南寧萬達(dá)茂大跨度弧形倒三角管桁架施工方案比選及優(yōu)化

蘇　鎧　王加林　楊國勇

南寧萬達(dá)茂大跨度弧形倒三角管桁架施工方案比選及優(yōu)化

蘇鎧王加林楊國勇

本文通過對南寧萬達(dá)茂大跨度弧形倒三角管桁架的幾種施工方案進(jìn)行比選，考慮工程結(jié)構(gòu)特點、施工技術(shù)特點、經(jīng)濟(jì)合理性、工期要求、各專業(yè)交叉配合等因素，詳細(xì)地說明了該工程施工方案的提出、分析、優(yōu)化的過程，充分保證了工程施工的質(zhì)量與安全，為后續(xù)相似類型的建筑施工提供了有利的參考。

大跨度管桁架；方案比選；優(yōu)化

1　工程概況

1.1建筑概況

南寧萬達(dá)茂項目位于南寧市五象新區(qū)，建成后將成為全球首個全天侯、全室內(nèi)、全齡段、全家庭的主題樂園，為世界游客奉上一個“上下5000年桂文化”為內(nèi)涵的超級玩具，從民俗民風(fēng)、遠(yuǎn)古傳說、歷史古跡、少數(shù)民族元素等廣西文化精粹中讓世界重新認(rèn)識南寧，南寧萬達(dá)茂主題樂園建筑面積15.6萬m2，占地面積14.6萬m2，其中樂園屋蓋主要為空間鋼管桁架體系，外觀獨(dú)特，造型新穎，如孔雀開屏，如圖1所示。

1.2結(jié)構(gòu)概況

主題樂園地上外圍結(jié)構(gòu)包括鋼結(jié)構(gòu)屋蓋，周邊環(huán)桁架，內(nèi)部兩根鋼管-混凝土柱，周邊混凝土結(jié)構(gòu)支撐柱組成，其中屋蓋部分為鋼管桁架體系，投影面積約2.5萬m2。主要由一榀縱向主桁架及11榀橫向次桁架組成，屋蓋鋼結(jié)構(gòu)底部標(biāo)高24.1m，頂部最高約33.58m，為中間凸起四周回落的弧形造型，屋蓋縱向最大跨度165.2m、橫向最大跨度148.5m，總用鋼量約3600t。如圖2所示。

圖1　南寧萬達(dá)茂建筑效果圖

圖2　主題樂園結(jié)構(gòu)效果圖

屋蓋主次桁架均為倒三角管桁架形式，主桁架最高約9m、寬6m，總重約428t；次桁架最高約9m、寬5m，單榀最重約120t。次桁架頂部之間使用十字撐等拉桿連接固定。懸挑桁架懸挑約10m。主次桁架整體為弧形的倒三角圓鋼管桁架。桁架桿件截面尺寸最大為P1050×56mm，為主桁架下弦桿。大跨度倒三角管桁架是本項目一大特色，桁架的施工質(zhì)量將直接影響本項目的外觀形象。

圖3　倒三角管桁架結(jié)構(gòu)效果圖

2　施工重點、難點

2.1管桁架的現(xiàn)場拼裝、安裝

管桁架結(jié)構(gòu)“分段長、桿件多、規(guī)格大”，而且現(xiàn)場地面自然形成，條件復(fù)雜，積土水坑密集，樂園內(nèi)地面南北高差達(dá)到10m，給拼裝的操作性、拼裝的穩(wěn)定精確度增加了難度。同時，桁架“安裝位置高、構(gòu)件重、跨度長”，主桁架長度達(dá)到165.2m，重達(dá)428t，次桁架長度達(dá)到148.5m，施工方法的合理性也直接影響了工程質(zhì)量、施工進(jìn)度、作業(yè)安全性及施工成本。如圖4所示。

圖4　桁架定制拼裝胎架圖

2.2管桁架的施工精度控制

管桁架施工精度主要從拼裝精度和安裝精度兩個方面控制，本工程的屋蓋桁架為主要受力單元，且為倒三角弧形桁架，管桁架縱、橫向縱向跨度大，牽一發(fā)而動全身，管桁架中每個節(jié)點都能影響到整榀桁架的安裝質(zhì)量，且樂園內(nèi)將安裝移動觀光熱氣球，將在桁架下弦桿安裝動荷載軌道，為了確保移動熱氣球移動安全可靠，在移動的時候不會與室內(nèi)其他娛樂設(shè)施相碰撞，要求動荷載軌道的誤差在5 mm之內(nèi)，所以確定管桁架的弧形預(yù)起拱值，控制管桁架的拼裝、安裝的精度是本項目的重點難點。

2.3管桁架安全性的計算和監(jiān)測

管桁架在拼裝、吊裝、卸載等情況下的受力狀況均與完工狀態(tài)有較大差別，要求對各過程中各階段進(jìn)行結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、穩(wěn)定性、位移量做理論計算以確保整個安裝過程的結(jié)構(gòu)安全性，及安裝的準(zhǔn)確性。同時需同步進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測工作，設(shè)置數(shù)據(jù)報警，以確保結(jié)構(gòu)安全，監(jiān)測過程中管桁架的反力及變形情況至關(guān)重要，也是施工中的重點。

3　吊裝方案的選擇

主題樂園屋蓋荷載通過主次桁架及環(huán)桁架傳遞至周邊的混凝土結(jié)構(gòu)支撐柱和樂園中部的兩根鋼管混凝土柱上，再向下傳遞至基礎(chǔ)，整個結(jié)構(gòu)的傳力路徑清晰，因現(xiàn)場的混凝土部分結(jié)構(gòu)已提前施工完成，所以桁架的施工方案可考慮累積滑移法、分段吊裝法及整段吊裝法。

3.1方案一累積滑移法

沿主桁架及混凝土結(jié)構(gòu)支撐柱頂支座由南向北設(shè)置三條滑移軌道，中間的滑移軌道設(shè)置大量的軌道支撐。在滑移軌道南端端部設(shè)置拼裝支架及拼裝平臺。采用兩臺150t履帶吊作為吊裝的主要起重機(jī)械。主次桁架在南端地面拼裝成段，采用兩臺150t履帶吊吊裝到南側(cè)滑移平臺上組拼成主次桁架滑移單元由南向北進(jìn)行累計滑移。如圖5所示，該方法：

3.1.1優(yōu)點：大部分拼裝作業(yè)在在場外進(jìn)行，受內(nèi)部混凝土結(jié)構(gòu)和拼裝場地影響小，施工速度快。

3.1.2缺點：使用設(shè)備機(jī)械較多，準(zhǔn)備累計滑移周期較長，不利于施工進(jìn)度。而且累計滑移受力復(fù)雜，頂進(jìn)控制難度大，安裝技術(shù)要求高。

圖5　累積滑移法示意圖

3.2方案二分段吊裝法

分段吊裝法進(jìn)行安裝主要是對主次桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分段，將主桁架兩個邊跨整段吊裝，中間跨分為兩段，共四個吊裝單元，僅主次桁架中間跨分段位置在吊裝時搭設(shè)臨時支撐；使用雙機(jī)抬吊的方法進(jìn)行吊裝主桁架，將主桁架一側(cè)長度為80m的半榀次桁架分成兩段，11榀次桁架共44個吊裝單元，在80m的次桁架中間設(shè)置格構(gòu)式臨時支撐作為支撐體系，桁架及桁架間的系桿檁條次序安裝。次桁架分成兩段后單機(jī)吊裝重量約35t，采用兩臺150t的履帶吊自北向南依次進(jìn)行吊裝。該方法：

3.2.1優(yōu)點：機(jī)械型號小，機(jī)械費(fèi)用低，對稱施工，有利于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和結(jié)構(gòu)受力；

3.2.2缺點：機(jī)械多，格構(gòu)式臨時支撐多，人力物力投入量大，場地規(guī)劃相對較復(fù)雜。如圖6所示。

圖6　分段吊裝法示意圖

3.3方案三整段吊裝法

主桁架吊裝方法與方案二分段吊裝法相同，使用雙機(jī)抬吊吊裝；由于次桁架橫跨整個屋蓋長度大，其一端布置在側(cè)面混凝土柱頂?shù)闹ё希硪欢瞬贾迷谥麒旒苌希婚舞旒苷巫匀环侄纬蓛啥危?2個吊次桁架，一個吊裝單元重量約60t，長度80m，安裝時采用300t履帶吊單機(jī)整段吊裝，一側(cè)一臺，可以保證單段次桁架整體一次吊裝到位，吊裝順序為自北向南依次吊裝，在場內(nèi)南側(cè)設(shè)置6個拼裝胎架，履帶吊在南側(cè)拼裝胎架將80m次桁架吊起，保持次桁架離地面300mm左右，向北轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移至桁架安裝位置時，履帶吊旋轉(zhuǎn)次桁架，后向上抬高次桁架，安裝就位。履帶吊由南向北安裝次桁架，頻繁倒場。如圖7所示，該方法：

圖7　整段吊裝法示意圖

3.3.1優(yōu)點：機(jī)械數(shù)量少，格構(gòu)式臨時支撐少，減少了高空焊接工作量。利于穩(wěn)定和結(jié)構(gòu)受力，卸載方案簡單，場地規(guī)劃簡單，工期最快，人員投入較少；

3.3.2缺點：機(jī)械噸位大，且需頻繁轉(zhuǎn)場，組織難度大，不利于場地規(guī)劃和布置，單個拼裝單元長度長，對施工安全協(xié)作要求高，吊裝易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)變形。

我們從方案的技術(shù)特點、經(jīng)濟(jì)性、工期進(jìn)行分析，側(cè)重考慮主題樂園施工工期和施工成本，最終選定了第三種方案。

4　管桁架現(xiàn)場安裝技術(shù)優(yōu)化

4.1場地布置

主題樂園場內(nèi)無地下室，南側(cè)填土較厚，在南側(cè)場內(nèi)具體地基處理為樁徑600mm、樁距1.6m的正三角布置水泥攪拌樁，北側(cè)場地新填土厚度較薄，南北土層高差達(dá)到10m，根據(jù)施工方案主題樂園場內(nèi)有300t大型履帶吊吊裝作業(yè)，而且需要布置6個桁架拼裝胎架，為了滿足現(xiàn)場吊裝安全和拼裝精度的要求，我們在場內(nèi)使用挖土機(jī)及壓路機(jī)挖平、壓實路面，達(dá)到場內(nèi)無積水、南北高差不大于2m，東西高差不大于1m。

現(xiàn)場布置應(yīng)滿足方便運(yùn)輸，便于構(gòu)件卸貨，并且對其他相關(guān)施工影響小。由于本工程右側(cè)與上側(cè)均與其他混凝土結(jié)構(gòu)相連，其施工應(yīng)結(jié)合混凝土施工的具體情況，因此在這兩側(cè)不便于布置構(gòu)件堆場和拼裝場地，同時在構(gòu)件吊裝的早期，可以根據(jù)需要在內(nèi)部設(shè)置臨時拼裝場地，以減少構(gòu)件的二次搬運(yùn)，在場內(nèi)沿著吊裝桁架方向平行設(shè)置四條吊車通道，主桁架兩側(cè)各設(shè)置兩條。在吊裝過程中選擇兩臺300t履帶吊分別布置在主桁架兩側(cè)進(jìn)行安裝。履帶吊行走地面鋪設(shè)了30mm碎石墊層，并墊上路基箱，拼裝場地鋪設(shè)了15mm碎石墊層。如圖8所示。

圖8　整段吊裝法示意圖

4.2大跨度倒三角桁架的拼裝

4.2.1拼裝胎架的設(shè)置

拼裝思路：主桁架高11m，寬6m；次桁架高約11m，寬5m。為保證安裝精度，采取地面搭設(shè)胎架拼裝平臺等高搭設(shè)作業(yè)，地面胎架使用H400×200×8×13型鋼作為底梁，H200×200×8×14作為主支撐立桿（節(jié)點位置），C10作為次支撐構(gòu)件，材質(zhì)為Q235在地面使用25t汽車吊配合胎架、構(gòu)件就位，分段桁架拼裝完成后焊接，后整體履帶吊吊裝，搭設(shè)方式為如下（以主桁架搭設(shè)為例）：

圖9　拼裝胎架

4.2.2桁架拼裝“三點一線”原理

轉(zhuǎn)換外側(cè)木楔子固定為內(nèi)側(cè)固定，起拱弦桿安裝以緊靠胎架定位立桿定位，保證弦桿起拱方向正確。

由于拼裝胎架內(nèi)側(cè)限位立桿采用10號槽鋼，定位立桿為200×200×12×8的工字鋼，相對于槽鋼而言，工字鋼截面大，而且剛度大，在拼裝過程中，由于腹桿與弦桿是相貫口配合安裝，在弦桿安裝定位完成后，安裝水平腹桿，需要用撬棍敲擊定位水平腹桿，因此定位立桿剛度不足會對弦桿定位產(chǎn)生大的影響。對于弦桿內(nèi)側(cè)定位改為外側(cè)定位，內(nèi)側(cè)用木楔子進(jìn)行限位固定。

圖10　現(xiàn)場內(nèi)側(cè)用木楔子固定

管桁架在制作安裝前進(jìn)行受力驗算，桁架下弦桿在制作時按照設(shè)計給出的進(jìn)行起拱，對于大跨度桁架而言，起拱弧度在現(xiàn)場一般是無法用人眼觀察的，對此在安裝時確定安裝弧度正確，是非常重要的。

拼裝胎架如圖11所示，胎架下弦左側(cè)均為定位立桿，且保證所有定位立桿均在左側(cè)，右側(cè)立桿為限位立桿，所有下弦定位立桿在同一直線；在安裝起拱弦桿時，采用“三點一線”的原理，如若下弦桿安裝起拱方向錯誤，直接導(dǎo)致胎架定位立桿與桁架下弦桿之間存在間隙，對此現(xiàn)場直接可以觀察此部分間隙來判斷弦桿安裝是否正確，對于現(xiàn)場施工來說，大大提高了拼裝速度與質(zhì)量。

上弦桿拼裝同樣利用此原理來拼裝，由于下弦桿有設(shè)計弧度，因此采取上弦外側(cè)定位，內(nèi)側(cè)使用木楔子限位，在拼裝過程中，實時控制胎架精度，就可以完全清楚的控制弦桿安裝精度，進(jìn)而控制桁架拼裝精度。用胎架定位立桿來限制上下弦桿的起拱方向?qū)τ诖罂缍辱旒芷囱b精度起到良好的作用，并且得到專家的一致認(rèn)可。

圖11　現(xiàn)場內(nèi)側(cè)用木楔子固定

圖12　胎架驗算圖

4.2.3桁架拼裝的穩(wěn)定性計算

根據(jù)支撐設(shè)計圖將支撐結(jié)構(gòu)建立MIDAS GEN 模型，并采用有限元分析軟件MIDAS 8.35進(jìn)行分析，通過模擬拼裝胎架受力，計算得出格構(gòu)柱支撐設(shè)計結(jié)構(gòu)簡圖、最大應(yīng)力、變形值，進(jìn)行驗算，并進(jìn)行更改胎架最合適的材料規(guī)格。使用兩節(jié)點的桿件單元，兩節(jié)點為剛接來建立有限元模型，拼裝鋼梁與地面連接節(jié)點為剛性邊界條件，拼裝胎架與桁架連接節(jié)點設(shè)置為鉸接。

根據(jù)有限元分析計算分析調(diào)整后，驗算結(jié)果最大位移為2.17mm，項目22段拼裝次桁架進(jìn)行測量、分析、統(tǒng)計，得出每段變形參數(shù)最大值與模擬分析結(jié)果基本一致。如圖13所示。

圖13　提升連廊監(jiān)測點變形值

4.3大跨度倒三角桁架的吊裝

大跨度倒三角桁架吊裝是一個動態(tài)的過程，與成型后的受力狀態(tài)不同，吊裝體系在外界荷載作用下為幾何可動體系。對本工程，由于倒三角桁架跨度大、自重大，吊裝過程復(fù)雜，單機(jī)一次性吊裝一個桁架單元，跨度達(dá)到80m，在全國范圍來說，十分罕見，在吊裝過程中應(yīng)重點考慮：①吊點位置的選擇②吊裝的穩(wěn)定性計算③吊裝吊耳及鋼絲繩的選擇。

4.3.1吊點位置的選擇

吊點的位置主要根據(jù)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的形式和重心，吊裝過程中多采用4點或6點的吊裝點，并在起吊過程中要保證結(jié)構(gòu)在自重作用下保持平衡，考慮吊裝過程中的穩(wěn)定性，一般吊繩與被吊構(gòu)件存在一定夾角，且吊裝夾角以45°為最佳。

圖14　兩種方案的變形示意圖

表1　最大位移比

表2　最大內(nèi)力及穩(wěn)定驗算對比表

本項目中為保證吊裝桁架的強(qiáng)度及平面內(nèi)、外穩(wěn)定均滿足規(guī)范要求，使用midas對桁架進(jìn)行建模，吊裝模擬分別為：①一段80m的桁架4個吊點吊裝②一段80m的桁架6個吊點吊裝。利用midas gen建模計算得出兩種方案的的變形，如圖14所示。

通過midas gen分析，兩種方案中單元節(jié)點不同方向的最大位移如表1所示。

桁架的擾度容許值為≤L/400，該工程單機(jī)吊裝桁架最大跨度為80m，則擾度值為200mm，由表可以看出，兩個方案均滿足要求，但是在Y方向，方案2弦桿變形值較大，在起吊時，桿件會發(fā)生平面外失穩(wěn)現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)不安全，而方案1在起吊下均沒有桿件超應(yīng)力和失穩(wěn)。

4.3.2最大內(nèi)力及穩(wěn)定驗算對比（見表2）

由以上驗算可知桁架結(jié)構(gòu)本身在方案1情況下起吊下均沒有桿件超應(yīng)力及失穩(wěn)，結(jié)構(gòu)安全，但是在方案2的情況下起吊，桿件會發(fā)生平面外失穩(wěn)現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)不安全。

4.3.3鋼絲繩的選擇

鋼絲繩最小破斷拉力計算公式：

反算直徑公式為：

式中：F0-鋼絲繩最小破斷拉力，KN；D -鋼絲繩公稱直徑，mm；R -鋼絲繩公稱抗拉強(qiáng)度；Mpa；K' -最小破斷拉力系數(shù)。

本工程主要采用6×7、6×19、6×37三種型號鋼絲繩，最小破斷拉力系數(shù)分別為0.359、0.356、0.356，抗拉強(qiáng)度均取1570Mpa。

由鋼結(jié)構(gòu)分段重量以及鋼梁等輕型構(gòu)件重量，按照40-72t以及四個吊點兩股鋼絲繩參與受力原則選取鋼絲繩型號。

最大重量單個桁架吊裝單元考慮為60t，單股受力180KN，安全系數(shù)取6，則單股受力1080KN。該重量段采用6×37型號鋼絲繩。

將單股受力代入公式得所需鋼絲繩直徑不小于43.96mm

圖15　現(xiàn)場內(nèi)側(cè)用木楔子固定

圖16　應(yīng)力檢測器示意圖

由地上鋼結(jié)構(gòu)工程量和以上分析，秉著經(jīng)濟(jì)性原則，該重量段吊裝選取直徑為46mm，抗拉強(qiáng)度為1570Mpa，型號為6×37的鋼絲繩。

4.3.4捆綁吊裝

原吊裝方式為在桁架上弦桿焊接吊耳進(jìn)行安裝，根據(jù)吊點模擬驗算計算書，若采用吊裝吊裝，對吊耳的規(guī)格和吊耳與桁架上弦桿之間的焊縫要求特別高，且桁架容易產(chǎn)生變形，所以桁架采用鋼絲繩捆綁式吊裝，使用長度均在20m左右的50號鋼絲繩長度，后配合使用50t手拉倒鏈進(jìn)行調(diào)整桁架吊裝角度。

4.4桁架安裝的應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測

大跨度弧形倒三角管桁架的施工工藝復(fù)雜、施工環(huán)境（溫度、風(fēng)環(huán)境等因素）多變，導(dǎo)致施工過程結(jié)構(gòu)體系連續(xù)變化，同時單機(jī)吊裝80m長、60t重大跨度桁架的工作狀態(tài)不斷處于調(diào)控之中，整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力及變形過程處于時變之中。因此，吊裝施工過程中，為了考察施工過程中結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力變化規(guī)律，在對結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工全過程結(jié)構(gòu)性能仿真計算的同時，必須在深入分析對結(jié)構(gòu)成型狀態(tài)內(nèi)力和變形的影響因素后，制定科學(xué)可行的施工控制方案，并對施工過程的內(nèi)力和變形進(jìn)行監(jiān)測，確保結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形在施工過程中始終處于受控狀態(tài)。

因此，結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)對整個吊裝過程中結(jié)構(gòu)主體變形、受力部位應(yīng)變、溫度、風(fēng)力進(jìn)行全面監(jiān)測十分必要，選擇主桁架的上弦桿、下弦桿、腹桿作為應(yīng)力監(jiān)測構(gòu)件，共11個監(jiān)測點，現(xiàn)場監(jiān)測如圖16所示。

5　結(jié)語

本文詳細(xì)介紹了南寧萬達(dá)茂大跨度桁架施工中，弧形倒三角管桁架施工的三個方案選擇的具體過程，綜合對比后，選擇了桁架整段吊裝法，并對管桁架現(xiàn)場安裝技術(shù)措施進(jìn)行優(yōu)化，確保施工質(zhì)量和施工安全，提高了施工效率 。

同時大跨度弧形倒三角桁架吊裝是一個動態(tài)的過程，吊裝過程復(fù)雜，并且單機(jī)吊裝桁架跨度達(dá)到80m，本文通過有限元軟件分析，選定了最佳的吊點方案，并利用現(xiàn)場應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測，成功完成了桁架的吊裝。

項目以本工程鋼結(jié)構(gòu)高質(zhì)量的完成安裝為契機(jī)找出一條解決類似工程施工難題的安裝方法，為類似工程鋼結(jié)構(gòu)安裝提供施工經(jīng)驗，培養(yǎng)鍛煉一批有技術(shù)與管理能力的人才、為今后市場開拓和企業(yè)發(fā)展儲備資源。

（作者單位：中國建筑第二工程局有限公司深圳分公司）

B

1671-3362(2016)11-0062-06