C型鋼柱及外附著雙曲網(wǎng)格施工技術(shù)

陳建鋒 吳立標(biāo) 藍(lán)宏宇 張芳旭 簡(jiǎn)俊鑫

(中建鋼構(gòu)有限公司 廣東深圳 518040)

1 工程概況

該項(xiàng)目南北向建筑輪廓長(zhǎng)143m，東西向長(zhǎng)82m，建筑高度28m。鋼結(jié)構(gòu)平面及C型鋼柱分布如圖1所示。

室內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)采用“鋼柱+大跨度桁架”結(jié)構(gòu)形式。室外鋼結(jié)構(gòu)通過周圈設(shè)置的36榀尺寸漸變的C型鋼柱實(shí)現(xiàn)空間異形屋面的設(shè)計(jì)造型，其中最大的C型鋼柱造型尺寸為28m×28m。

建筑外立面采用PIP300×8的圓管組成的空間雙曲斜交網(wǎng)格，貼合并附著在36榀C型鋼柱外表面，從而使網(wǎng)格最大斜向懸挑達(dá)到28m。網(wǎng)格外立面如圖2所示。

圖2 雙曲網(wǎng)格外立面

2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及施工難點(diǎn)

C型鋼柱位于垂直鋼柱外側(cè)，柱底通過銷軸節(jié)點(diǎn)與埋入式柱腳連接，柱頂以相貫節(jié)點(diǎn)形式連于垂直鋼柱柱頂，中間加設(shè)拉結(jié)鋼梁，加強(qiáng)與內(nèi)圈結(jié)構(gòu)的連接。

C型鋼柱截面為PIP600×16， 其每榀尺寸及彎曲線形均不相同，呈漸變過渡。最大單榀的頂點(diǎn)離地28m，斜向懸挑28m，如圖3所示。由于下方傾斜并懸空，因此安裝時(shí)不適合通過搭設(shè)臨時(shí)支撐措施來安裝。

圖3 鋼結(jié)構(gòu)縱向剖面

建筑外圍采用PIP300×8鋼管組成的菱形網(wǎng)格，共計(jì)2176個(gè)菱形及三角形，每個(gè)邊長(zhǎng)尺寸均不相同。網(wǎng)格面為雙曲面，貼合在C型鋼柱外表，同樣為斜向懸挑。雙曲網(wǎng)格空間翻轉(zhuǎn)以及高空定位難度大，網(wǎng)格曲率及傾斜角度連續(xù)變化，因此加工、拼裝及安裝方法需綜合確定。

3 C型鋼柱安裝工藝及要點(diǎn)

3.1 施工方法概述

C型柱斜向懸挑，不便搭設(shè)臨時(shí)支撐，若采用分段吊裝、高空對(duì)接方法，則不利于作業(yè)安全保障以及空中對(duì)接的質(zhì)量管控。綜合考慮后，采取地面拼裝成大C型，而后使用雙機(jī)抬吊以及局部加強(qiáng)措施，實(shí)現(xiàn)高空無支撐安裝，吊裝實(shí)例如圖4所示。

圖4 C型鋼柱安裝實(shí)例

3.2 地面拼裝、起吊準(zhǔn)備及防變形措施

地面布置水平胎架，將鋼柱拼成大C型，C型開口端使用手拉葫蘆及鋼絲繩連成柔性抗拉措施，可防止下一步空中翻身后產(chǎn)生的開口變形，同時(shí)也方便就位階段上下口的開口距離調(diào)整，如圖5所示[1]。

圖5 C型鋼柱地面拼裝

使用三維建模軟件查找C型鋼柱整體起吊時(shí)的重心位置，根據(jù)重心位置確定合理的起吊吊點(diǎn)位置并在地面拼裝時(shí)加焊兜帶防滑措施，如圖6所示。

圖6 C型鋼柱單元重心

3.3 起吊變形驗(yàn)算

起吊狀態(tài)下，C型平面平行于地面；而吊裝就位狀態(tài)下，C型平面垂直于地面，故需使用計(jì)算軟件分別計(jì)算2種狀態(tài)下的應(yīng)力應(yīng)變值，確保方案可行。圖7為起吊狀態(tài)下(水平狀態(tài))的分析結(jié)果，此時(shí)柔性拉結(jié)無應(yīng)力，整體最大變形為44mm；圖8為就位狀態(tài)下(垂直狀態(tài))的分析結(jié)果，此時(shí)柔性拉結(jié)產(chǎn)生拉力，整體最大變形為56mm。

圖7 水平狀態(tài)有限元模型

圖8 垂直狀態(tài)有限元模型

從分析結(jié)果可以看出：C型鋼柱吊裝階段最大變形為56mm，出現(xiàn)在C型平面翻身完成后，位于C型開口端，即自由端；吊裝單元整體最大尺寸28m，允許變形L/400=70mm，滿足規(guī)范要求。

起吊最大應(yīng)力同樣出現(xiàn)在C型平面翻身完成后，位置在上排吊點(diǎn)附近，該位置單元應(yīng)力結(jié)果為86.41MPa，其小于鋼管母材345MPa，滿足規(guī)范要求。

C型開口處的柔性拉結(jié)措施的計(jì)算應(yīng)力為41.33kN，施工時(shí)采用10t手拉葫蘆，承載力100kN，滿足要求。

3.4 吊裝工況分析

選取最大C型柱作工況分析，單榀15t。吊機(jī)盡量靠近其安裝位置，使主吊機(jī)最終吊裝半徑為14m。

采用2臺(tái)100t汽車吊(配重32.5t)實(shí)現(xiàn)空中90°翻身，翻身完成后副吊機(jī)松鉤，由主吊機(jī)單獨(dú)施吊，分階段工況分析如圖9所示。

雙機(jī)抬吊階段，最不利情況下主吊機(jī)承擔(dān)所有重量，其14m半徑下額定吊重18.8t，雙機(jī)抬吊限重原則18.8×80%=15.04t>C型柱15t，吊重滿足要求。

單擊施吊階段，主吊機(jī)14m半徑下額定吊重18.8t>C型柱15t，吊重滿足要求。

圖9 C型柱吊裝工況

3.5 雙機(jī)抬吊空中翻身

起吊時(shí)，采用雙機(jī)抬吊方法，主吊機(jī)抬升C型柱上排吊點(diǎn)，輔助吊機(jī)配合抬升C型柱下排吊點(diǎn)，以免整體發(fā)生面外扭轉(zhuǎn)，兩臺(tái)吊機(jī)服從統(tǒng)一指揮，實(shí)現(xiàn)C型柱的空中90°翻身，如圖10所示。

圖10 C型鋼柱空中翻身

3.6 就位固定步驟

(1)C型鋼柱完成空中翻身后，緩慢靠近安裝位置，先安裝底部銷軸節(jié)點(diǎn)，如圖11所示。

圖11 銷軸節(jié)點(diǎn)安裝

(2)C型鋼柱下口固定后，將上部相貫口靠攏，利用鋼柱自重或手拉葫蘆來調(diào)整上口，合適后，進(jìn)行相貫口的焊接加固。

(3)上下口均固定后，尚不能對(duì)C型柱進(jìn)行整體松鉤，還需安裝結(jié)構(gòu)自身的拉結(jié)鋼梁，加強(qiáng)整體性，避免懸挑端下沉導(dǎo)致不可逆的變形。

3.7 防側(cè)向變形措施

(1)C型鋼柱空中翻身為關(guān)鍵步驟，由一名經(jīng)驗(yàn)豐富的起重技師統(tǒng)一指令，指揮兩臺(tái)吊機(jī)相互配合，提上口的吊機(jī)為主吊機(jī)，提下口的吊機(jī)配合翻身。通過主次吊機(jī)的職責(zé)劃分與施工交底，能有效減少面外扭轉(zhuǎn)的變形量。

另外，安排1～2名專職技術(shù)質(zhì)量人員，觀測(cè)C型鋼柱是否發(fā)生面外扭曲，一旦發(fā)現(xiàn)明顯扭曲，立即叫停。

(2)C型柱就位并臨時(shí)固定后，通過拉結(jié)纜風(fēng)繩，配合特征點(diǎn)坐標(biāo)測(cè)量，校正C型柱環(huán)向方向的轉(zhuǎn)角偏差，如圖12所示。

圖12 轉(zhuǎn)角偏差測(cè)量

(3)校正完成后，及時(shí)跟進(jìn)原結(jié)構(gòu)環(huán)梁的安裝，使形成整體穩(wěn)定體系，如圖13所示。

圖13 環(huán)梁安裝及纜風(fēng)繩示意

3.8 其他注意事項(xiàng)

C型鋼柱底座銷軸節(jié)點(diǎn)的雙夾板，板厚40mm，施焊前需采用拉結(jié)加固措施進(jìn)行臨時(shí)固定，避免焊接變形導(dǎo)致雙夾板上口張開，以致銷軸蓋板無法擰緊[2]。

4 雙曲網(wǎng)格安裝工藝

4.1 施工方法概述

網(wǎng)格桿件較多，且斜向懸挑，若采用高空散件拼裝則不易設(shè)置支撐，也難以保障桿件安裝精度和整體曲率。故需根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和吊重限制，合理分片后進(jìn)行地面三維拼裝、整片雙機(jī)抬吊、散件高空嵌補(bǔ)等工序，安裝實(shí)例如圖14所示。

圖14 網(wǎng)格安裝方法

4.2 網(wǎng)格分片地面拼裝

根據(jù)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和吊機(jī)吊重等因素對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行分片劃分，共計(jì)32個(gè)分片，其參數(shù)如表1所示。

表1 網(wǎng)格分片信息表

在三維模型中將分片逐一導(dǎo)出，調(diào)整拼裝姿態(tài)(兩頭高中間低)，根據(jù)調(diào)整后的分片三維模型，并考慮施工可操作性，在三維模型上加設(shè)胎架支撐點(diǎn)并提取胎架點(diǎn)的三維坐標(biāo)，供現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行放樣和桿件拼裝，拼裝坐標(biāo)圖示例如圖15所示[3]。

地面拼裝，主要使用30mm厚的鋼板作為底板、HW200×200×8×12型鋼，作為立桿支撐，如圖16所示。

圖16 網(wǎng)格拼裝胎架

4.3 網(wǎng)格分片吊裝

網(wǎng)格沿屋面檐口的一圈以及網(wǎng)格落地的一圈，分別設(shè)計(jì)上、下收邊管，地面拼裝成片時(shí)，把收邊管一起拼好，一次起吊。

網(wǎng)格分片安裝前，先根據(jù)其落點(diǎn)的三維坐標(biāo)，制作型鋼馬鐙，如圖17所示，用作網(wǎng)片的臨時(shí)就位和固定，減少空中調(diào)整的時(shí)間。

圖17 網(wǎng)格底部馬鐙

分片吊裝采用雙機(jī)抬吊，每片4個(gè)吊點(diǎn)，采用兜吊方式，鋼絲繩纏繞于節(jié)點(diǎn)處，避免滑脫，實(shí)施前使用有限元軟件計(jì)算分片的吊裝變形，如圖18所示。

從分析結(jié)果可以看出：網(wǎng)格分片吊裝階段最大變形為37mm，出現(xiàn)在分片末端，也即自由端；分片最長(zhǎng)尺寸37.6m，允許變形L/400=94mm，滿足規(guī)范要求。

分片起吊最大應(yīng)力75.87MPa，出現(xiàn)在下排吊點(diǎn)附近，其小于鋼管母材345MPa，滿足規(guī)范要求。

圖18 網(wǎng)格分片有限元分析模型

兩臺(tái)吊機(jī)分別站位后，將分片起吊脫胎，緩慢移動(dòng)，先將分片下口落位于型鋼馬鐙上，初步調(diào)整姿態(tài)后進(jìn)行限位，然后抬升上口吊點(diǎn)，使下口繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)，上口逐步就位，貼合于C型柱上，再測(cè)量校正上下收邊管管口，以及網(wǎng)片中部控制點(diǎn)的空間坐標(biāo)，無誤后臨時(shí)連接固定，吊裝實(shí)例如圖19所示。

圖19 網(wǎng)格分片吊裝

4.4 網(wǎng)格嵌補(bǔ)桿件安裝

網(wǎng)格分片安裝完成后，相鄰分片之間的嵌補(bǔ)桿件需在高空進(jìn)行安裝，由于數(shù)量多，桿件長(zhǎng)度、安裝角度各異，且屬于高空作業(yè)，臨時(shí)操作平臺(tái)難以安拆，需現(xiàn)場(chǎng)搭設(shè)滿堂腳手架，以方便工人登高，如圖20所示。

圖20 滿堂腳手架搭設(shè)

4.5 施工過程中注意事項(xiàng)

(1)網(wǎng)格圓管設(shè)計(jì)為一個(gè)方向貫通，而另一個(gè)方向相貫連接，地面拼裝時(shí)，需先將貫通方向的圓管拼裝固定，并完成焊接，然后才能進(jìn)行相貫方向的圓管拼裝，如圖21所示。

地面拼裝質(zhì)量將影響后續(xù)的焊接質(zhì)量，進(jìn)而影響最終的觀感效果，因此需嚴(yán)格把控曲線的平順性，接口間隙的大小以及焊縫外觀成型等問題。

圖21 網(wǎng)格分片拼裝步驟

(2)分片吊裝就位后，嵌補(bǔ)圓管的安裝也很重要，由于相鄰分片可能存在不同步的下?lián)献冃危枰壳堆a(bǔ)圓管兩頭微調(diào)來消化偏差，安裝時(shí)，需結(jié)合三維放樣的點(diǎn)位標(biāo)記進(jìn)行微調(diào)，使整體曲線平順性滿足要求。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施效果如圖22所示。

圖22 嵌補(bǔ)單元安裝

5 結(jié)語

該項(xiàng)目施工重點(diǎn)，在于對(duì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和受力體系充分理解的基礎(chǔ)上，將結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理劃分、分單元進(jìn)行安裝的施工思路。對(duì)于大尺寸異形吊裝單元，主要采用地面拼裝成大單元、然后雙機(jī)抬吊的施工方法。

項(xiàng)目部本著大膽嘗試，小心實(shí)施的管理理念，經(jīng)常性組織不同深度的方案討論、評(píng)審，對(duì)比優(yōu)選各種可能性方案。方案實(shí)施前，結(jié)合有限元分析軟件，計(jì)算最大變形和應(yīng)力，從理論上驗(yàn)證方案可行性，并反復(fù)推敲方案實(shí)施細(xì)節(jié)，再結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施結(jié)果，改進(jìn)完善施工方法，加快效率的同時(shí)提升質(zhì)量。

該項(xiàng)目施工方案，對(duì)于大空間、異形懸挑結(jié)構(gòu)以及薄壁殼體類鋼結(jié)構(gòu)的安裝，具有較好的借鑒與參考意義。