,但大跨度穹頂鋼結構設計復雜、安裝精度要求高、安裝穩定性差,高空作業等特點,給穹頂結構施工安裝造成較大困難。本文以南寧市望州路舊城改造商業mall項目大跨度穹頂鋼結構設計與施工為例,從ANSYS軟件分析、結構計算、鋼梁柱吊裝、臨時支撐架體搭設等方面展現大跨度穹頂鋼結構建造技術的實際應用。

1 工程概況

望州路舊城改造商業mall項目位于南寧市興寧區燕州路以北,望州路以西,處于興寧區中心地帶,該項目商住一體,占地面積31 050.79 m2,總建筑面積197 505.07 m2,商業建筑屋頂采用穹頂結構,平面尺寸為32.1 m×27.2 m,穹頂最高處標高為28.366 m,采用國產優質Q235B鋼,鋼柱采用350×200×12鋼方管,高4.1 m,主鋼梁采用250×100×6鋼方管,最大長度32.1 m,次鋼梁采用90×90×4鋼方管,鋼環梁采用350×450×14梯形鋼管,穹頂最高處標高為28.366 m。

2 工程重難點分析

望州路舊城改造商業mall項目是一個復雜的建筑工程,該項目的商業建筑采用穹頂結構,這種結構相對于傳統的平頂建筑來說更復雜,需要特殊的設計和施工技術。穹頂的高度和曲線形狀將對結構工程師和施工團隊提出挑戰,需要確保穹頂的穩定性和安全性。首先,項目的穹頂結構采用鋼結構,包括鋼柱、主鋼梁、次鋼梁和鋼環梁。鋼結構的設計和制作需要高度的精確度和質量控制,以確保其能夠承受穹頂的重量并滿足安全標準。其次,穹頂的最高點標高為28.366 m,這意味著整個結構需要具有良好的穩定性和抗風能力,特別是在南寧地區遇到的極端天氣條件下。此外,考慮到項目是商住一體的綜合建筑,需要在商業和住宅區域之間進行有效的設計和協調,具體包括保障商業和住宅區域的功能性和隔離性,以滿足不同用途的需求。最后,由于項目位于市中心地帶,會面臨土地限制和規劃限制的挑戰。需要確保項目符合土地利用規劃要求,并考慮交通、停車和城市基礎設施等因素,且在施工過程中,特別是在建造高大的穹頂結構時,必須嚴格遵守施工安全規定,確保工人的安全。現場管理和協調也是確保工程順利進行的關鍵因素。綜合來看,望州路舊城改造商業mall項目具有復雜的結構和設計要求,需要高水平的工程和管理技術,以確保工程的成功實施。在項目的各個階段,包括設計、施工和運營,都需要認真考慮上述重難點,以減少風險并實現項目的可持續發展。

3 穹頂鋼結構設計

3.1 穩定性計算

穹頂鋼結構的穩定性計算是確保結構在各種負載和環境條件下安全的關鍵步驟。首先,需要確定穹頂結構將承受的各種設計荷載,包括風荷載、雪荷載、自重、設備荷載等,這些荷載會影響結構的穩定性,根據設計荷載,選擇適當的材料和截面尺寸來構建鋼結構。確保材料的強度和剛度滿足設計要求,在應用過程中可以使用結構分析軟件或手工方法,建立穹頂結構的數學模型,模型應包括所有的結構組件,如鋼柱、主鋼梁、次鋼梁和鋼環梁,在此基礎上確定結構的邊界條件,包括支承條件和懸臂長度等,相關條件對結構的穩定性計算至關重要,可以使用適當的穩定性理論和方法,對穹頂結構進行穩定性分析。常見的穩定性分析方法包括歐拉穩定性、彎扭穩定性、局部穩定性等。最后,穹頂結構上的荷載會不均勻分布,例如,風荷載在不同高度有不同的作用,在穩定性計算中,需要考慮這些非均勻荷載分布。此外,在穩定性計算中,通常會考慮極端條件,例如最大風荷載或地震荷載,有助于確保結構在極端情況下也能保持穩定,完成初步穩定性計算后,進行校核以確保結構滿足設計要求,在穹頂結構中,扭曲和剪切效應也需要考慮在內。這些效應可以通過適當的穩定性分析方法來處理。

在本設計中,采用ANSYS 2021R1有限元軟件整體計算分析,計算跨度32.1 m,初始缺陷取跨度的1/300,荷載選取滿跨恒荷載與半跨均布活荷載進行全過程分析。恒載單向桿件導荷取0.5 kN/m2、雙向桿件導荷取0.7 kN/m2;活載為雙向桿件導荷方式取0.5 kN/m2。半跨均布荷載分別布置在上半跨(工況1)、左半跨(工況2)、右半跨(工況3),見圖1。采用恒荷載+活荷載標準組合,各選用15組不同模態進行分析,其中1.00恒載+1.00活載工況1,第12組模態1,2情況下穩定系數最小為22.457;1.00恒載+1.00活載工況2,第13組模態1,2情況下穩定系數最小為20.748;1.00恒載+1.00活載工況3,第74組模態1,2情況下穩定系數最小為22.525。最小整體穩定系數取第13組模態1,2情況下的20.748,滿足規范設計要求[1-3]。

根據線性分析結果,第13組模態1,2情況下穩定系數最小,對13組模態1情況下Z向位移最大的112號節點進行非線性(時程曲線)穩定性分析,其安全系數為10.1>4.2,滿足要求,見圖2。

3.2 結構計算

穹頂鋼結構的設計需要進行結構計算,以確保結構的安全性和穩定性。結構計算之前需要進行靜力分析,計算結構在各種設計荷載下的內力、反力和位移。這可以通過有限元分析等方法來完成,如果結構位于地震活躍區域,需要進行動力分析,以評估結構在地震作用下的響應,在此基礎上進行結構穩定性計算[4],包括歐拉穩定性、彎扭穩定性和局部穩定性等。這些計算將確保結構在荷載作用下不會失穩。完成初步結構計算后,進行校核以確保結構滿足設計要求。如果需要,可以進行結構的優化,以提高性能并減少材料使用,如果結構將受到循環荷載或振動荷載的影響,需要進行疲勞分析,以評估結構的疲勞壽命。

本工程采用Q235鋼材:彈性模量:2.06×105N/mm2;泊松比:0.30;線膨脹系數:1.20×10-5;質量密度:7 850 kg/m3。

永久荷載包括:玻璃、桿件、連接件、附件等的自重,標準值取0.65 kN/m2;活荷載:按《建筑結構荷載規范》標準值[5]取0.000 5 kN/m2;風荷載:垂直作用于采光頂表面,對于采光頂結構,荷載作用復雜,并且有時風壓是正,而有時候是負,一定范圍內的負壓對結構是有利的。因此實際計算的時候要分別考慮并采用其參與組合后的最大值,比較大的風荷載體型系數情況下的風荷載標準值wk+取0.553 kN/m2;比較小的風荷載體型系數情況下的風荷載標準值wk-取-1.106 kN/m2。

地震作用:地震設防烈度7度(0.10g),計算振型數取9個,建筑結構阻尼比0.040,特征周期值0.40 s,采用振型分解法,第二組,場地Ⅱ類。

分別考慮恒載、活荷載、風荷載、豎向地震、水平地震等工況作用組合下,對鋼結構屋蓋進行詳細的計算分析,對各單工況結果考慮了94種荷載組合,將穹頂整體結構劃分為760個單元構件,對各單元構件進行強度應力比、整體穩定應力比進行分析,計算結果見表1,其中強度應力比小于0.5的單元構件621個,占比81.7%;繞2軸整體穩定應力比小于0.5的單元構件607個,占比79.9%;繞3軸整體穩定應力比小于0.5的單元構件591個,占比77.8%。整體穩定應力比大于0.9的單元構件,繞2軸僅2個,占比0.3%;繞3軸12個,占比1.6%,強度應力及穩定應力比均不大于1,滿足設計要求。

表1 應力比統計結果表

對結構整體采用有限元軟件分析,撓度變形見圖3,其鋼結構構件撓度變形中間大,四周小,最大豎向撓度為28.1 mm,小于l0/300=32 100/300=107 mm,滿足規范要求。

4 穹頂鋼結構施工

4.1 穹頂鋼結構安裝方案

穹頂鋼結構的安裝是一個復雜的過程,需要嚴格按照計劃進行,以確保結構的穩定性和安全性,以下是穹頂鋼結構安裝的主要流程:1)鋼結構預埋件預埋:進行鋼結構預埋件的預埋工作,包括在地基或基礎混凝土中設置預埋螺栓或其他連接元件,以便后續的鋼結構可以安全地固定在上面,預埋件的位置和尺寸必須按照設計圖紙精確布置。2)矩形鋼立柱安裝:安裝過程的下一步是安裝矩形鋼立柱。這些立柱通常位于結構的四個角落和中間位置,用于支撐主要的鋼結構框架。立柱必須垂直安裝,并與預埋件進行牢固的連接。3)柱頂鋼環梁(邊梁)安裝:在立柱安裝后,安裝柱頂的鋼環梁或邊梁。這些橫向構件將連接立柱,形成結構的基本框架。安裝過程需要確保這些梁與立柱的連接緊固,以保持結構的穩定性。4)主梁安裝:主梁是支撐穹頂的關鍵構件。它們通常位于結構的頂部,橫跨邊梁之間,主梁的安裝需要仔細的計劃和高度精確的位置控制,以確保整個結構的幾何形狀和穩定性。5)次梁安裝:次梁是用于支撐穹頂玻璃組件的次要結構構件。它們位于主梁之間,并起到加強和穩定結構的作用,次梁的安裝需要與主梁對接和連接。6)采光穹頂玻璃組件安裝:進行采光穹頂玻璃組件的安裝。這些玻璃組件將覆蓋整個穹頂結構,提供采光和美觀性,安裝過程需要小心操作,以確保玻璃的安全性和完整性,在整個安裝過程中,安全是至關重要的,必須嚴格遵守相關的安全標準和操作規程。同時,需要確保所有連接點和固定件都經過正確的安裝和檢查,以確保結構的穩定性和安全性。

1)鋼結構預埋件在穹頂洞口反邊鋼筋綁扎時預埋,采用兩根φ12 mm鋼筋作為埋件托筋,與反邊鋼筋焊接固定,保證預埋板不移動后與洞口反邊整體澆筑。

2)鋼立柱為單根矩形鋼管,長4.1 m,單根總重394.59 kg,現場采用塔吊進行吊裝;鋼立柱吊至預埋件上時,先臨時固定,調整垂直度至符合規范要求,若超出范圍,可采用墊片或專用鍥鐵調整。垂直度無誤后,先點焊連接穩固后采用四面滿焊焊接立柱與預埋件。

3)鋼環梁(邊梁)位于柱頂,為弧形,每根長度為4.5 m,重403.56 kg,使用塔吊吊裝就位與鋼柱點焊臨時固定,調整平整度合格后對接滿焊,在屋面搭設雙排腳手架作為操作平臺。

4)主鋼梁截面尺寸為250 mm×100 mm×6 mm,長32.1 m,單根鋼主梁最大質量為997.8 kg,吊裝前采用四點綁扎的方法對鋼梁進行多次試吊,保證主梁不傾斜來確保吊點準確位置。吊裝過程中,第一榀主鋼梁吊至環形梁處,不要松鉤,對準定位軸線調整垂直度,并檢查側向彎曲,臨時固定并焊接后,進行相鄰軸線主鋼梁吊裝,第二榀主鋼梁與第一榀主鋼梁相互平行,水平方向采用型鋼第一根主鋼梁上臨時固定,豎向采用方通臨時固定在滿堂支撐上,確保主梁安裝穩定,以此類推,必要時可拉設攬風繩避免鋼梁的傾斜[6]。

5)次梁按照圖紙設計要求分格安裝,焊縫厚度不少于設計焊縫厚度的2/3,且不大于8 mm,焊縫長度不宜小于25 mm,位置應在焊道內。

4.2 臨時支撐體系支撐

屋頂穹頂的鋼結構施工是該項目的一個關鍵環節,需要仔細計劃和高度專業化的操作。以下是對屋頂穹頂鋼結構施工的詳細描述,包括屋面外圍支撐體系和屋面骨架滿堂支撐體系。

1)屋面外圍支撐體系。在屋面穹頂的四周,有高度為4.1 m的鋼環梁。這些鋼環梁的安裝是關鍵步驟之一,因為它們將支撐整個穹頂結構。為了完成這項任務,采用了移動式門式架作為作業操作平臺。這個平臺是為了讓工人能夠到達鋼環梁的高度,并進行焊接和安裝工作。通過使用移動式門式架,可以有效解決立柱與環形梁的焊接問題,因為工人可以在較高的位置工作,而不需要懸掛或其他不便的工作方式。這有助于提高工作效率和安全性。

2)屋面骨架滿堂支撐體系。屋面的主次梁以及玻璃安裝需要采用滿堂支撐體系。滿堂支撐體系使用直徑為48.3 mm×3.6 mm的普通鋼管搭建操作平臺。這個平臺的搭設高度達到27 m,縱向跨距為1 000 mm,共有32跨;橫向跨距為1 000 mm,共有26跨。同時,在平臺上設置立桿,立桿的步距為1 500 mm,為了支撐工人在平臺上進行工作,腳手板以平行于平臺橫向鋪設的方式鋪設。這種結構設計旨在確保平臺的穩定性和承載能力,以滿足主次梁的焊接和玻璃安裝等工作的要求。

總的來說,屋頂穹頂的鋼結構施工需要高度專業的操作和嚴格的安全措施。使用移動式門式架和滿堂支撐體系等現代施工技術,可以確保工程按計劃進行,同時保障了工人的安全。這些施工步驟是確保屋頂穹頂的穩定性和安全性的關鍵因素,對于整個項目的成功至關重要。穹頂鋼結構安裝示意圖見圖4。

5 結論

1)采用有限元軟件對穹頂鋼結構進行線性及非線性穩定性分析,采用線性分析時其最小穩定系數為20.748;對其穩定系數最小的節點進行非線性分析(時程曲線),其安全系數為10.1,均滿足設計要求。

2)對結構采用94種不同荷載組合,對構件單元進行強度應力比、整體穩定應力比分析,應力比均小于1,豎向撓度最大變形為28.1 mm,小于規范設計要求。

3)屋面穹頂鋼結構安裝結合現場實際安裝方案、施工現場環境等條件,外圍采用移動式門式架,內部采用滿堂支撐作為臨時操作平臺。