大跨度三層雙曲鋼網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)

壽建軍，金　洋

(浙江八達(dá)建設(shè)集團有限公司， 浙江 杭州 310002)

摘　要：以浙江農(nóng)林大學(xué)天目學(xué)院籃球館鋼結(jié)構(gòu)工程為例,分析了雙曲、三層網(wǎng)殼空間結(jié)構(gòu)的施工特點,提出分區(qū)、分層、分別合攏的施工方法,解決了復(fù)雜軸網(wǎng)布置下的平面及空間定位困難等諸多問題,最后對結(jié)構(gòu)的卸載進行數(shù)值模擬并準(zhǔn)確指導(dǎo)現(xiàn)場支撐拆除工作。

關(guān)鍵詞：大跨度；三層雙曲網(wǎng)殼；數(shù)值模擬；施工技術(shù)

1　工程概況

浙江農(nóng)林大學(xué)天目學(xué)院籃球館鋼結(jié)構(gòu)工程位于浙江省諸暨市,主體結(jié)構(gòu)采用空間鋼網(wǎng)殼結(jié)構(gòu),網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)基本形式為螺栓球下弦多點支撐四角錐三層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu),節(jié)點為螺栓球與焊接球混合節(jié)點網(wǎng)殼。支座采用抗滑移球鉸彈簧支座。見圖1。本工程網(wǎng)架南北向跨度為82.4 m,東西向跨度105.8 m,上弦最高處標(biāo)高為31.500 m, 最低處標(biāo)高為16.750 m,懸挑長度為8.45 m,鋼結(jié)構(gòu)總量約650 t。

圖1　籃球館主結(jié)構(gòu)軸測圖

2　工程特點及施工重難點

本工程籃球館為三層、雙曲結(jié)構(gòu),其跨度大、高差較大,桿件種類繁多。以上5點構(gòu)成了本工程的主要特點,加之本館部分結(jié)構(gòu)采用了焊接球與螺栓球混合節(jié)點,安裝定位的精準(zhǔn)度十分重要。

2.1　建筑跨度大

本工程籃球館的跨度大,建筑東西跨度105.8 m,南北跨度82.4 m。工程安裝前進行了專項吊裝專家論證方案。

2.2　空間定位困難

雙曲、3層鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)殼節(jié)點定位復(fù)雜,難點包括平面定位和空間定位。以籃球館為例,37個網(wǎng)殼支座坐落在由4段圓組成的蛋形弧線上,弧線由4個圓心控制。

2.3　溫度及施工變形控制困難

施工累積誤差及吊裝導(dǎo)致的網(wǎng)殼變形,以及施工時差的溫度變形等,可以通過控制溫度對結(jié)構(gòu)變形的影響,來使施工時溫差、施工誤差的影響控制到最小。施工期間正值夏季,結(jié)構(gòu)變形值達(dá)到峰值。

2.4　結(jié)構(gòu)卸載難度大

體育館的結(jié)構(gòu)卸載是本工程的重點與關(guān)鍵點。本工程支撐卸載存在如下主要技術(shù)難點：

1)本工程鋼結(jié)構(gòu)跨度大,卸載過程中。桿件的應(yīng)力隨時變化,有可能超過設(shè)計應(yīng)力,故必須對卸載全過程進行詳細(xì)周密的分析,制定合理的卸載方案?？赏ㄟ^理論分析來指導(dǎo)整個卸載過程,以保證桿件應(yīng)力在卸載過程中始終控制在允許范圍。

2)整個卸載過程中需經(jīng)過多次循環(huán)卸載才能最終完成。

3)卸載點分布廣,為了確保結(jié)構(gòu)的安全和建筑外形,卸載工作須精心組織施工，須控制各卸載點同步下降。

3　施工要點及主要過程

3.1　施工方法

根據(jù)本工程的特點以及以往類似工程的施工經(jīng)驗,本工程的所有構(gòu)件將以散件形式發(fā)往現(xiàn)場,采用汽車吊配合塔吊提升的拼裝方式,對體育館上空網(wǎng)架采用“搭設(shè)滿堂腳手架操作平臺,結(jié)合承重井字格構(gòu)架高空散裝”的施工方案進行施工。

由于工期短、任務(wù)重,本工程采用分區(qū)分層交叉施工的方法。分區(qū)施工流程見圖2。

圖2　分區(qū)施工流程示意圖

滿堂腳手架按照專家論證后的方案搭設(shè)。單個鋼結(jié)構(gòu)館吊裝順序從有支撐跨的一側(cè)開始安裝,形成空間剛度單元后再向后逐步進行安裝。吊裝順序按照以下方法進行。

①外圍1～3圈安裝→②4～6圈安裝,同時1～3圈上部桿件開始安裝→③7～9圈安裝,同時4～6圈上部桿件開始安裝→④里圈安裝,同時7～9圈上部桿件開始安裝→⑤里圈上部桿件開始安裝→⑥拆除腳手架及支撐架,最后完成整個體育館屋面網(wǎng)架結(jié)構(gòu)安裝。分層安裝見圖3。

圖3　上下分層示意圖

3.2　彈簧支座定位安裝

本工程選用的是彈簧鉸支座,該支座的滑移方向?qū)嶋H上就是本結(jié)構(gòu)計算模型中釋放的一個位移自由度方向,兩者是否吻合意味著制造、安裝是否符合設(shè)計假定,如有偏差則會限制該方向的運動,出現(xiàn)附加支座反力,嚴(yán)重時會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。因此支座除了要嚴(yán)格控制標(biāo)高誤差以外還應(yīng)控制方向誤差。

施工過程中,采用全站儀施工,以土建提供的軸線與標(biāo)高為基準(zhǔn)進行測量定位、劃線。安裝完畢后進行復(fù)測?；@球館的37個支座復(fù)測結(jié)果：37個支座中平面位移最大15 mm，最大標(biāo)高誤差8 mm。符合《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范(GB 50205—2001)》要求。見圖4。

圖4　籃球館37個支座平面位置定位圖

3.3　溫度及施工變形、網(wǎng)殼合攏

本工程為抽空三角錐結(jié)構(gòu)形式,結(jié)構(gòu)剛度較小,且支座間距較大,由于施工累積誤差及吊裝導(dǎo)致的網(wǎng)殼變形,施工時差造成的溫度變形等,因此必須控制溫度對結(jié)構(gòu)變形的影響,使施工時溫差和施工誤差影響控制到最小。

通過計算機模擬施工仿真分析,對存在較大變形部位通過桿件加強方式控制變形,對于撓度較大的點,設(shè)置臨時支撐,待整體結(jié)構(gòu)施工完成后,整體卸載。

合攏區(qū)外桿件安裝完成后,于早上8：00：00及下午18：00：00兩個時間段測量合攏區(qū)數(shù)據(jù),確定尺寸浮動最小值并確定為安裝時間段,之后立刻交由工廠進行加工,待加工完成運至現(xiàn)場,再確定安裝時間段進行安裝。

3.4　支撐架卸載

由于網(wǎng)架安裝時采用了臨時支撐腳手架,在安裝結(jié)束后需要拆撐卸載。拆撐卸載的原則是：以結(jié)構(gòu)計算為依據(jù),以結(jié)構(gòu)及支撐系統(tǒng)安全為宗旨,以變形協(xié)調(diào)為核心,以實時監(jiān)測為手段。

3.4.1　卸載辦法與步驟

本工程采用分步循環(huán)卸載法,采用螺旋千斤頂來實現(xiàn)。另外，整體網(wǎng)架安裝完成后各桿件由于受焊接、氣溫變化等原因會存在殘余應(yīng)力,于是需要放置72 h進行自然時效處理,以消除殘余應(yīng)力再進行卸載。具體步驟如下：

1)中心焊接球節(jié)點降10 mm,旁邊其余焊接球節(jié)點降8 mm,最內(nèi)側(cè)三圈螺栓球降5 mm；

2)中心焊接球節(jié)點降10 mm,旁邊其余焊接球節(jié)點降10 mm,最內(nèi)側(cè)三圈螺栓球降8 mm,次內(nèi)側(cè)三圈螺栓球降5 mm；

3)如此反復(fù),逐漸向外側(cè)支座節(jié)點擴展,直至全部節(jié)點拆除為止,卸載完畢。

圖5　21個應(yīng)力敏感點布置圖

3.4.2　卸載過程監(jiān)測

在卸載過程中位移監(jiān)測是卸載監(jiān)測的兩個手段之一,所以在模擬分析中必須計算出每步卸載過程中各個點的位移量,通過計算機SAP軟件模擬施工仿真分析,對存在較大變形部位通過桿件加強方式控制變形,對于撓度較大的點,籃球館共設(shè)置臨時支撐點162個,待整體結(jié)構(gòu)施工完成后,整體卸載。

21個應(yīng)力敏感點布置在相應(yīng)區(qū)域的腹桿上,見圖5。對此21個點的應(yīng)力值進行實時監(jiān)控,如果與計算值發(fā)生偏差或者偏差較大,就暫時停止卸載，檢查原因直到排除故障,再繼續(xù)卸載，以保證結(jié)構(gòu)的安全卸載。

卸載中支撐點上部節(jié)點的位移量相當(dāng)重要,通過比較前后兩步的位移量,能夠反映出該支撐點的千斤頂是否退出工作。

支座反力的確定關(guān)系到千斤頂?shù)拇笮?同時也能真實反映千斤頂是否退出工作。見圖6～8。

圖6　部分檢測支撐點布置圖

圖7　卸載過程支撐點支撐反力分析

業(yè)主聘請了具有CMA認(rèn)證專業(yè)資質(zhì)的第三方檢測公司對撓度進行跟蹤檢測,檢測結(jié)果是卸載后最大累計高差167.3 mm,小于203 mm。符合《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范(GB 50205—2001)》要求。預(yù)控效果與計算機仿真模擬基本一致。

圖8　部分關(guān)鍵桿件內(nèi)力變化圖

4　結(jié)　語

根據(jù)工程質(zhì)量要求高、工期緊、交叉施工的工程特點,采用了新工藝、新安裝技術(shù)及新組織管理法,通過精心組織,合理施工,最后按工程要求完工且沒有發(fā)生任何輕傷級以上事故。鋼結(jié)構(gòu)跨度撓度值控制在小于設(shè)計值的1.12倍以內(nèi)。2013年11月18日,通過了鋼結(jié)構(gòu)整體工程的驗收并且獲得了浙江省紹興市的“優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)工程”、中國建筑鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)質(zhì)工程“鋼結(jié)構(gòu)金獎”以及中國建設(shè)工程“魯班獎”。

Construction Technology of the Large Span Three-Layers Double Curved Steel Reticulated Shell Structure

SHOU Jianjun，JIN Yang

收稿日期：2016-07-14

作者簡介：壽建軍 (1970—),男，浙江杭州人，高級工程師，從事鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工工作。

中圖分類號：TU

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號：