一種非連續(xù)的正交斜放管桁架結(jié)構(gòu)錯層提升施工技術(shù)分析

王志興 鄭禮剛 晉 浩 武國健 曹晉銘

0 引言

瀟河國際會展中心中間組團(tuán)項(xiàng)目屋蓋結(jié)構(gòu)中部下凹，四角上翹且四邊不等高，屬于一種凹曲屋面結(jié)構(gòu)，屬于正交斜放空間管桁架結(jié)構(gòu)，分四個(gè)角頂、十字交通走廊玻璃頂、中心圓頂三部分，每個(gè)角頂鋼桁架投影面積為6 575m，角頂斜向桁架最大跨度達(dá)88.7m，主受力體系為正交斜放的管桁架結(jié)構(gòu)體系，在中部天窗位置一個(gè)方向的桁架斷開，僅有一個(gè)方向的桁架連續(xù)，所以暫且把這種結(jié)構(gòu)類型稱作“一種非連續(xù)的正交斜放管桁架結(jié)構(gòu)”。屋蓋軸側(cè)圖如圖1 所示。

圖1 屋蓋軸側(cè)圖

1 施工整體方案選擇分析

由于大跨度空間結(jié)構(gòu)具有跨度大、構(gòu)件多、空間形式復(fù)雜等特點(diǎn)，因此施工安裝過程有許多難點(diǎn)，如：安裝高度較高，構(gòu)件尺寸大，縱橫交錯，焊接工作量大，節(jié)點(diǎn)復(fù)雜等，因此選擇合理的施工方法并制定嚴(yán)密的施工方案就顯得至關(guān)重要。目前，大跨度空間結(jié)構(gòu)的施工安裝方法可大致分為兩大類，一類是先在地面完成大部分桿件的拼裝，以減少高空作業(yè)量；另一類則是直接在高空完成拼裝。具體包括：高空散裝法、高空滑移法、分條或分塊安裝法、整體吊裝法、頂升和提升法等。通過對現(xiàn)場工況分析和施工全過程進(jìn)行模擬分析選擇大跨度空間結(jié)構(gòu)施工技術(shù)十分必要，且可以為實(shí)際工程的施工提供指導(dǎo)。下邊以瀟河國際會展中心中間組團(tuán)項(xiàng)目為案例進(jìn)行分析。

1.1 施工現(xiàn)場分析

如圖2，鋼結(jié)構(gòu)工程施工貫穿土建和屋面施工，鋼結(jié)構(gòu)施工范圍廣、時(shí)間長，與土建、屋面等單位存在大量的交叉作業(yè)，土建施工區(qū)域占據(jù)了整個(gè)區(qū)域周邊，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)施工場地狹小，只有樓面工作面區(qū)域，所以把樓面作為拼裝場地，在樓面拼裝時(shí)，根據(jù)樓面承載力要求，采用塔吊和小噸位汽車吊上樓面進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)拼裝。

圖2 施工場地平面圖

高空拼裝需要搭設(shè)較大規(guī)模的拼裝支撐架，占用場地大，不適合本項(xiàng)目；高空滑移法需要樓面外拼裝場地?zé)o法提供，且根據(jù)本項(xiàng)目為非連續(xù)的正交斜放管桁架結(jié)構(gòu)形式，各榀桁架的布局并不完全一致或?qū)ΨQ，標(biāo)高也不盡相同，且不具備設(shè)置平行滑軌的理想條件，故不宜采用高空滑移法施工；高空拼裝高空散裝法、分條或分塊安裝法、整體吊裝法在本工程只能在樓面外圍采用大噸位汽車吊進(jìn)行安裝，但與土建存在交叉作業(yè)，管理難度大，所以也不適合本項(xiàng)目；提升法與頂升法可以在地面完成檁條等附屬結(jié)構(gòu)的安裝，然后隨桁架一起整體提升到位，其施工工藝很相似，主要的區(qū)別在于結(jié)構(gòu)與起重設(shè)備之間的相對位置關(guān)系，但頂升法存在一定的不足，頂升設(shè)備及頂升支架在頂升過程中以受壓為主，為保證穩(wěn)定與安全，需要設(shè)置導(dǎo)向措施，以免結(jié)構(gòu)在頂升過程中發(fā)生較大側(cè)移。而提升法施工可避免此類問題，且液壓提升設(shè)備具有單向自鎖功能和其他安全保障措施，具有相對更高的可靠性。綜上，根據(jù)本工程屋蓋空間拱桁架結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，結(jié)合工程實(shí)際情況和施工現(xiàn)場的條件，衡量各施工方法的利弊，本項(xiàng)目采用提升法完成大跨度拱桁架結(jié)構(gòu)的安裝施工，以保證施工安全和質(zhì)量的前提下，能較好地控制施工成本和工期。

1.2 樓面標(biāo)高分析

如圖3、4，由于屋蓋下部土建樓層不是同一標(biāo)高，無法將屋蓋進(jìn)行整體拼裝，所以需要將屋蓋分成若干部分在不同的樓層上進(jìn)行拼裝和采用錯層提升施工的方式進(jìn)行安裝。A 區(qū)、B區(qū)在8.3 樓板處，有設(shè)備夾層，所以在提升完畢后再進(jìn)行安裝，C 區(qū)、D 區(qū)存在-0.1m、8.3m、12.5m 三個(gè)樓層，為此，根據(jù)下部樓面標(biāo)高及位置進(jìn)行分區(qū)，各分區(qū)單獨(dú)進(jìn)行樓面拼裝和錯層提升的施工方法，錯層提升到位后增補(bǔ)嵌補(bǔ)桿件形成整體屋蓋結(jié)構(gòu)。屋蓋結(jié)構(gòu)可在適應(yīng)樓板面進(jìn)行拼裝，根據(jù)屋蓋桁架平面投影所處樓層，進(jìn)行相應(yīng)的桁架拼裝，即先考慮最高層樓板拼裝，最高層未能拼裝時(shí)可在下層樓板拼裝，各樓層拼裝完成后，從最底層樓板依次提升，每提升到一層可進(jìn)行本層嵌補(bǔ)合攏，實(shí)現(xiàn)累積提升連接為整體后一起提升至設(shè)計(jì)標(biāo)高，實(shí)現(xiàn)在各樓層同步進(jìn)行拼裝，提高生產(chǎn)效率，減少了胎架拼裝高度，有效地縮短工期，所以本項(xiàng)目采用“錯層累計(jì)提升+懸吊區(qū)域樓面原位高空分片吊裝”樓面拼裝的方法。

圖3 A/B 區(qū)樓板標(biāo)高圖

圖4 C/D 區(qū)樓板標(biāo)高圖

2 錯層提升吊點(diǎn)分析

根據(jù)第一節(jié)分析，如圖5，C-2 區(qū)在8.300m 標(biāo)高拼裝后，提升至12.500m 樓面，與C-1 區(qū)連成整體后一同提升至設(shè)計(jì)位置；C-3 區(qū)在-0.100m 標(biāo)高拼裝，整體提升至設(shè)計(jì)位置，最后進(jìn)行各分區(qū)之間嵌補(bǔ)桿裝配焊接。但由于本結(jié)構(gòu)屬于非連續(xù)正交斜放管桁架結(jié)構(gòu)，所以提升前必須合理選擇提升吊點(diǎn)，不然會出現(xiàn)局部桿件受力過大的現(xiàn)象；選取吊點(diǎn)原則應(yīng)盡量利用原鋼柱作為提升吊點(diǎn)，保證桁架在提升過程中桿件應(yīng)力和變形在可控范圍內(nèi)和各分區(qū)之間變形協(xié)調(diào)。

圖5 分區(qū)吊點(diǎn)布置圖

2.1 吊點(diǎn)設(shè)置分析

如圖5，本工程桁架正交斜放管桁架，整體受力最大點(diǎn)位置在C1、C5、C7、C10，所以在C-2 區(qū)和C-1 區(qū)整體提升時(shí)考慮為提升吊點(diǎn)；整個(gè)桁架變形處于斜向桁架最大跨度中間C9 處，所以為了防止變形過大和邊緣構(gòu)件變形均勻性，將C9 作為提升吊點(diǎn)；C2 點(diǎn)設(shè)置保證了C-2 區(qū)和C-1 區(qū)整體提升均勻性與C2點(diǎn)進(jìn)行對稱布置，C8 點(diǎn)保證C-2 區(qū)提升均勻性與C7 點(diǎn)進(jìn)行對稱布置；C3、C6 點(diǎn)設(shè)置保證C-2 區(qū)提升時(shí)邊緣構(gòu)件變形均勻性而設(shè)置吊點(diǎn)，C4、C5 點(diǎn)保證C-2 區(qū)和C-1 區(qū)整體提升緣構(gòu)件變形均勻性而設(shè)置吊點(diǎn)；其中C3 點(diǎn)在C-2 區(qū)提升到與C-1 區(qū)相連位置后，將提升力轉(zhuǎn)換到C4、C5 點(diǎn)后進(jìn)行拆除后再進(jìn)行C-2區(qū)和C-1 區(qū)整體提升；C-3 區(qū)單獨(dú)提升到設(shè)計(jì)標(biāo)高，所以根據(jù)滿足吊點(diǎn)設(shè)置原則設(shè)置了C11 到C15 五個(gè)吊點(diǎn)。

2.2 下吊點(diǎn)特點(diǎn)分析

正交斜放桁架下吊點(diǎn)設(shè)置比較復(fù)雜，常規(guī)正交正放的桁架，吊點(diǎn)一般直接設(shè)置在主桁架的上弦桿上，但是這種正交斜放的桁架在柱頂支座位置有兩榀主桁架匯交，所以提升時(shí)，需要將兩榀桁架加固成整體進(jìn)行提升，具體做法如下，在兩榀桁架直接設(shè)置下吊點(diǎn)臨時(shí)桁架（桿1、2、3），由于兩榀主桁架和支座位置斷開后，不是完整的桁架結(jié)構(gòu)，所以需要在主桁架位置設(shè)置桿4、5 進(jìn)行加固，通過這種加固方式，將吊點(diǎn)荷載通過下吊點(diǎn)臨時(shí)桁架傳遞至兩榀主桁架，確保了提升過程安全性，如圖6 所示。

圖6 下吊點(diǎn)示意圖

3 施工模擬計(jì)算分析

3.1 錯層施工模擬

采用錯層提升施工方法，由于不是一次提升到位，所以提升過程中出現(xiàn)提升吊點(diǎn)轉(zhuǎn)換工況，針對這種工況，對分區(qū)錯層提升、合攏、卸載等各階段進(jìn)行仿真模擬分析，明確整個(gè)提升過程關(guān)鍵桿件控制點(diǎn)、精度控制點(diǎn)以及提升動態(tài)監(jiān)測點(diǎn)，從而可在事前進(jìn)行控制，保證施工質(zhì)量，其次提升模擬時(shí)采用非線性施工階段分析，考慮各區(qū)塊提升過程中的不同工況，應(yīng)力比計(jì)算的是各工況的包絡(luò)值，并且卸載模擬中的變形和應(yīng)力比是考慮了多次提升的變形及應(yīng)力疊加效應(yīng)，如圖7 所示，針對本項(xiàng)目采用SAP2000 對各階段提升變形值進(jìn)行模擬分析，了解各區(qū)域變形最大值后可進(jìn)行預(yù)起拱保證整個(gè)屋蓋結(jié)構(gòu)的精度，從圖7 步驟一到步驟五可以看出，桁架的豎向位移最大下?lián)蠟?5.5 mm，在規(guī)范要求范圍內(nèi)。其次分區(qū)錯層提升各桿件受力值進(jìn)行模擬，確定提升過程中應(yīng)力較大的桿件位置，對應(yīng)力大而存在風(fēng)險(xiǎn)的桿件進(jìn)行替換降低安全風(fēng)險(xiǎn)，從卸載完成后桿件應(yīng)力比云圖可看出，所有桿件應(yīng)力比小于0.65，滿足規(guī)范要求。

圖7 分區(qū)錯層施工模擬分析步驟表

3.2 下吊點(diǎn)分析

下吊點(diǎn)把兩榀桁架連起來做了一個(gè)吊點(diǎn)，屬于本次非連續(xù)的正交斜放管桁架結(jié)構(gòu)特殊吊點(diǎn)，必須滿足其安全性，因此通過計(jì)算模擬分析了解其安全性。本工程屋蓋提升下吊點(diǎn)采用吊具焊接在桁架上弦桿上，選取最大吊點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，本工程最大吊點(diǎn)荷載為800kN，荷載分項(xiàng)系數(shù)選取1.5，豎向荷載設(shè)計(jì)值為1.5×800=1 200kN，計(jì)算模擬見圖8。

圖8 提升下吊點(diǎn)有限元分析

局部最大應(yīng)力為239Mpa＜295MPa，最大變形為0.7mm，滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》要求。

4 結(jié)語

通過對瀟河國際會展中心中間組團(tuán)項(xiàng)目屋蓋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、施工現(xiàn)場、提升吊點(diǎn)精準(zhǔn)分析，合理確定采用錯層累計(jì)提升施工方案，并根據(jù)其非連續(xù)的正交斜放管桁架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)確定了各分區(qū)的提升吊點(diǎn)，最后根據(jù)施工模擬計(jì)算分析確定的變形值進(jìn)行預(yù)起拱，保證了屋蓋桁架精準(zhǔn)度。通過采用這些施工舉措滿足了分區(qū)錯層同步提升的技術(shù)要求，減少工人的高空作業(yè)量，安全性較好，同時(shí)大大縮短了工期。