蘇　鎧　王加林　楊國勇

南寧萬達茂大跨度弧形倒三角管桁架施工方案比選及優(yōu)化

蘇鎧王加林楊國勇

本文通過對南寧萬達茂大跨度弧形倒三角管桁架的幾種施工方案進行比選，考慮工程結(jié)構(gòu)特點、施工技術(shù)特點、經(jīng)濟合理性、工期要求、各專業(yè)交叉配合等因素，詳細地說明了該工程施工方案的提出、分析、優(yōu)化的過程，充分保證了工程施工的質(zhì)量與安全，為后續(xù)相似類型的建筑施工提供了有利的參考。

大跨度管桁架；方案比選；優(yōu)化

1　工程概況

1.1建筑概況

南寧萬達茂項目位于南寧市五象新區(qū)，建成后將成為全球首個全天侯、全室內(nèi)、全齡段、全家庭的主題樂園，為世界游客奉上一個“上下5000年桂文化”為內(nèi)涵的超級玩具，從民俗民風、遠古傳說、歷史古跡、少數(shù)民族元素等廣西文化精粹中讓世界重新認識南寧，南寧萬達茂主題樂園建筑面積15.6萬m2，占地面積14.6萬m2，其中樂園屋蓋主要為空間鋼管桁架體系，外觀獨特，造型新穎，如孔雀開屏，如圖1所示。

1.2結(jié)構(gòu)概況

主題樂園地上外圍結(jié)構(gòu)包括鋼結(jié)構(gòu)屋蓋，周邊環(huán)桁架，內(nèi)部兩根鋼管-混凝土柱，周邊混凝土結(jié)構(gòu)支撐柱組成，其中屋蓋部分為鋼管桁架體系，投影面積約2.5萬m2。主要由一榀縱向主桁架及11榀橫向次桁架組成，屋蓋鋼結(jié)構(gòu)底部標高24.1m，頂部最高約33.58m，為中間凸起四周回落的弧形造型，屋蓋縱向最大跨度165.2m、橫向最大跨度148.5m，總用鋼量約3600t。如圖2所示。

圖1　南寧萬達茂建筑效果圖

圖2　主題樂園結(jié)構(gòu)效果圖

屋蓋主次桁架均為倒三角管桁架形式，主桁架最高約9m、寬6m，總重約428t；次桁架最高約9m、寬5m，單榀最重約120t。次桁架頂部之間使用十字撐等拉桿連接固定。懸挑桁架懸挑約10m。主次桁架整體為弧形的倒三角圓鋼管桁架。桁架桿件截面尺寸最大為P1050×56mm，為主桁架下弦桿。大跨度倒三角管桁架是本項目一大特色，桁架的施工質(zhì)量將直接影響本項目的外觀形象。

圖3　倒三角管桁架結(jié)構(gòu)效果圖

2　施工重點、難點

2.1管桁架的現(xiàn)場拼裝、安裝

管桁架結(jié)構(gòu)“分段長、桿件多、規(guī)格大”，而且現(xiàn)場地面自然形成，條件復雜，積土水坑密集，樂園內(nèi)地面南北高差達到10m，給拼裝的操作性、拼裝的穩(wěn)定精確度增加了難度。同時，桁架“安裝位置高、構(gòu)件重、跨度長”，主桁架長度達到165.2m，重達428t，次桁架長度達到148.5m，施工方法的合理性也直接影響了工程質(zhì)量、施工進度、作業(yè)安全性及施工成本。如圖4所示。

圖4　桁架定制拼裝胎架圖

2.2管桁架的施工精度控制

管桁架施工精度主要從拼裝精度和安裝精度兩個方面控制，本工程的屋蓋桁架為主要受力單元，且為倒三角弧形桁架，管桁架縱、橫向縱向跨度大，牽一發(fā)而動全身，管桁架中每個節(jié)點都能影響到整榀桁架的安裝質(zhì)量，且樂園內(nèi)將安裝移動觀光熱氣球，將在桁架下弦桿安裝動荷載軌道，為了確保移動熱氣球移動安全可靠，在移動的時候不會與室內(nèi)其他娛樂設(shè)施相碰撞，要求動荷載軌道的誤差在5 mm之內(nèi)，所以確定管桁架的弧形預起拱值，控制管桁架的拼裝、安裝的精度是本項目的重點難點。

2.3管桁架安全性的計算和監(jiān)測

管桁架在拼裝、吊裝、卸載等情況下的受力狀況均與完工狀態(tài)有較大差別，要求對各過程中各階段進行結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、穩(wěn)定性、位移量做理論計算以確保整個安裝過程的結(jié)構(gòu)安全性，及安裝的準確性。同時需同步進行現(xiàn)場監(jiān)測工作，設(shè)置數(shù)據(jù)報警，以確保結(jié)構(gòu)安全，監(jiān)測過程中管桁架的反力及變形情況至關(guān)重要，也是施工中的重點。

3　吊裝方案的選擇

主題樂園屋蓋荷載通過主次桁架及環(huán)桁架傳遞至周邊的混凝土結(jié)構(gòu)支撐柱和樂園中部的兩根鋼管混凝土柱上，再向下傳遞至基礎(chǔ)，整個結(jié)構(gòu)的傳力路徑清晰，因現(xiàn)場的混凝土部分結(jié)構(gòu)已提前施工完成，所以桁架的施工方案可考慮累積滑移法、分段吊裝法及整段吊裝法。

3.1方案一累積滑移法

沿主桁架及混凝土結(jié)構(gòu)支撐柱頂支座由南向北設(shè)置三條滑移軌道，中間的滑移軌道設(shè)置大量的軌道支撐。在滑移軌道南端端部設(shè)置拼裝支架及拼裝平臺。采用兩臺150t履帶吊作為吊裝的主要起重機械。主次桁架在南端地面拼裝成段，采用兩臺150t履帶吊吊裝到南側(cè)滑移平臺上組拼成主次桁架滑移單元由南向北進行累計滑移。如圖5所示，該方法：

3.1.1優(yōu)點：大部分拼裝作業(yè)在在場外進行，受內(nèi)部混凝土結(jié)構(gòu)和拼裝場地影響小，施工速度快。

3.1.2缺點：使用設(shè)備機械較多，準備累計滑移周期較長，不利于施工進度。而且累計滑移受力復雜，頂進控制難度大，安裝技術(shù)要求高。

圖5　累積滑移法示意圖

3.2方案二分段吊裝法

分段吊裝法進行安裝主要是對主次桁架結(jié)構(gòu)進行分段，將主桁架兩個邊跨整段吊裝，中間跨分為兩段，共四個吊裝單元，僅主次桁架中間跨分段位置在吊裝時搭設(shè)臨時支撐；使用雙機抬吊的方法進行吊裝主桁架，將主桁架一側(cè)長度為80m的半榀次桁架分成兩段，11榀次桁架共44個吊裝單元，在80m的次桁架中間設(shè)置格構(gòu)式臨時支撐作為支撐體系，桁架及桁架間的系桿檁條次序安裝。次桁架分成兩段后單機吊裝重量約35t，采用兩臺150t的履帶吊自北向南依次進行吊裝。該方法：

3.2.1優(yōu)點：機械型號小，機械費用低，對稱施工，有利于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和結(jié)構(gòu)受力；

3.2.2缺點：機械多，格構(gòu)式臨時支撐多，人力物力投入量大，場地規(guī)劃相對較復雜。如圖6所示。

圖6　分段吊裝法示意圖

3.3方案三整段吊裝法

主桁架吊裝方法與方案二分段吊裝法相同，使用雙機抬吊吊裝；由于次桁架橫跨整個屋蓋長度大，其一端布置在側(cè)面混凝土柱頂?shù)闹ё?，另一端布置在主桁架上，一榀次桁架整段自然分段成兩段，?2個吊次桁架，一個吊裝單元重量約60t，長度80m，安裝時采用300t履帶吊單機整段吊裝，一側(cè)一臺，可以保證單段次桁架整體一次吊裝到位，吊裝順序為自北向南依次吊裝，在場內(nèi)南側(cè)設(shè)置6個拼裝胎架，履帶吊在南側(cè)拼裝胎架將80m次桁架吊起，保持次桁架離地面300mm左右，向北轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移至桁架安裝位置時，履帶吊旋轉(zhuǎn)次桁架，后向上抬高次桁架，安裝就位。履帶吊由南向北安裝次桁架，頻繁倒場。如圖7所示，該方法：

圖7　整段吊裝法示意圖

3.3.1優(yōu)點：機械數(shù)量少，格構(gòu)式臨時支撐少，減少了高空焊接工作量。利于穩(wěn)定和結(jié)構(gòu)受力，卸載方案簡單，場地規(guī)劃簡單，工期最快，人員投入較少；

3.3.2缺點：機械噸位大，且需頻繁轉(zhuǎn)場，組織難度大，不利于場地規(guī)劃和布置，單個拼裝單元長度長，對施工安全協(xié)作要求高，吊裝易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)變形。

我們從方案的技術(shù)特點、經(jīng)濟性、工期進行分析，側(cè)重考慮主題樂園施工工期和施工成本，最終選定了第三種方案。

4　管桁架現(xiàn)場安裝技術(shù)優(yōu)化

4.1場地布置

主題樂園場內(nèi)無地下室，南側(cè)填土較厚，在南側(cè)場內(nèi)具體地基處理為樁徑600mm、樁距1.6m的正三角布置水泥攪拌樁，北側(cè)場地新填土厚度較薄，南北土層高差達到10m，根據(jù)施工方案主題樂園場內(nèi)有300t大型履帶吊吊裝作業(yè)，而且需要布置6個桁架拼裝胎架，為了滿足現(xiàn)場吊裝安全和拼裝精度的要求，我們在場內(nèi)使用挖土機及壓路機挖平、壓實路面，達到場內(nèi)無積水、南北高差不大于2m，東西高差不大于1m。

現(xiàn)場布置應滿足方便運輸，便于構(gòu)件卸貨，并且對其他相關(guān)施工影響小。由于本工程右側(cè)與上側(cè)均與其他混凝土結(jié)構(gòu)相連，其施工應結(jié)合混凝土施工的具體情況，因此在這兩側(cè)不便于布置構(gòu)件堆場和拼裝場地，同時在構(gòu)件吊裝的早期，可以根據(jù)需要在內(nèi)部設(shè)置臨時拼裝場地，以減少構(gòu)件的二次搬運，在場內(nèi)沿著吊裝桁架方向平行設(shè)置四條吊車通道，主桁架兩側(cè)各設(shè)置兩條。在吊裝過程中選擇兩臺300t履帶吊分別布置在主桁架兩側(cè)進行安裝。履帶吊行走地面鋪設(shè)了30mm碎石墊層，并墊上路基箱，拼裝場地鋪設(shè)了15mm碎石墊層。如圖8所示。

圖8　整段吊裝法示意圖

4.2大跨度倒三角桁架的拼裝

4.2.1拼裝胎架的設(shè)置

拼裝思路：主桁架高11m，寬6m；次桁架高約11m，寬5m。為保證安裝精度，采取地面搭設(shè)胎架拼裝平臺等高搭設(shè)作業(yè)，地面胎架使用H400×200×8×13型鋼作為底梁，H200×200×8×14作為主支撐立桿（節(jié)點位置），C10作為次支撐構(gòu)件，材質(zhì)為Q235在地面使用25t汽車吊配合胎架、構(gòu)件就位，分段桁架拼裝完成后焊接，后整體履帶吊吊裝，搭設(shè)方式為如下（以主桁架搭設(shè)為例）：

圖9　拼裝胎架

4.2.2桁架拼裝“三點一線”原理

轉(zhuǎn)換外側(cè)木楔子固定為內(nèi)側(cè)固定，起拱弦桿安裝以緊靠胎架定位立桿定位，保證弦桿起拱方向正確。

由于拼裝胎架內(nèi)側(cè)限位立桿采用10號槽鋼，定位立桿為200×200×12×8的工字鋼，相對于槽鋼而言，工字鋼截面大，而且剛度大，在拼裝過程中，由于腹桿與弦桿是相貫口配合安裝，在弦桿安裝定位完成后，安裝水平腹桿，需要用撬棍敲擊定位水平腹桿，因此定位立桿剛度不足會對弦桿定位產(chǎn)生大的影響。對于弦桿內(nèi)側(cè)定位改為外側(cè)定位，內(nèi)側(cè)用木楔子進行限位固定。

圖10　現(xiàn)場內(nèi)側(cè)用木楔子固定

管桁架在制作安裝前進行受力驗算，桁架下弦桿在制作時按照設(shè)計給出的進行起拱，對于大跨度桁架而言，起拱弧度在現(xiàn)場一般是無法用人眼觀察的，對此在安裝時確定安裝弧度正確，是非常重要的。

拼裝胎架如圖11所示，胎架下弦左側(cè)均為定位立桿，且保證所有定位立桿均在左側(cè)，右側(cè)立桿為限位立桿，所有下弦定位立桿在同一直線；在安裝起拱弦桿時，采用“三點一線”的原理，如若下弦桿安裝起拱方向錯誤，直接導致胎架定位立桿與桁架下弦桿之間存在間隙，對此現(xiàn)場直接可以觀察此部分間隙來判斷弦桿安裝是否正確，對于現(xiàn)場施工來說，大大提高了拼裝速度與質(zhì)量。

上弦桿拼裝同樣利用此原理來拼裝，由于下弦桿有設(shè)計弧度，因此采取上弦外側(cè)定位，內(nèi)側(cè)使用木楔子限位，在拼裝過程中，實時控制胎架精度，就可以完全清楚的控制弦桿安裝精度，進而控制桁架拼裝精度。用胎架定位立桿來限制上下弦桿的起拱方向?qū)τ诖罂缍辱旒芷囱b精度起到良好的作用，并且得到專家的一致認可。

圖11　現(xiàn)場內(nèi)側(cè)用木楔子固定

圖12　胎架驗算圖

4.2.3桁架拼裝的穩(wěn)定性計算

根據(jù)支撐設(shè)計圖將支撐結(jié)構(gòu)建立MIDAS GEN 模型，并采用有限元分析軟件MIDAS 8.35進行分析，通過模擬拼裝胎架受力，計算得出格構(gòu)柱支撐設(shè)計結(jié)構(gòu)簡圖、最大應力、變形值，進行驗算，并進行更改胎架最合適的材料規(guī)格。使用兩節(jié)點的桿件單元，兩節(jié)點為剛接來建立有限元模型，拼裝鋼梁與地面連接節(jié)點為剛性邊界條件，拼裝胎架與桁架連接節(jié)點設(shè)置為鉸接。

根據(jù)有限元分析計算分析調(diào)整后，驗算結(jié)果最大位移為2.17mm，項目22段拼裝次桁架進行測量、分析、統(tǒng)計，得出每段變形參數(shù)最大值與模擬分析結(jié)果基本一致。如圖13所示。

圖13　提升連廊監(jiān)測點變形值

4.3大跨度倒三角桁架的吊裝

大跨度倒三角桁架吊裝是一個動態(tài)的過程，與成型后的受力狀態(tài)不同，吊裝體系在外界荷載作用下為幾何可動體系。對本工程，由于倒三角桁架跨度大、自重大，吊裝過程復雜，單機一次性吊裝一個桁架單元，跨度達到80m，在全國范圍來說，十分罕見，在吊裝過程中應重點考慮：①吊點位置的選擇②吊裝的穩(wěn)定性計算③吊裝吊耳及鋼絲繩的選擇。

4.3.1吊點位置的選擇

吊點的位置主要根據(jù)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的形式和重心，吊裝過程中多采用4點或6點的吊裝點，并在起吊過程中要保證結(jié)構(gòu)在自重作用下保持平衡，考慮吊裝過程中的穩(wěn)定性，一般吊繩與被吊構(gòu)件存在一定夾角，且吊裝夾角以45°為最佳。

圖14　兩種方案的變形示意圖

表1　最大位移比

表2　最大內(nèi)力及穩(wěn)定驗算對比表

本項目中為保證吊裝桁架的強度及平面內(nèi)、外穩(wěn)定均滿足規(guī)范要求，使用midas對桁架進行建模，吊裝模擬分別為：①一段80m的桁架4個吊點吊裝②一段80m的桁架6個吊點吊裝。利用midas gen建模計算得出兩種方案的的變形，如圖14所示。

通過midas gen分析，兩種方案中單元節(jié)點不同方向的最大位移如表1所示。

桁架的擾度容許值為≤L/400，該工程單機吊裝桁架最大跨度為80m，則擾度值為200mm，由表可以看出，兩個方案均滿足要求，但是在Y方向，方案2弦桿變形值較大，在起吊時，桿件會發(fā)生平面外失穩(wěn)現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)不安全，而方案1在起吊下均沒有桿件超應力和失穩(wěn)。

4.3.2最大內(nèi)力及穩(wěn)定驗算對比（見表2）

由以上驗算可知桁架結(jié)構(gòu)本身在方案1情況下起吊下均沒有桿件超應力及失穩(wěn)，結(jié)構(gòu)安全，但是在方案2的情況下起吊，桿件會發(fā)生平面外失穩(wěn)現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)不安全。

4.3.3鋼絲繩的選擇

鋼絲繩最小破斷拉力計算公式：

反算直徑公式為：

式中：F0-鋼絲繩最小破斷拉力，KN；D -鋼絲繩公稱直徑，mm；R -鋼絲繩公稱抗拉強度；Mpa；K' -最小破斷拉力系數(shù)。

本工程主要采用6×7、6×19、6×37三種型號鋼絲繩，最小破斷拉力系數(shù)分別為0.359、0.356、0.356，抗拉強度均取1570Mpa。

由鋼結(jié)構(gòu)分段重量以及鋼梁等輕型構(gòu)件重量，按照40-72t以及四個吊點兩股鋼絲繩參與受力原則選取鋼絲繩型號。

最大重量單個桁架吊裝單元考慮為60t，單股受力180KN，安全系數(shù)取6，則單股受力1080KN。該重量段采用6×37型號鋼絲繩。

將單股受力代入公式得所需鋼絲繩直徑不小于43.96mm

圖15　現(xiàn)場內(nèi)側(cè)用木楔子固定

圖16　應力檢測器示意圖

由地上鋼結(jié)構(gòu)工程量和以上分析，秉著經(jīng)濟性原則，該重量段吊裝選取直徑為46mm，抗拉強度為1570Mpa，型號為6×37的鋼絲繩。

4.3.4捆綁吊裝

原吊裝方式為在桁架上弦桿焊接吊耳進行安裝，根據(jù)吊點模擬驗算計算書，若采用吊裝吊裝，對吊耳的規(guī)格和吊耳與桁架上弦桿之間的焊縫要求特別高，且桁架容易產(chǎn)生變形，所以桁架采用鋼絲繩捆綁式吊裝，使用長度均在20m左右的50號鋼絲繩長度，后配合使用50t手拉倒鏈進行調(diào)整桁架吊裝角度。

4.4桁架安裝的應力應變監(jiān)測

大跨度弧形倒三角管桁架的施工工藝復雜、施工環(huán)境（溫度、風環(huán)境等因素）多變，導致施工過程結(jié)構(gòu)體系連續(xù)變化，同時單機吊裝80m長、60t重大跨度桁架的工作狀態(tài)不斷處于調(diào)控之中，整體結(jié)構(gòu)的應力及變形過程處于時變之中。因此，吊裝施工過程中，為了考察施工過程中結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力變化規(guī)律，在對結(jié)構(gòu)進行施工全過程結(jié)構(gòu)性能仿真計算的同時，必須在深入分析對結(jié)構(gòu)成型狀態(tài)內(nèi)力和變形的影響因素后，制定科學可行的施工控制方案，并對施工過程的內(nèi)力和變形進行監(jiān)測，確保結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形在施工過程中始終處于受控狀態(tài)。

因此，結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)對整個吊裝過程中結(jié)構(gòu)主體變形、受力部位應變、溫度、風力進行全面監(jiān)測十分必要，選擇主桁架的上弦桿、下弦桿、腹桿作為應力監(jiān)測構(gòu)件，共11個監(jiān)測點，現(xiàn)場監(jiān)測如圖16所示。

5　結(jié)語

本文詳細介紹了南寧萬達茂大跨度桁架施工中，弧形倒三角管桁架施工的三個方案選擇的具體過程，綜合對比后，選擇了桁架整段吊裝法，并對管桁架現(xiàn)場安裝技術(shù)措施進行優(yōu)化，確保施工質(zhì)量和施工安全，提高了施工效率 。

同時大跨度弧形倒三角桁架吊裝是一個動態(tài)的過程，吊裝過程復雜，并且單機吊裝桁架跨度達到80m，本文通過有限元軟件分析，選定了最佳的吊點方案，并利用現(xiàn)場應力應變監(jiān)測，成功完成了桁架的吊裝。

項目以本工程鋼結(jié)構(gòu)高質(zhì)量的完成安裝為契機找出一條解決類似工程施工難題的安裝方法，為類似工程鋼結(jié)構(gòu)安裝提供施工經(jīng)驗，培養(yǎng)鍛煉一批有技術(shù)與管理能力的人才、為今后市場開拓和企業(yè)發(fā)展儲備資源。

（作者單位：中國建筑第二工程局有限公司深圳分公司）

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1671-3362(2016)11-0062-06