大跨度雙層雙向曲面桁架鋼屋蓋施工

魯宇平 胡彥超 張澤忠 范昌宙 成 朋 施向南

中建鋼構(gòu)有限公司 江蘇 靖江 214532

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)、技術(shù)的飛速發(fā)展，大跨度鋼結(jié)構(gòu)已越來越多地被應(yīng)用于建筑領(lǐng)域，尤其是在各類場館中，大跨度鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)的應(yīng)用已越來越成熟[1-2]。同時(shí)，計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，使得更多結(jié)構(gòu)新穎、體系復(fù)雜、施工難度大的大跨度結(jié)構(gòu)出現(xiàn)在公眾視野中。設(shè)計(jì)中大跨度結(jié)構(gòu)往往采用鋼結(jié)構(gòu)體系，這是因?yàn)殇摬谋旧砭哂凶灾剌p、強(qiáng)度大的優(yōu)點(diǎn)。從最初的單層桁架，發(fā)展為雙層桁架再到現(xiàn)在的空間桁架結(jié)構(gòu)體系，大跨度桁架結(jié)構(gòu)類型越來越多樣，結(jié)構(gòu)形式越來越復(fù)雜，大跨度鋼結(jié)構(gòu)的施工技術(shù)也愈發(fā)成熟。本文將重點(diǎn)介紹大跨度雙層雙向曲面桁架鋼屋蓋施工技術(shù)，從鋼屋蓋安裝方法選擇、臨時(shí)支撐措施、鋼屋蓋卸載等方面介紹大跨度鋼屋蓋施工關(guān)鍵技術(shù)，為同類工程施工提供參考。

1 工程概況

上海海昌極地海洋公園坐落于上海市浦東新區(qū)臨港新城，總用地面積約297 000 m2，規(guī)劃總建筑面積約205 000 m2，建成后將成為世界上最先進(jìn)的第五代大型海洋公園。海豚表演場位于整個(gè)公園的東區(qū)，其屋頂采用大跨度鋼屋蓋結(jié)構(gòu)形式，為雙層雙向曲面桁架結(jié)構(gòu)體系，鋼屋蓋底標(biāo)高約為17.88 m，頂標(biāo)高為22.88 m，主桁架最大跨度59 m，次桁架最大跨度100 m（圖1、圖2），采用相貫焊接節(jié)點(diǎn)，所有構(gòu)件均為圓管截面，構(gòu)件總數(shù)約2 000根，材質(zhì)均為Q345B。鋼屋蓋與混凝土結(jié)構(gòu)通過支座相連，共布置27個(gè)支座，包括雙向滑動支座、單向滑動支座及固定鉸支座。

圖1 海豚館鋼屋蓋示意

圖2 鋼屋蓋主次桁架布置

海豚表演場館內(nèi)混凝土結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，現(xiàn)場施工條件較差，起重設(shè)備無法在館內(nèi)進(jìn)行施工。施工方法的選擇與制訂尤為重要，本文著重介紹安裝工藝、臨時(shí)支撐搭設(shè)及鋼屋蓋卸載技術(shù)。

2 鋼屋蓋施工的重點(diǎn)及難點(diǎn)

1）海豚表演場結(jié)構(gòu)形式為雙層雙向曲面桁架，主桁架沿縱向布置，次桁架沿橫向布置，且為空間曲面結(jié)構(gòu)體系，跨度大、構(gòu)件數(shù)量多、施工條件差、安裝難度高。必須結(jié)合實(shí)際施工工況，制訂合理的施工方案，選用最優(yōu)的分段及吊裝順序。

2）整個(gè)海豚表演場共劃分了14個(gè)分塊吊裝單元，分塊桁架單元需在地面進(jìn)行拼裝。地面拼裝的精度是質(zhì)量控制的重點(diǎn)，若地面拼裝階段管桁架安裝精度出現(xiàn)較大偏差，則會造成高空桁架無法對接的嚴(yán)重后果，進(jìn)而影響整個(gè)鋼屋蓋的安裝精度。因此，科學(xué)合理的拼裝方法及拼裝胎架布置是管桁架地面拼裝過程中的重點(diǎn)。

3）考慮到大跨度鋼屋蓋施工過程的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、施工安全及可操作性，安裝過程中在鋼屋蓋底部搭設(shè)臨時(shí)支撐胎架。支撐胎架的平面布置及立面設(shè)計(jì)尤為重要，且胎架整體的空間穩(wěn)定也對海豚表演場的施工安全有著決定性的作用。臨時(shí)胎架的設(shè)置既要滿足施工階段承載力要求，又不能對下部混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，還需考慮施工方便、安全，且隨著鋼屋蓋的安裝，支撐胎架自身的受力也隨之不斷變化，故支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)置、計(jì)算、分析十分復(fù)雜。

4）鋼屋蓋施工完成后，需對支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體卸載，卸載不僅僅是拆除臨時(shí)支撐的過程，更是對鋼屋蓋自身加載的過程。隨著卸載過程的進(jìn)行，荷載在不斷地轉(zhuǎn)移，結(jié)構(gòu)自身?xiàng)U件的應(yīng)力也在不斷變化。且空間桁架結(jié)構(gòu)傳力途徑不明確、桿件受力情況復(fù)雜，各節(jié)點(diǎn)桿件剛度、強(qiáng)度均不同，空間結(jié)構(gòu)體系平面外穩(wěn)定性差，卸載過程對鋼屋蓋自身的變形影響較大且造成的沉降不均勻。卸載工藝、卸載順序、卸載方法均會對鋼屋蓋及支撐結(jié)構(gòu)的自身穩(wěn)定產(chǎn)生一定的影響，支撐結(jié)構(gòu)卸載難度大。

3 施工技術(shù)

3.1 大跨度鋼屋蓋安裝

3.1.1 分塊安裝＋高空原位安裝

大跨度桁架常見的安裝方法包括整體提升法、高空原位散裝法、分塊安裝法。由于海豚館鋼屋蓋下方為觀眾看臺及泳池，樓板標(biāo)高均不在同一高度上，無法滿足在館內(nèi)進(jìn)行管桁架地面拼裝的施工條件，且搭設(shè)大面積滿堂腳手架的施工難度大，故整體提升法和高空原位散裝法不適合本工程鋼屋蓋的安裝。

考慮以上條件，結(jié)合現(xiàn)場塔吊布置，采用分塊安裝與高空原位安裝相結(jié)合的施工方法，分塊單元地面拼裝完成后利用300 t汽車吊吊裝，高空原位安裝部分則利用現(xiàn)場的一臺TC7525塔吊進(jìn)行安裝。

海豚館東北側(cè)布置了一臺TC7525塔吊（60 m工作半徑，端部吊重3.9 t），鋼屋蓋靠塔吊一側(cè)區(qū)域采用高空散裝的施工方法，其余部分采用分塊安裝的方法，安裝順序?yàn)閺奈飨驏|、由北到南（圖3）。

圖3 施工區(qū)域劃分及塔吊布置

按照既定的安裝順序及施工方法，利用計(jì)算軟件模擬鋼屋蓋動態(tài)施工過程，最大位移為4.49 mm＜59 000/400=147.5 mm，最大應(yīng)力值為38.66 MPa＜310 MPa，均滿足要求。

結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力比為0.27＜0.85，滿足要求，表明施工順序及方法安全可靠。

3.1.2 分塊方案及吊重分析

海豚表演場鋼屋蓋分塊安裝區(qū)域共分為14個(gè)分塊單元（圖4），分塊單元的劃分須結(jié)合汽車吊起重性能（包括現(xiàn)場汽車吊站位）、鋼屋蓋整體安裝順序、現(xiàn)場工況等?？紤]以上因素，將鋼屋蓋主桁架、次桁架、環(huán)桁架、次桿件及斜撐進(jìn)行組合，共劃分了14個(gè)塊狀單元，分塊單元均采用300 t汽車吊（德瑪格300 t全路面汽車吊：臂長43 m，工作半徑24 m，額定起重質(zhì)量31 t）進(jìn)行吊裝，最大一塊分塊單元（單元⑤）面積為12 m×16 m，質(zhì)量約為27 t，滿足要求。

圖4 分塊單元及吊重分析

3.1.3 現(xiàn)場施工場地規(guī)劃及布置

海豚表演場鋼屋蓋施工的同時(shí)，現(xiàn)場還有樁基、管廊、土建等多家施工隊(duì)，并且鋼屋蓋構(gòu)件數(shù)量多，還涉及地面拼裝、大型汽車吊站位等多個(gè)因素，因此現(xiàn)場施工場地的合理布置至關(guān)重要，需結(jié)合現(xiàn)場施工進(jìn)度做到構(gòu)件堆場、拼裝場地的動態(tài)調(diào)整。

300 t汽車吊共分4個(gè)站位（圖5），圖5中虛線為汽車吊行進(jìn)路線。汽車吊1#站位吊裝①～③、⑤～⑧分塊單元，拼裝作業(yè)在A塊場地進(jìn)行；2#站位吊裝④、⑨分塊單元，3#站位吊裝⑩、?分塊單元，4#站位吊裝?～?分塊單元，該部分的地面拼裝在B塊場地進(jìn)行。單元間的連系桿件利用80 t汽車吊安裝，其余散裝區(qū)域均利用總包TC7525塔吊吊裝。

3.2 地面拼裝工藝

地面拼裝成單元后再分塊吊裝，既可大大減少高空作業(yè)量、降低施工危險(xiǎn)，也可以提高施工效率與質(zhì)量，地面拼裝吊裝設(shè)備采用一臺25 t汽車吊。

3.2.1 地胎的搭設(shè)

由于海豚館鋼屋蓋為空間曲面結(jié)構(gòu)，每榀桁架都存在斜度，桁架之間也有高差，因此地面拼裝必須搭設(shè)地胎。地胎搭設(shè)須簡易方便，同時(shí)也必須保證利于拼裝的精度與焊接質(zhì)量的控制。

地胎搭設(shè)在海豚館西側(cè)及南側(cè)的空曠場地上，根據(jù)分塊單元的大小，標(biāo)準(zhǔn)的地胎面積為12 m×6 m，局部較大單元可對標(biāo)準(zhǔn)地胎進(jìn)行改造（進(jìn)行局部接長），地胎統(tǒng)一由高300 mm工字鋼制作而成。在地胎縱向主鋼梁上搭設(shè)2排立柱，立柱側(cè)面再搭設(shè)一根支撐以保證地胎在拼裝階段的側(cè)向穩(wěn)定性，事先在CAD圖紙中放樣得出每個(gè)單元內(nèi)主桁架之間的高差，再根據(jù)每榀桁架之間的高差在地胎每根立柱相應(yīng)高度上焊接2個(gè)牛腿，牛腿既可用于支承桁架保證穩(wěn)定，也是控制其空間相對高度位置的關(guān)鍵（圖6）。

圖5 現(xiàn)場施工平面布置

圖6 地胎示意

3.2.2 拼裝精度控制

拼裝精度主要利用全站儀進(jìn)行控制，選取每榀桁架兩端的上下弦作為控制點(diǎn)（圖7），在平面布置圖中可拉取控制點(diǎn)的平面坐標(biāo)，再由剖面圖中的標(biāo)高控制其立面高度（根據(jù)高差決定立柱上牛腿的標(biāo)高位置）。

圖7 控制點(diǎn)選取及標(biāo)高控制

3.3 支撐結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)

3.3.1 支撐胎架的平面布置

根據(jù)海豚館分塊單元的劃分，綜合考慮現(xiàn)場鋼屋蓋下方的混凝土結(jié)構(gòu)，總共設(shè)置了12組支撐胎架（圖8）。由于鋼屋蓋為曲面結(jié)構(gòu)，胎架的平面位置決定了胎架立面的高度，所以胎架施工前應(yīng)事先在圖紙中標(biāo)出每個(gè)胎架支腿及胎架中心的坐標(biāo)定位，且胎架的支腿必須落在看臺梁上，不得直接落在看臺樓板上（考慮樓板承載力不足），支腿無法直接落在梁上的胎架在其底部搭設(shè)轉(zhuǎn)換梁，將上部荷載傳遞給下方看臺梁。

圖8 支撐胎架平面布置

3.3.2 支撐胎架底座及調(diào)節(jié)段設(shè)計(jì)

支撐胎架的立面設(shè)計(jì)包括胎架底座設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)節(jié)選用及頂部調(diào)節(jié)段設(shè)計(jì)，合理的胎架立面設(shè)計(jì)是保證順利施工的重點(diǎn)。底座的設(shè)計(jì)在便于施工的前提下需保證胎架主體平穩(wěn)；頂部調(diào)節(jié)段的設(shè)計(jì)則需保證適宜的安裝、焊接空間，一般調(diào)節(jié)段高度取600 mm左右。

鋼屋蓋下方為觀眾看臺，樓板為階梯狀，大部分胎架的支腿都無法直接落于同一標(biāo)高樓板上（存在高差）。先在圖紙中放樣找出胎架每個(gè)支腿位置的樓板標(biāo)高，得出支腿底部高差，利用型鋼搭設(shè)轉(zhuǎn)換梁及胎架底座（圖9），將底座的立柱立于看臺梁上。

此外，胎架的立面設(shè)計(jì)高度還需考慮鋼屋蓋整體起拱的數(shù)值，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，海豚表演場鋼屋蓋起拱僅需考慮自重產(chǎn)生的撓度，不考慮其他施工荷載。施工前先利用Midas軟件計(jì)算鋼屋蓋在自重下產(chǎn)生的下?lián)希ゼ苤挝恢梦萆w設(shè)計(jì)標(biāo)高加上該位置下?lián)系臄?shù)值即為實(shí)際安裝高度。

圖9 胎架底座設(shè)計(jì)

3.4 支撐胎架卸載

3.4.1 卸載流程

整個(gè)屋架結(jié)構(gòu)安裝成形后，需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)卸載。現(xiàn)場擬采取同步、分級的卸載方式。結(jié)構(gòu)卸載后整體最大下沉值50 mm，此時(shí)可以分成5次卸載，每次卸載值10 mm，每次卸載時(shí)采取工人同步卸載，從中間向兩側(cè)進(jìn)行以保證結(jié)構(gòu)安全。卸載前根據(jù)每個(gè)胎架頂部的理論下?lián)现?，?0 mm為一格，在頂部調(diào)節(jié)段上畫出刻度線，每次用火焰切割刀割除10 mm（即一格），待全部胎架都卸載完10 mm后，再割除下一個(gè)10 mm。以此類推，若胎架割除的調(diào)節(jié)段長度已超過理論下?lián)现刀撐萆w還未與胎架脫離，需立即停止卸載，進(jìn)一步復(fù)核后才可進(jìn)行施工。

3.4.2 卸載過程位移監(jiān)測

鋼屋蓋卸載前，事先在應(yīng)力及位移較大處選取12個(gè)位移監(jiān)測點(diǎn)，實(shí)時(shí)動態(tài)監(jiān)測位移變化，卸載完成后待鋼屋蓋自身荷載全部加載完成，再監(jiān)測控制點(diǎn)的下?lián)现担⑴c計(jì)算模擬得出的數(shù)值進(jìn)行對比。測量結(jié)果顯示，實(shí)際下?lián)现蹬c模擬下?lián)现滴呛隙群芨?，卸載方案科學(xué)可行。

4 結(jié)語

針對大跨度鋼屋蓋的施工，常見的安裝方法包括整體提升法、分塊安裝法、原位散裝法，施工方法的選取還需結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際施工工況。根據(jù)實(shí)際施工條件，本工程采用“分塊安裝＋高空原位安裝”的方法。本文結(jié)合工程實(shí)例，通過分析大跨度雙層雙向曲面桁架施工技術(shù)，介紹了施工方法的選擇、地面拼裝的工藝、支撐結(jié)構(gòu)的布置以及鋼屋蓋卸載技術(shù)，取得了一定的施工經(jīng)驗(yàn)，可為大跨度鋼屋蓋的施工提供參考。