鋼拱支撐雙曲網殼結構施工技術應用

黃 虎 何昌杰 郭 節 楊 松

1.中建五局第三建設有限公司 湖南 長沙 410004；2.中建鋼構有限公司 湖北 武漢 430000

目前越來越多的鋼結構應用在建筑物的主要造型部位，其獨特的建造形式能給人帶來視覺上的沖擊。鋼結構的表現形式多樣，其中網殼結構作為鋼結構形式中的一種，其造型新穎，能以流線型表達出建筑意圖，并適用于大跨度的結構設計，因此應用越來越廣泛[1-3]。

雙曲網殼結構施工最主要的是精度保證及安裝過程中的變形與穩定控制[4-6]。對雙曲網殼安裝技術的研究與應用，能夠推動鋼結構安裝技術的發展，形成成套的解決方案。本文以長沙冰雪世界雙拱支撐雙曲網殼安裝為例，對雙曲網殼安裝技術的應用進行研究。

1 工程概況

長沙冰雪世界工程入口綜合樓屋蓋為雙曲網殼結構，由4道鋼拱作為支撐。結構高度約13.0 m，縱向長度30.0 m，橫向長度45.8 m，通過鋼拱支撐在底部混凝土短柱上（圖1）。構件截面形式主要為箱形。其中鋼拱的截面為□600 mm×400 mm×30 mm×30 mm，網殼結構的鋼梁最大截面為□200 mm×120 mm×8 mm×16 mm。

圖1 綜合樓屋蓋雙曲網殼結構

2 雙曲網殼深化設計

本工程鋼屋蓋為曲面網殼結構，桿件主要為箱形截面，主要采用Tekla軟件建立三維模型進行深化設計。深化時按現場安裝順序分階段安排工作。引入先進的深化設計軟件用于三維制造數據拾取，進行構件加工圖的繪制，確保深化設計的高效率和準確性。

3 雙曲網殼地面拼裝控制

本工程網殼采用在地面進行分單元拼裝，然后分片吊裝的施工方法。

1）拼裝前，根據結構面各構件的空間位置進行計算機實體模擬，建立拼裝胎架三維模型，定好拼裝單元某一點坐標后，依次推算出其余各胎架支撐部位的空間坐標，根據模型1∶1放樣設置方形拼裝胎架，采用平臥拼裝方法。

2）結構面拼裝時，主要檢查各構件的相對位置、桿件角度、接口尺寸和接縫、空間坐標、測量控制點位置等關鍵控制指標是否符合設計要求，為安裝提供準確的定位信息，確保安裝精度。

3）在安裝胎架之前，用水準儀全面測量平臺基準面的標高，確定測量基準面，根據在工廠制作構件時的焊接工藝試驗，預先留出收縮量，拼裝完后進行檢查，確保精度。同時做好拼裝場地硬化工作，避免地面變形對拼裝精度產生不利影響。

4）根據結構具體吊裝分片對鋼構件進行現場拼裝。根據結構線形設置拼裝胎架，并在地面放線。采用汽車吊進行拼裝，按放線位置布置。在沒有約束的條件下，檢測構件分段間的端口情況，包括間隙、錯位、坡口、相對空間距離與方位。在驗收合格后，畫出對合線、中心線、水平線等標志，然后開始拼裝。

4 鋼拱及網殼安裝

4.1 鋼拱安裝

4.1.1 安裝方法概述

鋼拱是屋蓋網殼的主要支撐結構，截面形式為空間彎扭結構。鋼拱共有2組，每組包含2個單根支撐，在柱腳位置交會連接。由于鋼拱質量大、長度長，故采用25 t汽車吊分段吊裝施工，在高空組裝點及鋼拱跨中頂點搭設支撐胎架，以保證結構的穩定性。

4.1.2 安裝分段

鋼拱支撐每榀分為3段進行吊裝，分段點在每榀離端部約1/4位置。先安裝鋼拱底部的2段構件，臨時固定后，再安裝中部單段構件，固定后，對整體鋼拱進行測量校正并焊接。

4.1.3 安裝流程

鋼拱的安裝流程（圖2）如下：安裝鋼拱臨時支撐胎架→根據鋼拱單元劃分，吊裝下部鋼拱→吊裝鋼拱頂部分段，在胎架上的操作平臺上進行組對焊接。

圖2 鋼拱安裝流程

4.2 鋼網殼安裝

4.2.1 安裝方法概述

上部網殼結構形式為正交網格，通過斜支撐與鋼拱進行連接。網殼4個角部位置分別與混凝土柱、混凝土樓層梁進行連接，根據網殼結構形式及質量，采用地面散件拼裝、分塊整體吊裝、嵌補桿件高空拼裝的方法進行安裝，安裝過程中進行施工計算模擬，并采取相應的臨時加強措施。選用25 t汽車吊進行地面拼裝作業，高空吊裝及桿件嵌補采用50 t汽車吊進行施工（圖3）。

圖3 網殼分塊吊裝示意

4.2.2 安裝分區

屋蓋網殼分10個單元塊進行吊裝（圖4），吊裝順序依次從①到⑩進行，區與區之間的連接桿件采用高空吊裝法進行施工。

圖4 網殼分區

4.2.3 安裝流程

鋼拱桁架安裝完成后，在鋼拱桁架上安裝與網殼連接的圓管支撐，再將網殼分單元吊裝至指定位置，并補裝連接桿件，將整個網殼部分安裝完成（圖5）。

圖5 網殼安裝流程

5 復雜節點焊接

網殼構件箱形截面現場對接焊縫較多，焊接量很大，且節點復雜，焊接可操作性差，增加了焊接難度。在實際施工中，應制定合理的焊接工藝，并采取焊前預熱、層間溫度控制、焊后保溫等措施。同時，對復雜或有約束的焊接節點進行合理優化，并設計出合理的坡口形式。

6 屋蓋網殼卸載

6.1 卸載條件

鋼網殼施工及連接桿件補充完成后，應在焊接完成并探傷合格的前提下，方可開始卸載。

6.2 卸載順序

整個網殼結構及鋼拱由12個胎架支撐，達到卸載條件后分2次進行卸載。按先卸載中部胎架，再卸載端部胎架的順序進行，即先卸載ZC2、ZC5、ZC8、ZC11，再卸載ZC1、ZC3、ZC4、ZC6、ZC7、ZC9、ZC10、ZC12（圖6）。

圖6 支撐胎架布置

6.3 卸載控制要點

1）卸載開始前，測量并記錄各個支撐點的標高。

2）卸載時，在鋼拱架跨中及端頭1/3處設置12個監測點；在網殼上變形較大處布置20個監測點，隨時監測變形情況。

3）根據施工模擬計算，卸載下降的最大撓度為21 mm，卸載分2次緩慢進行。

4）卸載時通過割槍對鋼拱架下的支撐進行切割，每次切割長度宜控制在10 mm左右。

5）每卸載一次，對監測點測量一次，并將數據進行比較，觀察下撓值，若大于計算的21 mm，則應停止卸載，觀察并查找原因。

6）由于底部的胎架支撐有彈性變形，因此在切割時割除量可能大于21 mm，其標高應以鋼拱架或網殼的標高為基準。

7）卸載完成后，記錄各個監測點的最終值，并在48 h后再測量一次。

6.4 卸載模擬計算

根據卸載順序建立卸載結構模型，相關計算結果敘述如下：

1）卸載階段位移情況。鋼屋蓋因卸載而產生的最大位移為3.3 mm，屋蓋卸載完成后的最終撓度為21.3 mm，滿足要求。

2）卸載階段應力情況。根據計算，卸載過程中及卸載完成后結構構件最大組合應力為137.2 MPa，小于材料設計強度310 MPa，滿足要求。

3）卸載階段構件驗算比情況。卸載過程中及卸載完成后結構構件的應力驗算比均不大于0.45，小于構件容許最大驗算比1.0，滿足要求。

4）計算結論。通過計算，入口綜合樓鋼拱及網殼在卸載過程中的變形增加量較小，且最終撓度也控制在合理范圍之內；卸載過程及卸載后，強度、剛度滿足規范和施工精度要求，通過有限元分析可知，該卸載順序及方法是可行的。

7 結語

本工程雙拱支撐雙曲網殼采用地面散件拼裝、分塊整體吊裝、嵌補桿件高空拼裝的方法進行安裝。通過制定合理的支撐胎架安裝及卸載施工方法，并應用有限元計算軟件進行分析，將網殼屋蓋卸載后的變形及應力控制在允許范圍內，順利地完成了該網殼結構的安裝，確保了質量和精度，取得了很好的社會效益。

該雙曲網殼安裝技術的應用，能夠減少大量的高空作業，安全風險小，且節約工期，具有一定的推廣與應用價值，能為類似工程提供參考。