樹杈結(jié)構(gòu)單元式拼裝預(yù)變形施工技術(shù)

那志強

摘? ? 要：樹杈結(jié)構(gòu)的吊裝施工過程，上部結(jié)構(gòu)荷載對底部結(jié)構(gòu)的變形有較大影響。為使竣工時的樹杈結(jié)構(gòu)達到設(shè)計位置，滿足樹狀結(jié)構(gòu)的整體變形及承載力要求，在單元式拼裝技術(shù)基礎(chǔ)上提出預(yù)變形施工技術(shù)。針對唐山勒泰中心項目的冰場樹杈結(jié)構(gòu)，通過MIDAS進行施工模擬，確定樹杈結(jié)構(gòu)各節(jié)點的預(yù)變形值。指導(dǎo)樹杈結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場施工，并明確施工方案和施工流程，應(yīng)用效果好。

關(guān)鍵詞：樹杈結(jié)構(gòu);預(yù)變形;單元式拼裝;施工模擬;現(xiàn)場施工

1? 引言

隨著社會的進步與發(fā)展，近年來樹杈結(jié)構(gòu)在大型、大跨度、造型復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)得到廣泛的應(yīng)用。作為一種新型結(jié)構(gòu)形式，它具有美觀且光滑連貫的過渡外形，并且支撐空間大，覆蓋范圍廣。一般樹狀結(jié)構(gòu)由主干柱、分級節(jié)點、分級樹杈組成。

鑒于樹杈結(jié)構(gòu)獨特的造型和受力的連貫性，樹狀結(jié)構(gòu)的施工必須采取科學(xué)、合理、可靠的技術(shù)，才能保障整體工程的質(zhì)量。

結(jié)合唐山勒泰中心項目A區(qū)冰場的樹杈結(jié)構(gòu)，為降低施工難度，提高施工速度和質(zhì)量，提出并采用單元式拼裝預(yù)變形施工技術(shù)。

2? 工程概況

唐山勒泰中心項目A區(qū)由穹頂和冰場組成。A區(qū)冰場樹杈上空為曲線鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，主次梁結(jié)構(gòu)，支撐冰場上空的為樹杈結(jié)構(gòu)，樹杈頂部支管與屋面主次梁以單向鉸形式連接。典型樹杈為一分四，四分十六形狀樹杈，其余形狀有一分二，二分六形狀樹杈。

樹杈結(jié)構(gòu)是冰場主要的受力結(jié)構(gòu)，其施工過程也是該工程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。為降低施工難度，提高樹狀結(jié)構(gòu)的施工速度和施工質(zhì)量。本工程對樹杈結(jié)構(gòu)的吊裝采用從下而上分級單元式拼裝技術(shù)。另外樹杈結(jié)構(gòu)的吊裝施工過程，上部結(jié)構(gòu)荷載對底部結(jié)構(gòu)的變形有較大影響，正常施工過程會造成樹杈柱及上部結(jié)構(gòu)的位置偏差，產(chǎn)生較大側(cè)移。為使竣工時的樹杈滿足設(shè)計位置，保證樹狀結(jié)構(gòu)的整體變形及承載力，在單元式拼裝技術(shù)基礎(chǔ)上提出預(yù)變形施工技術(shù)，形成樹杈結(jié)構(gòu)單元式拼裝預(yù)變形施工技術(shù)，并指導(dǎo)現(xiàn)場的工程施工。

3? 技術(shù)原理

3.1? 預(yù)變形值確定方法

為更好地控制樹杈結(jié)構(gòu)在施工過程中由偏心荷載造成的側(cè)向變形，先通過全過程施工模擬計算預(yù)變形值，再進一步指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

預(yù)變形值的計算方法為正裝迭代法，結(jié)合二級樹杈結(jié)構(gòu)施工過程，說明正裝迭代法的具體步驟：

（其中v為結(jié)構(gòu)希望達到的設(shè)計位置，u（i）為第i次迭代后相對初始位置的變形。）

給定設(shè)計位置v，按照實際施工方案對樹杈結(jié)構(gòu)進行全過程正序跟蹤分析，可得到成型狀態(tài)結(jié)構(gòu)的變形u（1）和位置v + u（1）;則以? u（1）作為預(yù)變形值，施加到設(shè)計位置上，就得到初始位置vu（1）。如果結(jié)構(gòu)按施工步正常施工，在竣工狀態(tài)時回到設(shè)計位置;或者第二次以u（2）迭代達到設(shè)計位置，二者誤差u（1） ? u（2）較小滿足變形收斂標(biāo)準(zhǔn)（豎向高度h/2000內(nèi)收斂），此時vu（1）即為初始位置，?u（1）為預(yù)變形值。否則，則繼續(xù)迭代至滿足變形要求，確定最終的預(yù)變形值? u（n）。

3.2? 單元式拼裝與預(yù)變形技術(shù)

本工程采用單元式拼裝技術(shù)與預(yù)變形施工技術(shù)相結(jié)合的施工方案。單元式拼裝即對于樹杈結(jié)構(gòu)采用先一級樹杈后二級樹杈的施工順序。各級樹杈構(gòu)件均采用先將支管與節(jié)點焊接再高空吊裝的方案。

預(yù)變形施工需要先通過有限元分析軟件，利用正裝迭代法計算預(yù)變形值完成后，再進行現(xiàn)場的施工指導(dǎo)。這里所需的預(yù)變形值包括柱頂預(yù)變形值、一級樹杈支管頂部預(yù)變形值和二級樹杈支管頂部預(yù)變形值。預(yù)變形施工主要原則為：控制柱頂、一級樹杈支管頂部、二級樹杈支管頂部吊裝在計算所得的精確預(yù)變形施工初始位置再進行焊接固定，待屋面吊裝完成，樹杈結(jié)構(gòu)達到設(shè)計位置。

4? 樹杈結(jié)構(gòu)施工仿真

4.1? 樹杈計算模型

本文針對較為復(fù)雜的一分四，四分十六形狀樹杈進行施工模擬，利用正裝迭代法，最終確定樹杈結(jié)構(gòu)的施工預(yù)變形值。

采用MIDAS GEN軟件，先對整體冰場結(jié)構(gòu)進行恒載作用下計算分析，找到側(cè)向變形最大的樹杈柱，對該樹杈結(jié)構(gòu)進行全過程施工模擬：將整個樹杈結(jié)構(gòu)計算過程按施工步依次生成結(jié)構(gòu)構(gòu)件單元，逐步進行計算分析。需要指出的是，施工模擬中，樹杈桿件的生成順序與施工順序一致外，施加的荷載也與施工過程保持一致。

4.2? 正裝迭代全過程施工仿真

通過全過程施工仿真進行反復(fù)迭代至樹杈結(jié)構(gòu)達到設(shè)計位置，得到最終的施工預(yù)變形值。施工采取單元式拼裝方案，故全過程施工仿真共分為7個施工步：

（a）底柱;（b）一級樹杈構(gòu)件;（c）二級樹杈1號分叉;（d）二級樹杈2號分叉;（e）二級樹杈3號分叉;（f）二級樹杈4號分叉;（j）屋面吊裝，所需吊裝屋面指根據(jù)整體結(jié)構(gòu)施工方案，該樹杈分配到的支撐屋面。

每次迭代計算均遵循以上7個施工步的施工順序，只是每次迭代設(shè)定的預(yù)變形值不同。MIDAS建立樹杈結(jié)構(gòu)模型，定義不同施工階段，逐步進行施工仿真，底柱和一、二級樹杈用梁單元模擬，底柱為鋼管混凝土柱。

4.3? 計算結(jié)果分析

樹杈結(jié)構(gòu)前視圖。本文以柱頂A、一級樹杈頂頂B、二級1號樹杈頂C三點為例，介紹確定預(yù)變形值的計算過程。其中，A、B、C三點空間位置。

4.3.1? 未調(diào)節(jié)時施工初變形值

按照正裝全過程施工仿真的7個施工步進行第一次迭代計算，得到A、B、C三點未進行預(yù)變形調(diào)節(jié)前隨施工步變化的X向側(cè)向變形值。故未調(diào)節(jié)時施工階段完成時的變形值為：

4.3.2? 預(yù)變形施工調(diào)節(jié)分析

（1）第一次預(yù)變形調(diào)節(jié)。第一次迭代確定A、B、C三點X向施工初變形值后，進行第二次正裝迭代施工仿真，即第一次預(yù)變形調(diào)節(jié)。三點的X向第一次預(yù)變形值為：

[-uA（1）=-15mm，-uB（1）=-41mm，-uC（1）=-106mm]

以第一次預(yù)變形值進行施工仿真，分析7個施工步的成型位置與設(shè)計位置的X向位置差，計算結(jié)果如圖6所示。由圖6可得，第一次預(yù)變形施工完成時A、B、C三點X向位置差（與設(shè)計位置對比）分別為：

（2）第二次預(yù)變形調(diào)節(jié)。以第二次迭代結(jié)果確定的X向第二次調(diào)節(jié)預(yù)變形值為：

以該預(yù)變形值進行施工仿真，分析7個施工步的成型位置與設(shè)計位置的X向位置差，計算結(jié)果如圖7所示。由圖7可得，第二次預(yù)變形施工完成時A、B、C三點X向位置差（與設(shè)計位置對比）分別為：

故A、B、C三點均滿足收斂要求，迭代結(jié)束。

綜上可知，通過兩次預(yù)變形調(diào)節(jié)分析，得到A、B、C三點X向最終的預(yù)變形值分別為：

5? 施工現(xiàn)場操作要點

樹杈結(jié)構(gòu)的預(yù)變形值確定后即可指導(dǎo)現(xiàn)場施工?，F(xiàn)場施工按照單元式拼裝技術(shù)流程進行施工?，F(xiàn)場施工順序與施工仿真順序一致，需要注意的是各樹杈構(gòu)件均按計算所得預(yù)變形值進行精確吊裝、焊接。針對現(xiàn)場施工，確定樹杈單元式拼裝預(yù)變形施工的流程。

5.1? 一、二級樹杈節(jié)點的加工

鑄鋼樹杈節(jié)點造型復(fù)雜美觀且光滑連貫過渡，連接桿件多，加工復(fù)雜程度大，故鑄鋼樹杈節(jié)點均需要在專業(yè)廠家的車間內(nèi)進行加工。加工完畢后需進行節(jié)點的檢測，檢測合格后將鑄鋼樹杈節(jié)點運送到施工現(xiàn)場。

5.2? 支管與樹杈節(jié)點的焊接

為保證節(jié)點的強度，避免在相貫線附近處出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，將節(jié)點與構(gòu)件的焊接部位轉(zhuǎn)移到節(jié)點區(qū)之外。并且在地面進行焊接工作，降低焊接難度，保證焊接質(zhì)量。

5.3? ?一、二級樹杈構(gòu)件的吊裝與焊接

一、二級樹杈構(gòu)件吊裝與焊接的主要施工流程為：節(jié)點及構(gòu)件檢測→焊接工藝評定→現(xiàn)場吊裝（臨時固定、焊接環(huán)境控制）→按規(guī)定工藝焊接→焊縫檢測。

（1）現(xiàn)場檢測。對于加工完成的鑄鋼樹杈節(jié)點運輸?shù)浆F(xiàn)場后需進行二次檢測。檢測可采用三維坐標(biāo)測量儀對節(jié)點幾何尺寸及形狀位置進行復(fù)測檢測，合格后方可進入下道施工工序。

（2）現(xiàn)場吊裝。采用高空整體吊裝需要對吊裝場地仍需進行復(fù)核、設(shè)計、處理。根據(jù)總體施工方案，并綜合起重機械技術(shù)參數(shù)、吊裝重量、吊裝高度及技術(shù)經(jīng)濟性，確定起重機械的型號，同時需要考慮起重機械的開行路線。預(yù)變形施工現(xiàn)場吊裝的關(guān)鍵是根據(jù)預(yù)變形值的要求，將樹杈結(jié)構(gòu)各構(gòu)件吊裝到指定位置。

（3）現(xiàn)場焊接。嚴(yán)格按工藝評定的要求施焊：控制預(yù)熱溫度;雙人雙向?qū)ΨQ焊，隨時對焊接產(chǎn)生的變形進行觀察，層間焊接時通過調(diào)整焊接次序及臨時固定方法來控制焊接變形，保證焊接過程不影響樹杈結(jié)構(gòu)設(shè)計位置;隨時控制好電流、電壓、氣流、焊接速度，清理焊縫施焊前的夾渣、浮銹、氧化皮等雜質(zhì);焊接完成后，采用石棉布包裹，以使焊接區(qū)緩慢冷卻，避免產(chǎn)生冷裂紋。

需要注意的是，各級構(gòu)件焊接時確保焊接質(zhì)量，控制焊接變形，使焊接前后吊裝的各級樹杈構(gòu)件位置不變，保證焊接過程不影響樹杈結(jié)構(gòu)設(shè)計位置，達到預(yù)變形施工設(shè)計要求。

6? 結(jié)束語

本文針對唐山勒泰中心項目A區(qū)冰場支撐樹杈結(jié)構(gòu)的施工，提出樹杈結(jié)構(gòu)單元式拼裝預(yù)變形施工技術(shù)，通過MIDAS進行施工仿真確定預(yù)變形值，指導(dǎo)樹杈結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場施工，應(yīng)用效果好，具有明顯的施工優(yōu)勢，具體結(jié)論如下：

（1）采用單元式拼裝方案，操作簡便，便于控制調(diào)整，降低焊接難度，加快施工進度、縮短工期。而且在地面進行一、二級支管與節(jié)點的焊接，減少高空作業(yè)，焊接質(zhì)量高，工作人員安全保障高。

（2）本文在單元式拼裝技術(shù)基礎(chǔ)上提出預(yù)變形施工技術(shù)。對A區(qū)冰場側(cè)向變形較大的樹杈結(jié)構(gòu)進行全過程施工仿真。通過兩次預(yù)變形調(diào)節(jié)，使樹杈結(jié)構(gòu)施工成型時達到設(shè)計位置。確定柱頂、一級樹杈頂、二級樹杈1號分叉頂?shù)腦向施工預(yù)變形值分別為：-11mm，-33mm，-91mm，指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

（3）對于本工程及其他大型鋼結(jié)構(gòu)工程，預(yù)變形施工技術(shù)避免了一般施工方法造成的過大施工變形和承載力風(fēng)險。很好地控制了施工造成的變形，使結(jié)構(gòu)在竣工時達到設(shè)計位置和施工預(yù)計效果，并較大程度上保證結(jié)構(gòu)的承載力，降低施工過程對結(jié)構(gòu)造成的不利影響。

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