空間異形雙曲大管徑鋼管結(jié)構(gòu)吊裝技術(shù)

王小輝，范登超，斯志軍

(中冶(上海)鋼結(jié)構(gòu)科技有限公司，上海 200941)

0 引言

隨著建筑市場的快速發(fā)展和人們審美觀點的轉(zhuǎn)變，現(xiàn)代城市涌現(xiàn)出大量千姿百態(tài)的裝飾性造型建筑。此類建筑往往采用大跨度、高凈空、受力體系穩(wěn)定的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計形式，為減少高空作業(yè)風(fēng)險因素和吊裝次數(shù)，大多采用地面拼裝成單元模塊、整體吊裝的施工思路[1]。對于空間異形結(jié)構(gòu)，由于其復(fù)雜多變的結(jié)構(gòu)形式，拼裝的單元模塊形狀尺寸往往不規(guī)則，吊裝難度也越來越大。

1 工程概況

開封恒大童世界國際會議中心整體規(guī)劃取“北斗七星”之意，形似斗勺，采用“一主多輔”半包圍式布局模式。主體結(jié)構(gòu)體系采用框架結(jié)構(gòu)，外形為球形，外圍由裝飾性鋼結(jié)構(gòu)花瓣包圍。花瓣為空間異形雙曲圓管結(jié)構(gòu)，由內(nèi)瓣、中瓣、外瓣構(gòu)成。最大單體花瓣最高點標(biāo)高為43.000m，管徑為1.4m，單片花瓣最大跨度約為58m。國際會議中心整體效果如圖1所示。

圖1 國際會議中心效果

2 工程特點及難點分析

1)花瓣主邊框和密肋為空間異形雙曲彎扭圓管構(gòu)件，形狀為不規(guī)則的樣條曲線，且最大管徑為1.4m，吊裝難度大。

2)本工程為裝飾性鋼結(jié)構(gòu)花瓣，結(jié)構(gòu)外觀質(zhì)量要求較高，構(gòu)件管口對接精度要求精確，吊裝時高空測量定位和校正難度大。

3)單片花瓣主邊框最大跨度約為58m，最高點標(biāo)高約為43.000m，需合理劃分吊裝單元分段、確定吊裝順序，設(shè)置合理的構(gòu)件吊點位置，嚴(yán)格控制構(gòu)件吊裝過程中的變形。

3 吊裝技術(shù)

3.1 吊裝方案

根據(jù)花瓣結(jié)構(gòu)形式和現(xiàn)場施工條件，主邊框在地面拼裝成分段單元模塊，采用三點吊裝；密肋為細(xì)長豎向構(gòu)件，呈C形或S形曲線，在地面拼裝成整根構(gòu)件，采用單點吊裝。

3.2 吊點設(shè)置

構(gòu)件吊裝時，其重心位置關(guān)系到吊點設(shè)置。空間異形結(jié)構(gòu)重心一般不在結(jié)構(gòu)內(nèi)部，利用傳統(tǒng)經(jīng)驗很難確定重心位置。借助CAD繪圖軟件，建立吊裝單元模塊的三維實體模型，通過工具查詢質(zhì)量特性命令，查出單元模塊質(zhì)心坐標(biāo)點，在所建立的三維實體模型中輸入質(zhì)心坐標(biāo)，找到構(gòu)件重心位置[2]，如圖2所示。確定吊裝單元模塊重心后，在其安裝姿態(tài)俯視圖狀態(tài)下，沿重心點垂直于桿件做剖切面，將該圓管剖切截面最高點設(shè)置為吊點，以構(gòu)件重心為圓心畫圓，沿該圓與鋼管中心線2個交點的切線分別做鋼管剖切面，同樣將剖切面最高點設(shè)置為吊點，確保3個吊點分布在重心兩側(cè)，吊裝時有利于單元模塊平衡[3]。

圖2 單元模塊重心、吊點示意

密肋構(gòu)件同樣通過先建立CAD三維實體模型，通過查詢質(zhì)心方式找出構(gòu)件重心，在吊裝姿態(tài)下，沿重心做垂線，與密肋上口位置交點即為桿件吊點位置，如圖3所示。

圖3 密肋吊點示意

3.3 吊索具選擇

選擇吊索具的難點和重點為確定吊裝鋼絲繩長度，保證構(gòu)件起吊后的姿態(tài)即為安裝姿態(tài)，且起重機(jī)鉤頭和構(gòu)件重心在1條垂線上。在CAD三維模型中，吊裝單元模塊在吊裝姿態(tài)下，通過重心點畫1條垂直線，在此垂直線上設(shè)置1個滿足起吊高度的起重機(jī)鉤頭位置，以鉤頭位置為起點，分別與吊點連接畫直線段，同時要保證直線段與水平面夾角滿足吊裝要求，測量得出每條直線段長度，再減去所用卸扣尺寸即為鋼絲繩長度[4]，如圖4所示。根據(jù)吊裝單元模塊質(zhì)量及吊裝鋼絲繩夾角可計算得到每個吊耳和鋼絲繩分擔(dān)的力。依據(jù)GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》，根據(jù)該吊點受力選擇合適的吊耳尺寸，此外，需對吊耳抗拉、抗剪強(qiáng)度進(jìn)行驗算。鋼絲繩和卸扣規(guī)格型號可根據(jù)其受力并查詢國家標(biāo)準(zhǔn)GB 8918—2006《重要用途鋼絲繩》、GB/T 25854—2010《一般起重用D形和弓形鍛造卸扣》來確定。

圖4 吊裝鋼絲繩長度示意

3.4 吊裝定位

花瓣主邊框吊裝單元模塊高空安裝時設(shè)置臨時支撐胎架，胎架支撐點與吊裝單元模塊重心盡量在1條直線上或在重心兩側(cè)，有利于構(gòu)件整體穩(wěn)定[5]，如圖5所示。主邊框高空定位主要是控制構(gòu)件管口中心點和胎架頂部支撐點坐標(biāo)，來保證構(gòu)件對接口精度和主邊框線形，胎架頂部需提前做好構(gòu)件就位標(biāo)高控制點[6]。花瓣主邊框吊裝單元模塊采用三點吊裝，將其中2個吊點的鋼絲繩設(shè)置成倒鏈可調(diào)節(jié)形式，吊裝單元脫離地面拼裝胎架后，復(fù)核其尺寸，無誤后通過倒鏈調(diào)整其在吊裝姿態(tài)下兩端管口下口點的高低差，以確保在地面基本將吊裝單元調(diào)整到安裝姿態(tài)[7]，如圖6所示。構(gòu)件高空就位后，采用全站儀測量管口中心點坐標(biāo)，用于校正調(diào)整，如存在位置偏差，通過倒鏈進(jìn)行細(xì)微調(diào)整，調(diào)整完成后，及時復(fù)測管口定位坐標(biāo)，以確保后續(xù)安裝構(gòu)件對接精度。

圖5 主邊框臨時支撐胎架示意

圖6 主邊框管口高低差示意

花瓣密肋為豎向安裝構(gòu)件，上部與主邊框相貫連接，下部與預(yù)埋在混凝土中的平板埋件連接。密肋與主邊框相貫的定位點在主邊框加工制作時提前做出定位標(biāo)識，如圖7所示。主邊框在地面拼裝時，再次復(fù)核密肋點定位標(biāo)識，如有誤差，及時調(diào)整。密肋與平板埋件連接的定位點在其安裝前測出鋼管定位外形輪廓線，此時，密肋通過上、下2個定位點可進(jìn)行初步吊裝就位。此外，在構(gòu)件統(tǒng)一安裝標(biāo)高處(如15m處)外側(cè)管壁做1個定位標(biāo)識點，用來調(diào)整構(gòu)件在空中的安裝姿態(tài)[8]，用全站儀測量該點坐標(biāo)，通過拉設(shè)纜風(fēng)繩調(diào)整，對密肋構(gòu)件進(jìn)行精確定位。

圖7 密肋安裝控制點示意

3.5 偏差分析

花瓣主邊框單元模塊高空定位和線形主要采用管口中心坐標(biāo)點和臨時支撐胎架進(jìn)行控制。構(gòu)件高空定位完成后，采用全站儀測量管口外徑任意3個點位坐標(biāo)和主邊框上預(yù)設(shè)密肋定位點坐標(biāo)，用于主邊框?qū)庸芸诤途€形的偏差分析[9]，如圖8所示。將現(xiàn)場實測的坐標(biāo)輸入至CAD三維模型中，即可分析得出構(gòu)件安裝偏差，可進(jìn)一步精確校正，同時也為密肋構(gòu)件的安裝定位提供依據(jù)。密肋構(gòu)件形狀為C形或 S形曲線，吊裝定位難度大。密肋構(gòu)件在地面拼裝完成后，在桿件上選擇1個固定標(biāo)高位置，畫出橫斷面線形，如圖9所示。密肋安裝定位完成后，采用全站儀測量桿件橫斷面線形上的任意3點坐標(biāo)，將實測坐標(biāo)輸入到CAD三維模型中，通過3點畫圓，將生成的圓與桿件原有的橫斷面線形對比，即可分析得出密肋構(gòu)件定位偏差[10]。

圖8 主邊框管口偏差分析控制點示意

圖9 密肋構(gòu)件偏差分析控制點示意

4 結(jié)語

借助CAD繪圖軟件，建立吊裝單元三維實體模型，通過查詢質(zhì)心，可方便、準(zhǔn)確地獲得異形不規(guī)則構(gòu)件重心位置，根據(jù)構(gòu)件重心位置，準(zhǔn)確確定構(gòu)件合理吊點位置、吊裝鋼絲繩長度。構(gòu)件高空定位時，通過布置臨時支撐胎架，控制胎架頂部支撐點和管口中心點坐標(biāo)，很好地保證了構(gòu)件安裝線形姿態(tài)和管口對接精度，現(xiàn)場施工效果良好。