風箏造型大跨度雙曲面鋼網架屋面施工安全性能研究及應用

王憲剛 王有志

（山東大學土建與水利學院，濟南 250061）

0 引言

網架結構具有傳力途徑簡捷、平面布置靈活、結構體型豐富等優點，在各類體育場館、鐵路站房得到廣泛應用［1-2］。網架結構組成一般包括平面桁架系、四角錐體、三角錐體和六角錐體等類型，而鐵路站房屋面系統通常采用正放四錐體螺栓球節點網架［3-4］。由于存在跨度大、平面異性尺寸多及空間定位難度大等問題，大跨鋼結構施工安全性能備受關注，其受力性能、施工安全監測等為該領域的研究熱點［5-9］。

濰坊站為膠濟客專和普速鐵路共用的一等客運站，新建南站房設計以濰坊風箏文化為切入點，屋面整體形狀為雙曲面布置的蝴蝶風箏造型（圖1）。

圖1 濰坊站南站房效果圖Fig.1 Effect picture of south station of Weifang station

站房建筑面積25 495.94 m2，主體為鋼筋混凝土框架結構，上部屋蓋為空間網架結構，采用正放四角錐螺栓球節點、抗震球形鋼鉸支座，網格單元尺寸3 m×3 m。網架支座呈階梯布置，下弦為弧形，支座底標高最高點+24.648 m、最低點為+17.7 m、高差6.948 m。網架結構跨度大，南北向和東西向最大跨度分別為63 m、174 m，網架頂升高度最大處達23.8 m。風箏造型的網架結構獨特復雜，美觀要求高；檐口吊頂板全部懸挑，最大懸挑長度達15.1 m，測量放線和施工難度大。這些均對現場施工技術和安全提出重大挑戰。

圖2 為站房網架施工的平面和剖面布置圖，先進行B 區屋蓋結構頂升施工，然后進行兩側區域A 區、C 區屋蓋頂升施工，最后進行懸挑網架高空散裝施工。

圖2 站房網架結構施工布置圖Fig.2 Construction layout of station grid structure

本工程建筑形式新穎，但受力情況復雜，為保證結構施工的安全性，設計制作了大跨鋼網架頂升架及限位架體系，計算分析其受力性能，探究弧形曲面大檐口鋁板施工要點，優化大跨度鋼網架同步頂升施工關鍵技術，以期為同類結構的施工方案設計提供依據。

1 網架頂升體系設計

為了克服現有頂升技術的不足，研制開發了一套帶有導向限位支架的網架頂升體系，該體系可以增強鋼網架頂升系統的側向約束，提高施工安全可靠性。

網架頂升體系主要由千斤頂、泵站、頂升架、電腦控制系統組成，如圖3 所示。利用千斤頂頂住網架下弦球，液壓同步上升，基于千斤頂回收功能可實現頂升支架的安裝加設。其中，頂升架屬于標準節，為防止其產生沉降采用鋼筋混凝土基礎。

圖3 網架頂升體系Fig.3 Grid jacking system

1.1 頂升架設計

頂升架標準節截面尺寸為1 000 mm（寬）×750 mm（高），標準節之間采用高強螺栓連接，主立桿為鋼管Φ114×4 mm、正視圖中的主受力腹桿為方管60 mm×60 mm×5 mm，側視圖中的主受力腹桿為L63×4 mm，如圖4所示。

圖4 頂升架示意圖（單位：：mm）Fig.4 Design schematic of lifting frame（Unit：mm）

1.2 限位架設計

為了防止頂升支架千斤頂和上托架頂升過程傾覆的發生，設計了一種防傾覆的限位支架（圖5），其中，連接標準節豎向的四根矩形管采用50 mm×5 mm，矩形管與標準節采用150 mm×100 mm×10 mm連接板配M12高強螺栓連接。

圖5 限位支架設計參數Fig.5 Design parameters of limit bracket

1.3 弧形曲面大檐口鋁板設計

風箏造型網架結構獨特復雜，檐口鋁板標高變化多端，整個屋面大檐口縱向為無接縫整塊鋁板，施工難度及安全風險較大。運用Rhino（犀牛）軟件三維立體模擬及施工現場1∶1 測量放線兩方面結合做法，對龍骨及異形鋁單板加工進行優化，順利實現站房屋面弧形曲面平滑、美觀。

（1）采用Rhino（犀牛）軟件創建檐口鋁板三維模型，優化計算后確定鋁板下料加工等參數，主要包括裁剪、折邊、彎弧、焊接、打磨等工序，該部分決定了鋁單板弧度、外觀等重要參數。

（2）按照三維模型測量放樣，將龍骨在加工廠彎弧成型，待整體龍骨安裝好后，運用矢高法對龍骨弧形曲線進行檢查驗收，為滿足龍骨弧形曲線和平整度要求，對超過5 mm偏差的龍骨需進行調整。

2 抗風揭試驗

屋面板材選用AA3004 型鋁鎂錳金屬屋面板，加工性能好，易于折邊，如圖6 所示。固定T碼專用螺釘的頂部采用碳鋼材質，帽部為不銹鋼；對于超過3 mm厚的檁條采用細紋螺牙螺釘，以確保固定T碼和檁條的牢固連接。

圖6 金屬屋面系統構造示意圖Fig.6 Structure diagram of metal roof system

為了測試鋁鎂錳壓型金屬屋面板系統的抗風揭性能，在中國建材檢驗認證集團蘇州有限公司進行抗風揭性能試驗。其中，屋面系統測試材料參數如表1所示，試驗檁條及屋面板布置如圖7所示。

圖7 試驗檁條、屋面板布置示意圖（單位：mm）Fig.7 Schematic diagram of test purlin，roof panel（Unit：mm）

表1 抗風揭試驗工況Table 1 conditions of wind resistance test

試驗結果表明，所測試的屋面板材料抗風揭性能可以達到規定的抗風揭等級3.6 kPa要求。

按照當地100 年一遇風壓標準，在板周圍、檐口、變形縫、面板端頭處各加2 道防風夾即可以滿足設計規范及抗風揭試驗要求，在深化設計時補強至各3道防風夾（圖8）。

圖8 天溝兩側防水夾加強圖（單位：mm）Fig.8 Waterproof clamp strengthening chart（Unit：mm）

3 網架頂升系統受力性能

為了保證網架在頂升過程中的安全性，需對頂升系統受力性能進行驗算，分析其應力比。利用空間結構設計軟件3D3S鋼結構建立網架結構的計算模型，分析網架頂升各工況下受力及變形等參數。

3.1 頂升架及限位架受力分析

考慮在最不利荷載下頂升架及限位架各構件受力狀況，選取最大頂升高度23.8 m 進行分析。驗算依據主要是《建筑結構荷載規范》（GB 50009—2012）［10］、《鋼結構設計標準》（GB 50017—2017）［11］以及頂升支架的實際使用情況。

采用Q235 鋼材，其彈性模量為2.06×105N/mm2；泊松比為0.30；線膨脹系數為1.20×10-5；質量密度為7 850 kg/m3。根據所建立的模型進行計算，結果表明，結構能夠滿足承載力計算要求，應力比最大值為0.69（圖9），說明頂升過程中頂升架各構件受力是安全的。

圖9 頂升架及限位架桿件應力比Fig.9 Stress ratio of jacking frame and limit frame member

3.2 網架受力分析

選取在最不利荷載下網架受力狀況，計算分析網架受力情況。網架采用Q345鋼材，其彈性模量為2.06×105N/mm2；泊松比為0.30；線膨脹系數為1.20×10-5；質量密度為7 850 kg/m3。

計算結果表明，網架結構各構件均能滿足承載力計算要求，應力比的最大值為0.84（圖10），滿足受力安全要求。

圖10 網架結構各桿件應力比Fig.10 Stress ratio of each member grid structure

3.3 頂升過程變形監測

頂升過程的變形監測主要考慮以下四種工況。

工況一：臨時支撐的設置及起步網架的安裝。

工況二：將拼裝完成后的起步網架頂升至可以滿足后續網架安裝的預定高度，地面網架頂升安裝完成。

工況三：在二層平臺處拼裝D-G 軸剩余網架，拼裝至G軸線。

工況四：拼裝完成二層平臺標高處網架。

表2 為四種工況下網架頂升過程中各測點變形的模擬值和實測值。

表2 網架頂升變形模擬值和實測值Table 2 Simulation and measured values of grid jacking deformation

搭設頂升架軸線位移偏差控制在3 mm內，高度偏差控制在5 mm內；網架下弦節點坐標與其投影線的控制容許偏差30 mm［12］。從表2 可知，網架頂升變形的模擬值和實測值兩者基本相符，驗證了所建模型的正確性，保證了網架頂升過程的安全性。

4 同步頂升技術要求

4.1 網架同步施工措施

網架各點的同步頂升是實現施工安全和頂升順利進行的重要保證。網架頂升同步報警控制值設為5 mm。主要采取以下措施：

（1）設計頂升高度指示裝置，由標尺和指針兩部分組成。其中，標尺采用扁鋼制作，焊于頂升支架上，隨頂升而上升，指示一個回合的頂升高度；指針用鐵釘制作，焊于支座橫梁上，固定不動。

（2）開發指揮信號系統，由指揮系統和信息系統兩部分組成，主要用于指揮頂升操作和信息聯絡。指揮系統包括指揮臺、功放、音響三部分。其中，指揮臺設在頂升區域外，能方便看到各點；功放置于指揮臺上；音響為三個高音喇叭，分別朝向兩列和指揮臺。信號系統由集中控制臺、各點旋扭開關箱以及聯接兩者的控制電纜構成。其中，集中控制臺置于指揮臺的前端，便于指揮人員觀測各頂升點情況。在各頂升點附近安裝帶有“紅燈”、“O”、“綠燈”標識的旋扭開關箱。

（3）制定頂升操作規程和細則，并專門組織頂升操作人員培訓、學習。

4.2 頂升水平位移控制及糾偏處理

網架在進行地面拼裝時已經按照網架下弦球投影位置進行了測量、定位拼裝。一般情況下網架頂升完成就位后，其偏差均能控制在20 mm 以內，進行補桿時螺栓完全能將網架控制到準確位置。具體糾偏處理方法為：

（1）頂升前檢查記錄網架拼裝時頂升點水平位移。

（2）在網架每個頂升點附近均確定1 個固定點，每頂升一個步距，觀測其水平位移，測量網架實際頂升高度和平面內偏移量。

（3）如偏移值不大，則可將千斤頂傾斜一定角度以抵消。亦可在十安梁與鋼柱肢導向板之間塞以鋼楔，回油時加以錘擊，亦能起到糾偏作用。

（4）若偏移已發展到一定程度，則可采用橫頂法進行糾正。

5 結論

（1）建立了鋼網架頂升防失穩技術，研制了大跨度雙曲面鋼網架新型頂升架及限位架體系，該體系受力可靠，能夠實現預定功能，保證鋼網架施工安全性能，提高施工效率。

（2）進行了抗風揭試驗，發展了弧形曲面大檐口鋁板施工技術，保證了檐口鋁單板與金屬屋面防水性能、抵抗負風壓性能及站房整體效果的實現。

（3）提出了大跨度雙曲面鋼網架整體同步頂升和變形控制技術，解決了鋼屋架施工變形難題，保證了頂升同步的順利實現。