陳建鋒 吳立標 藍宏宇 張芳旭 簡俊鑫

(中建鋼構(gòu)有限公司 廣東深圳 518040)

1 工程概況

該項目南北向建筑輪廓長143m，東西向長82m，建筑高度28m。鋼結(jié)構(gòu)平面及C型鋼柱分布如圖1所示。

室內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)采用“鋼柱+大跨度桁架”結(jié)構(gòu)形式。室外鋼結(jié)構(gòu)通過周圈設(shè)置的36榀尺寸漸變的C型鋼柱實現(xiàn)空間異形屋面的設(shè)計造型，其中最大的C型鋼柱造型尺寸為28m×28m。

建筑外立面采用PIP300×8的圓管組成的空間雙曲斜交網(wǎng)格，貼合并附著在36榀C型鋼柱外表面，從而使網(wǎng)格最大斜向懸挑達到28m。網(wǎng)格外立面如圖2所示。

圖2 雙曲網(wǎng)格外立面

2 結(jié)構(gòu)特點及施工難點

C型鋼柱位于垂直鋼柱外側(cè)，柱底通過銷軸節(jié)點與埋入式柱腳連接，柱頂以相貫節(jié)點形式連于垂直鋼柱柱頂，中間加設(shè)拉結(jié)鋼梁，加強與內(nèi)圈結(jié)構(gòu)的連接。

C型鋼柱截面為PIP600×16， 其每榀尺寸及彎曲線形均不相同，呈漸變過渡。最大單榀的頂點離地28m，斜向懸挑28m，如圖3所示。由于下方傾斜并懸空，因此安裝時不適合通過搭設(shè)臨時支撐措施來安裝。

圖3 鋼結(jié)構(gòu)縱向剖面

建筑外圍采用PIP300×8鋼管組成的菱形網(wǎng)格，共計2176個菱形及三角形，每個邊長尺寸均不相同。網(wǎng)格面為雙曲面，貼合在C型鋼柱外表，同樣為斜向懸挑。雙曲網(wǎng)格空間翻轉(zhuǎn)以及高空定位難度大，網(wǎng)格曲率及傾斜角度連續(xù)變化，因此加工、拼裝及安裝方法需綜合確定。

3 C型鋼柱安裝工藝及要點

3.1 施工方法概述

C型柱斜向懸挑，不便搭設(shè)臨時支撐，若采用分段吊裝、高空對接方法，則不利于作業(yè)安全保障以及空中對接的質(zhì)量管控。綜合考慮后，采取地面拼裝成大C型，而后使用雙機抬吊以及局部加強措施，實現(xiàn)高空無支撐安裝，吊裝實例如圖4所示。

圖4 C型鋼柱安裝實例

3.2 地面拼裝、起吊準備及防變形措施

地面布置水平胎架，將鋼柱拼成大C型，C型開口端使用手拉葫蘆及鋼絲繩連成柔性抗拉措施，可防止下一步空中翻身后產(chǎn)生的開口變形，同時也方便就位階段上下口的開口距離調(diào)整，如圖5所示[1]。

圖5 C型鋼柱地面拼裝

使用三維建模軟件查找C型鋼柱整體起吊時的重心位置，根據(jù)重心位置確定合理的起吊吊點位置并在地面拼裝時加焊兜帶防滑措施，如圖6所示。

圖6 C型鋼柱單元重心

3.3 起吊變形驗算

起吊狀態(tài)下，C型平面平行于地面；而吊裝就位狀態(tài)下，C型平面垂直于地面，故需使用計算軟件分別計算2種狀態(tài)下的應(yīng)力應(yīng)變值，確保方案可行。圖7為起吊狀態(tài)下(水平狀態(tài))的分析結(jié)果，此時柔性拉結(jié)無應(yīng)力，整體最大變形為44mm；圖8為就位狀態(tài)下(垂直狀態(tài))的分析結(jié)果，此時柔性拉結(jié)產(chǎn)生拉力，整體最大變形為56mm。

圖7 水平狀態(tài)有限元模型

圖8 垂直狀態(tài)有限元模型

從分析結(jié)果可以看出：C型鋼柱吊裝階段最大變形為56mm，出現(xiàn)在C型平面翻身完成后，位于C型開口端，即自由端；吊裝單元整體最大尺寸28m，允許變形L/400=70mm，滿足規(guī)范要求。

起吊最大應(yīng)力同樣出現(xiàn)在C型平面翻身完成后，位置在上排吊點附近，該位置單元應(yīng)力結(jié)果為86.41MPa，其小于鋼管母材345MPa，滿足規(guī)范要求。

C型開口處的柔性拉結(jié)措施的計算應(yīng)力為41.33kN，施工時采用10t手拉葫蘆，承載力100kN，滿足要求。

3.4 吊裝工況分析

選取最大C型柱作工況分析，單榀15t。吊機盡量靠近其安裝位置，使主吊機最終吊裝半徑為14m。

采用2臺100t汽車吊(配重32.5t)實現(xiàn)空中90°翻身，翻身完成后副吊機松鉤，由主吊機單獨施吊，分階段工況分析如圖9所示。

雙機抬吊階段，最不利情況下主吊機承擔所有重量，其14m半徑下額定吊重18.8t，雙機抬吊限重原則18.8×80%=15.04t>C型柱15t，吊重滿足要求。

單擊施吊階段，主吊機14m半徑下額定吊重18.8t>C型柱15t，吊重滿足要求。

圖9 C型柱吊裝工況

3.5 雙機抬吊空中翻身

起吊時，采用雙機抬吊方法，主吊機抬升C型柱上排吊點，輔助吊機配合抬升C型柱下排吊點，以免整體發(fā)生面外扭轉(zhuǎn)，兩臺吊機服從統(tǒng)一指揮，實現(xiàn)C型柱的空中90°翻身，如圖10所示。

圖10 C型鋼柱空中翻身

3.6 就位固定步驟

(1)C型鋼柱完成空中翻身后，緩慢靠近安裝位置，先安裝底部銷軸節(jié)點，如圖11所示。

圖11 銷軸節(jié)點安裝

(2)C型鋼柱下口固定后，將上部相貫口靠攏，利用鋼柱自重或手拉葫蘆來調(diào)整上口，合適后，進行相貫口的焊接加固。

(3)上下口均固定后，尚不能對C型柱進行整體松鉤，還需安裝結(jié)構(gòu)自身的拉結(jié)鋼梁，加強整體性，避免懸挑端下沉導(dǎo)致不可逆的變形。

3.7 防側(cè)向變形措施

(1)C型鋼柱空中翻身為關(guān)鍵步驟，由一名經(jīng)驗豐富的起重技師統(tǒng)一指令，指揮兩臺吊機相互配合，提上口的吊機為主吊機，提下口的吊機配合翻身。通過主次吊機的職責(zé)劃分與施工交底，能有效減少面外扭轉(zhuǎn)的變形量。

另外，安排1～2名專職技術(shù)質(zhì)量人員，觀測C型鋼柱是否發(fā)生面外扭曲，一旦發(fā)現(xiàn)明顯扭曲，立即叫停。

(2)C型柱就位并臨時固定后，通過拉結(jié)纜風(fēng)繩，配合特征點坐標測量，校正C型柱環(huán)向方向的轉(zhuǎn)角偏差，如圖12所示。

圖12 轉(zhuǎn)角偏差測量

(3)校正完成后，及時跟進原結(jié)構(gòu)環(huán)梁的安裝，使形成整體穩(wěn)定體系，如圖13所示。

圖13 環(huán)梁安裝及纜風(fēng)繩示意

3.8 其他注意事項

C型鋼柱底座銷軸節(jié)點的雙夾板，板厚40mm，施焊前需采用拉結(jié)加固措施進行臨時固定，避免焊接變形導(dǎo)致雙夾板上口張開，以致銷軸蓋板無法擰緊[2]。

4 雙曲網(wǎng)格安裝工藝

4.1 施工方法概述

網(wǎng)格桿件較多，且斜向懸挑，若采用高空散件拼裝則不易設(shè)置支撐，也難以保障桿件安裝精度和整體曲率。故需根據(jù)結(jié)構(gòu)特點和吊重限制，合理分片后進行地面三維拼裝、整片雙機抬吊、散件高空嵌補等工序，安裝實例如圖14所示。

圖14 網(wǎng)格安裝方法

4.2 網(wǎng)格分片地面拼裝

根據(jù)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)特點和吊機吊重等因素對網(wǎng)格進行分片劃分，共計32個分片，其參數(shù)如表1所示。

表1 網(wǎng)格分片信息表

在三維模型中將分片逐一導(dǎo)出，調(diào)整拼裝姿態(tài)(兩頭高中間低)，根據(jù)調(diào)整后的分片三維模型，并考慮施工可操作性，在三維模型上加設(shè)胎架支撐點并提取胎架點的三維坐標，供現(xiàn)場進行放樣和桿件拼裝，拼裝坐標圖示例如圖15所示[3]。

地面拼裝，主要使用30mm厚的鋼板作為底板、HW200×200×8×12型鋼，作為立桿支撐，如圖16所示。

圖16 網(wǎng)格拼裝胎架

4.3 網(wǎng)格分片吊裝

網(wǎng)格沿屋面檐口的一圈以及網(wǎng)格落地的一圈，分別設(shè)計上、下收邊管，地面拼裝成片時，把收邊管一起拼好，一次起吊。

網(wǎng)格分片安裝前，先根據(jù)其落點的三維坐標，制作型鋼馬鐙，如圖17所示，用作網(wǎng)片的臨時就位和固定，減少空中調(diào)整的時間。

圖17 網(wǎng)格底部馬鐙

分片吊裝采用雙機抬吊，每片4個吊點，采用兜吊方式，鋼絲繩纏繞于節(jié)點處，避免滑脫，實施前使用有限元軟件計算分片的吊裝變形，如圖18所示。

從分析結(jié)果可以看出：網(wǎng)格分片吊裝階段最大變形為37mm，出現(xiàn)在分片末端，也即自由端；分片最長尺寸37.6m，允許變形L/400=94mm，滿足規(guī)范要求。

分片起吊最大應(yīng)力75.87MPa，出現(xiàn)在下排吊點附近，其小于鋼管母材345MPa，滿足規(guī)范要求。

圖18 網(wǎng)格分片有限元分析模型

兩臺吊機分別站位后，將分片起吊脫胎，緩慢移動，先將分片下口落位于型鋼馬鐙上，初步調(diào)整姿態(tài)后進行限位，然后抬升上口吊點，使下口繞軸轉(zhuǎn)動，上口逐步就位，貼合于C型柱上，再測量校正上下收邊管管口，以及網(wǎng)片中部控制點的空間坐標，無誤后臨時連接固定，吊裝實例如圖19所示。

圖19 網(wǎng)格分片吊裝

4.4 網(wǎng)格嵌補桿件安裝

網(wǎng)格分片安裝完成后，相鄰分片之間的嵌補桿件需在高空進行安裝，由于數(shù)量多，桿件長度、安裝角度各異，且屬于高空作業(yè)，臨時操作平臺難以安拆，需現(xiàn)場搭設(shè)滿堂腳手架，以方便工人登高，如圖20所示。

圖20 滿堂腳手架搭設(shè)

4.5 施工過程中注意事項

(1)網(wǎng)格圓管設(shè)計為一個方向貫通，而另一個方向相貫連接，地面拼裝時，需先將貫通方向的圓管拼裝固定，并完成焊接，然后才能進行相貫方向的圓管拼裝，如圖21所示。

地面拼裝質(zhì)量將影響后續(xù)的焊接質(zhì)量，進而影響最終的觀感效果，因此需嚴格把控曲線的平順性，接口間隙的大小以及焊縫外觀成型等問題。

圖21 網(wǎng)格分片拼裝步驟

(2)分片吊裝就位后，嵌補圓管的安裝也很重要，由于相鄰分片可能存在不同步的下?lián)献冃危枰壳堆a圓管兩頭微調(diào)來消化偏差，安裝時，需結(jié)合三維放樣的點位標記進行微調(diào)，使整體曲線平順性滿足要求。現(xiàn)場實施效果如圖22所示。

圖22 嵌補單元安裝

5 結(jié)語

該項目施工重點，在于對結(jié)構(gòu)特點和受力體系充分理解的基礎(chǔ)上，將結(jié)構(gòu)進行合理劃分、分單元進行安裝的施工思路。對于大尺寸異形吊裝單元，主要采用地面拼裝成大單元、然后雙機抬吊的施工方法。

項目部本著大膽嘗試，小心實施的管理理念，經(jīng)常性組織不同深度的方案討論、評審，對比優(yōu)選各種可能性方案。方案實施前，結(jié)合有限元分析軟件，計算最大變形和應(yīng)力，從理論上驗證方案可行性，并反復(fù)推敲方案實施細節(jié)，再結(jié)合現(xiàn)場實施結(jié)果，改進完善施工方法，加快效率的同時提升質(zhì)量。

該項目施工方案，對于大空間、異形懸挑結(jié)構(gòu)以及薄壁殼體類鋼結(jié)構(gòu)的安裝，具有較好的借鑒與參考意義。