雙曲面大跨度鋼結構網架施工技術探討

郭建民 周建豐 許永磊 潘學強＊ 李元弟 潘洪波

雙曲面大跨度鋼結構網架施工技術探討

郭建民1周建豐1許永磊2潘學強2＊李元弟2潘洪波2

本文結合新疆庫爾勒機場新建航站樓雙曲面大跨度焊接球鋼結構網架工程，對比分析了分塊吊裝、滿堂架高空散拼和液壓同步提升施工方案，論述施工數值模擬分析，得出了運用液壓同步提升的施工技術，可以減少高空作業，提高施工和結構的安全，縮短施工工期的結論。

雙曲面；大跨度；吊裝；液壓提升；數值模擬

1.工程概況

新疆庫爾勒機場改擴建工程新建航站樓總建筑面積25925.14m2，下部為鋼筋混凝土框架結構，上部屋蓋為焊接空心球節點四角錐網架，網格單元尺寸約3m×3m。屋蓋鋼網架呈雙曲面布置，造型獨特，平面投影最大尺寸99m×199m，投影面積18697m2，最大跨度36m，最高處標高+25.5m，最低處標高+12.12m，網架厚度為2m～2.5m，網架桿件規格為PD60×3.5～PD219×16，總重量為1200噸。A軸、D軸、G軸設鋼管柱支撐，D軸鋼管柱支撐為傘狀支撐，支撐鋼柱24（6×4）根，A軸、G軸各設置11根斜支撐，兩側2軸～4軸及16軸～18軸設置鋼筋混凝土柱，混凝土柱頂支座標高11.72m～13.11m。鋼結構網架支承在支撐及混凝土柱上，建筑主體鋼結構如圖1所示。

2. 方案比選

2.1 工程特點及難點

2.1.1 屋面鋼結構跨度大，呈雙曲面布置，造型獨特復雜，標高差距大，最大拱高13.38m。

2.1.2 將近三分之一面積的結構為懸挑，拱高較大，增加了拼裝和吊裝的施工難度。

2.1.3 工程重要、工期緊、任務重，鋼結構網架及檁條施工工期僅為4個月。因此，鋼結構施工期間必須穿插金屬屋面、幕墻、天溝及安裝等項目，方能保證工期。

2.1.4 場地狹小，吊裝機械行走及站位均較困難。

2.2 方案對比分析

圖1 新建航站樓鋼結構示意圖

鋼結構網架施工常用的方案有滿堂架高空散拼、分塊拼裝高空吊裝組對、滑移、提升等，為保證工程質量、安全和工期，結合該工程項目建筑造型以及鋼結構施工特點、難點，對分塊吊裝、滿堂架高空散拼、液壓同步提升3個方案進行研究論證。

2.2.1 分塊吊裝具有工期靈活控制、適應性廣的特點，但吊機選型、站位受場地限制，需采用大型履帶吊，支撐胎架用量較大，機械、措施成本較高，且分塊過多，拼裝、安裝精度難以保證，高空施工較多，安全保障措施量較大，施工安全較難控制[1]。

2.2.2 滿堂架高空散裝操作環境好，具有較好的安全性，適應性廣，但是工藝落后，腳手架費用高，施工速度慢導致工期較長，且網架下部作業空間被占用，無法進行其他分項施工，不宜交叉作業，將導致總工期延長3～4個月[2]。

2.2.3 液壓同步提升在提升施工前網架全部在二層樓面或地面上拼裝完成，既能保證質量要求，又能避免高空作業，從而極大地避免了傷亡事故的發生。提升的技術保證措施要求較高，但操作簡單。且在網架提升過程中，可以分區交出現場施工工作面，可穿插施工砌體、安裝、裝修等分項，能夠縮短總工期3～4個月[2]。

該工程屋面鋼網架安裝高度較高，結構桿件數量多，采用常規的分塊吊裝、卸載方案，需搭設大量支撐胎架，不但高空組裝、焊接工作量大，技術經濟性指標較差，而且存在較大的質量、安全風險。液壓同步提升通過計算機控制各提升點同步，提升過程中構件保持平穩的提升姿態，同步控制精度高；提升過程安全可靠，可在任意位置可靠鎖定，有效地提高了結構提升過程中安裝精度的可控性。針對該屋面網架結構特點，將網架分區拼裝成分塊單元后，利用“液壓同步提升施工技術”將其提升至設計標高，再進行部分預留后裝桿件的安裝，將大大降低現場高空施工量和安裝施工難度。

3.提升吊點設置

進行鋼結構網架內力和變形分析前，首先要確定提升點位置[2]。根據該工程施工部署以及各分項工程專業施工交叉作業的協調配合要求，鋼網架總體分為4次提升，網架分區及提升流程如下圖2所示。

根據該工程鋼網架結構形式，設置兩種不同的提升點，2軸、3軸和17軸、18軸采用結構混凝土柱作為提升點，其余提升點布設標準化格構式支撐胎架。由于網架呈雙曲面布置，造型復雜，其質量分布很不均勻，因此選擇提升點位置時要綜合考慮鋼結構、支撐胎架和混凝土結構三方面的安全。提升點位置選擇原則[2]：①網架和提升點的受力要均衡；②支撐胎架設在混凝土結構的梁柱部位，以避免在樓板混凝土結構的下部再設支撐；③設在網架形狀變化較小的部位。按照上述原則，經計算分析選擇了各提升點的位置，圖3為該網架全部完成提升后提升點布置圖。

4.施工模擬分析

4.1 提升工況分析

圖2 網架分區及提升流程示意圖

鋼網架在提升過程中，各提升點同步上升過程中存在一定程度的高度偏差，因此需考慮提升過程中各吊點不同步對結構造成的影響[3]。實際提升過程中，提升器上的壓力傳感器和位移傳感器可實時將各吊點的壓力和位移信息反饋到計算機[1]，因此，可通過調整壓力和位移的方法來調整各吊點同步性。根據規范[4]要求，相鄰兩個提升器允許差值應為L/250=18000/250=72mm。網架在同步提升工況下桿件應力比大于0.85時需對該桿件進行替換，不同步提升工況下桿件應力比大于0.85時需對該桿件進行替換。

模擬計算時，以各提升點不同步提升反力值不超過該點同步提升反力值的25%，同時各吊點不同步位移值不超過50mm，對網架提升模型進行不同步提升校核。

以A區網架為例，進行不同步提升工況校核。不同步提升工況下，網架結構內力會重新分配，桿件應力可能會超過許用值，圖4為A區不同步提升工況下應力比云圖。通過模型計算可得出，在不同步提升工況下，A區共有115根桿件應力超過許用值，需要將其截面加大。圖5為A區桿件替換后網架應力比云圖，可以看出，桿件替換后，在不同步提升工況下網架桿件最大應力比為0.82，滿足提升要求。同理，進行B、C、D區不同步提升工況校核，其結果如下表1所示。

圖3 提升點布置圖

圖4 不同步工況下網架應力比云圖

圖5 桿件替換后網架應力比云圖

4.2 卸載模擬分析

張紀剛[1]、張同波[5]對復雜網架結構施工進行了卸載分析，表明有限元分析的正確性[5-6]，參考李文明、張洪亮、張帆等某試驗大廳鋼網架卸載方案[7]，根據該工程網架施工方案及工期要求，該工程網架共分為4次卸載，各分區采用同時等距分步的方法卸載。每個卸載行程10mm，分區卸載時所有提升器同時卸載，提升器隨著卸載過程逐步退出工作，將各分區網架結構落到支座及鋼柱支撐點上。此卸載過程結構受力合理，易于實施，安全可靠。

采用有限元分析軟件對網架卸載進行模擬分析。圖6為各分區網架卸載后結構變形云圖及桿件應力云圖。以A區鋼結構網架卸載為例進行分析。A區結構在卸載完成后位移最大值為22.2mm，22.2mm〈2×14400/400=72mm， 滿 足《鋼結構設計規范》GB50017-2003[8]附錄A.1.1要求，同時滿足構件安裝精度要求。卸載過程中結構構件最大組合應力為65.2MPa，小于Q235材料設計強度（厚度3.5mm～16mm），滿足規范要求。同理，由圖6可以分析出，B、C、D各區位移變形及卸載過程中結構構件組合應力均滿足規范要求，分析結果如表2所示。因此，該工程網架卸載可分為4次獨立卸載。

表1 A、B、C、D區不同步提升工況校核

表2 各分區網架卸載變形最大位移及應力值

圖6 各分區網架卸載變形位移及應力圖

5.結論

根據對該工程網架結構施工技術的探討，對于雙曲面造型、結構復雜的大跨度鋼網架工程，適宜采用地面拼裝、液壓提升的方案。該方案與高空散拼、分塊吊裝高空組隊等方案相比，便于控制工程質量，有利于其他分項工程的及時穿插施工，可以加快施工速度。通過有限元分析軟件，進行提升工況分析和卸載模擬分析，結果表明該液壓提升及卸載方案技術可行、安裝質量可控，可以應用于其他類似網架工程的施工。

[1]李海亮. 基于xc164cs的連續式液壓提升機器人研究. 上海:同濟大學，2009，1-78.

[2]張同波，付長春，王輝. 青島體育中心游泳跳水館鋼結構施工技術. 施工技術，2009，3，38(3): 48-53.

[3]董康， 陳海洲， 王玉嶺. 超大面積焊接球網架柔性提升技術. 施工技術，2013，42(2):17-61.

[4]DG/TJ08－2056－2009 重型結構（設備）整體提升技術規程.

[5]張紀剛， 張同波. 青島游泳跳水館復雜網架結構施工卸載分析. 第19屆全國結構工程學術會議論文集（第Ⅲ冊）. 2010: 420-425.

[6]張紀剛， 張同波.青島體育中心游泳跳水館網架結構施工監測與模擬分.施工技術，2009，38(10): 30-32.

[7]李文明， 張洪亮， 張帆等. 120T屋面鋼網架整體液壓同步提升施工技. 施工技術，2010，12(39): 375-379

[8]GB50017-2003 鋼結構設計規.

（作者單位：1.新疆機場（集團）有限責任公司；2.中建鋼構有限公司）

TU356

A

1671-3362（2017）03-0054-04