大跨度單層焊接球網殼結構吊裝方法分析

尹維元

廣州市第三建筑工程有限公司，廣東 廣州 510000

1 工程概況

財富天地廣場A1棟位于廣州市西灣路舊水泥廠東側，建筑物整體劃分成A、B、C、D四個區域，十字中庭穹頂網架位于四個區域十字通道中央屋頂上方。該網架結構采用單層焊接球網殼形式，平面投影為直徑47m的圓，矢高12m，就位標高為24.9m，網架總重為56t。整個網架由中心向周邊共有15道環梁，15道環梁的24個焊接球支座支承于周邊建筑物上。焊接球直徑為wsp550×14、wsp400×10、wsp300×8三種規格，材質為Q345B號鋼，系桿分別為Φ89×4、Φ159×6、Φ140×4、Φ114×4、Φ203×10等 高頻焊管。網架平面效果圖如圖1所示。

圖1 網架平面效果圖

該網架吊裝的關鍵和難點在于吊裝方法的選擇。網架整體重量為56t，直徑為47m，平面面積為1520m2，跨度大、重量重、面積廣；且建筑物中庭位置距離建筑物邊線太長，而十字通道下方為地下室樓板，不允許大型汽車吊通過，不能使用汽車吊進行吊裝。同時，施工使用的塔吊距離中庭較遠，只能進行散件或小型拼裝件吊裝，重量達不到整體吊裝的要求。綜合上述考慮，在常規施工方法無法滿足現場施工要求的情況下，需要創新吊裝施工方法，在確保安全、質量的前提下按期完成吊裝并交付下一工序施工。

2 施工重難點

（1）網架結構采用單層網殼，在吊點的選擇和處理上必須經過嚴格計算，防止網殼變形及局部節點應力過大[1]。網架桿件應力及吊點采用同濟大學3d3s鋼結構-空間結構設計軟件進行計算分析，在保證吊裝安全的情況下，選定吊點位置，確保支架受力均勻，滿足樓面荷載要求，并控制吊裝過程中網架的變形。中庭吊裝支架具體分布如圖2所示。

圖2 中庭吊裝支架分布圖

（2）在屋面對稱安裝8個吊裝支架，支架采用鋼結構螺栓球結構形式，每個支架有3條鋼柱，與天面混凝土結構用8個M24化學錨栓連接。由專業設計單位負責吊裝支架設計，由原設計單位負責對吊裝支架及支撐結構進行驗算、復核。因為每個支架支撐位置下方均為混凝土懸挑結構，結構承載力不能滿足吊裝要求，所以8座吊裝支架支腿位置的垂直下方對應混凝土梁處，需在1～5樓共計5層搭設鋼管支撐，共40個單體。搭設高度為相應層高，約3.5～5.8m，長度為3m，寬度為2m，立桿間距為0.5m×0.5m，水平桿間距為1.8m。

（3）在網殼吊點的處理上，因為單層網殼單個球節點強度不能滿足吊裝要求，極易產生應力集中，使節點出現永久變形甚至斷裂，所以項目部將每個吊裝節點用相同材質的桿件、球焊接成四角錐形結構[2]。

（4）網架結構吊裝中的關鍵環節是同步控制。在吊裝過程中，網架的偏移和傾斜對支撐架的受力狀態都有不同程度的影響，還可能影響網架結構自身的受力狀況，使構件應力重新分布，對結構吊裝和結構自身都極為不利。因此，為了減小網架吊裝變形，必須嚴格控制8個吊點在吊裝過程中同步提升，相鄰吊點間的高差不得大于100mm。為此，現場采用8臺相同型號的慢速卷揚機，并在每個吊點上掛上鋼卷尺，在垂直整體提升過程中，每提升1m就由全站儀觀測人員對8個吊點的標高進行觀測，如果吊點之間高差超過50mm，則對各個吊點進行調整，待高差一致后再繼續提升，確保每個網架吊點平衡同步提升。

為了確保續裝工作安全進行，應搭設續裝用的腳手架。腳手架從5樓樓面搭設至網殼支座標高處，寬度至離已拼裝網殼最外圈400mm處。在寬度上之所以沒有一次搭設到位，主要是給網殼與腳手架之間留有一定間隙，以免網殼整體提升時與腳手架相碰。該腳手架為工作平臺，施工時每平方承重約為150kg，其搭設應嚴格按照有關規范執行，滿鋪建筑用鋼腳手架板。

3 施工方法和技術路線

針對該工程的特殊性，項目部根據現場的實際條件和設備，綜合考慮安全、質量、工期及經濟等因素，最后決定采用綜合安裝法，即先將網殼分為若干個環帶，將中心大部分在地面拼裝好，再整體吊裝就位，最后外圍3個環帶以小單元逐圈由內向外在空中拼裝成整體[3]。現場在屋頂設置8個鋼結構吊裝支架加掛8套滑輪組，每個吊點以電動卷揚機作為主動力進行整體吊裝。

結合該工程鋼結構的施工組織設計和具體施工工藝，通過現場獲取的資料和設計技術文件，運用大型工程有限元軟件進行工程模型三維建模、吊裝支架圖紙深化設計、結構仿真模擬分析，并根據分析結果初步確定該工程的設計方案、加工制作方案、施工方案和施工工藝；組織專家進行審核后，用于指導施工[4]。

在安裝過程中進行施工檢測，并與理論分析數據進行對比，特別是吊裝過程中的網殼變形、垂直提升的同步控制、結構桿件的內力變化等。

4 主要設備與儀器

（1）工程軟件：主要有ANSYS、MIDAS、StruCad鋼結構設計軟件、SAP2000、3d3s軟件、3ds Max、工程動畫相關軟件等。

（2）設備儀器：全站儀、水準儀、檢測成套設備、計算機等硬件設備。

（3）吊裝設備及測量機具。

5 階段目標與進度安排

第一階段：熟悉圖紙，制訂初步吊裝方案，準備相關技術資料，選定工程軟件，檢測設備及材料、計算機相關硬件設備等，建立用于后續工程模擬分析的三維工程模型，并結合施工工藝進行模擬分析，為深化設計提供理論參考。

第二階段：進行吊裝支架的深化設計及支撐結構復核驗算，網架吊裝過程中結構桿件應力的計算及復核，吊裝設備的選擇確定。組織專家組對吊裝方案進行認證，確定最終施工方案。

第三階段：按方案內容組織施工，結合工程施工情況，進行工程施工過程的實際模擬、分析，并根據分析結果對施工工藝和設備進行完善修正，總結大跨度焊接球網殼整體吊裝施工的關鍵技術。

第四階段：對相關研究內容進行系統全面的整理、論文編寫、成果匯總編輯、成果上報。

第五階段：與廣州市建筑集團等單位共同申報廣東省科技成果鑒定。

第六階段：與廣州市建筑集團等單位共同申報廣東省工法。

6 預期成果內容與效益

該科研項目結合財富天地廣場A1棟十字中庭大跨度單層焊接球網殼整體吊裝工程的深化設計、吊裝施工及新技術應用展開研究，攻關小組本著服務于工程，全面提升企業綜合施工技術實力的目的，完成了包括大跨度單層焊接球網殼整體吊裝加載制度、加載順序和加載過程檢測數據的收集分析，評判加載工藝的合理性和先進性；同時，整理出了較全面的大跨度單層焊接球網殼整體吊裝施工工藝要點。

7 結束語

經查閱國內相關文獻資料，發現在國內并沒有相似的吊裝方法供參考，因此該方法的編制主要參考公司總工室的意見，根據吊裝論證會上專家組的意見進行反復多次的討論和修改而成。該吊裝方法具有安全系數大、施工工期短等優點，不僅可以保證施工質量，還可以降低工程造價。此外，該方法已經經過多次類似工程的實踐，積累了豐富的施工經驗。相關研究成果不但對該實際工程具有一定的應用價值，而且對今后類似工程的實際運用具有重要的指導價值，對提升企業的技術實力，推廣建筑領域新技術具有重要作用。