黃 虎 何昌杰 郭 節(jié) 楊 松

1.中建五局第三建設(shè)有限公司 湖南 長(zhǎng)沙 410004；2.中建鋼構(gòu)有限公司 湖北 武漢 430000

目前越來(lái)越多的鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用在建筑物的主要造型部位，其獨(dú)特的建造形式能給人帶來(lái)視覺上的沖擊。鋼結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)形式多樣，其中網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)作為鋼結(jié)構(gòu)形式中的一種，其造型新穎，能以流線型表達(dá)出建筑意圖，并適用于大跨度的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，因此應(yīng)用越來(lái)越廣泛[1-3]。

雙曲網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)施工最主要的是精度保證及安裝過程中的變形與穩(wěn)定控制[4-6]。對(duì)雙曲網(wǎng)殼安裝技術(shù)的研究與應(yīng)用，能夠推動(dòng)鋼結(jié)構(gòu)安裝技術(shù)的發(fā)展，形成成套的解決方案。本文以長(zhǎng)沙冰雪世界雙拱支撐雙曲網(wǎng)殼安裝為例，對(duì)雙曲網(wǎng)殼安裝技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行研究。

1 工程概況

長(zhǎng)沙冰雪世界工程入口綜合樓屋蓋為雙曲網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，由4道鋼拱作為支撐。結(jié)構(gòu)高度約13.0 m，縱向長(zhǎng)度30.0 m，橫向長(zhǎng)度45.8 m，通過鋼拱支撐在底部混凝土短柱上（圖1）。構(gòu)件截面形式主要為箱形。其中鋼拱的截面為□600 mm×400 mm×30 mm×30 mm，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的鋼梁最大截面為□200 mm×120 mm×8 mm×16 mm。

圖1 綜合樓屋蓋雙曲網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)

2 雙曲網(wǎng)殼深化設(shè)計(jì)

本工程鋼屋蓋為曲面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，桿件主要為箱形截面，主要采用Tekla軟件建立三維模型進(jìn)行深化設(shè)計(jì)。深化時(shí)按現(xiàn)場(chǎng)安裝順序分階段安排工作。引入先進(jìn)的深化設(shè)計(jì)軟件用于三維制造數(shù)據(jù)拾取，進(jìn)行構(gòu)件加工圖的繪制，確保深化設(shè)計(jì)的高效率和準(zhǔn)確性。

3 雙曲網(wǎng)殼地面拼裝控制

本工程網(wǎng)殼采用在地面進(jìn)行分單元拼裝，然后分片吊裝的施工方法。

1）拼裝前，根據(jù)結(jié)構(gòu)面各構(gòu)件的空間位置進(jìn)行計(jì)算機(jī)實(shí)體模擬，建立拼裝胎架三維模型，定好拼裝單元某一點(diǎn)坐標(biāo)后，依次推算出其余各胎架支撐部位的空間坐標(biāo)，根據(jù)模型1∶1放樣設(shè)置方形拼裝胎架，采用平臥拼裝方法。

2）結(jié)構(gòu)面拼裝時(shí)，主要檢查各構(gòu)件的相對(duì)位置、桿件角度、接口尺寸和接縫、空間坐標(biāo)、測(cè)量控制點(diǎn)位置等關(guān)鍵控制指標(biāo)是否符合設(shè)計(jì)要求，為安裝提供準(zhǔn)確的定位信息，確保安裝精度。

3）在安裝胎架之前，用水準(zhǔn)儀全面測(cè)量平臺(tái)基準(zhǔn)面的標(biāo)高，確定測(cè)量基準(zhǔn)面，根據(jù)在工廠制作構(gòu)件時(shí)的焊接工藝試驗(yàn)，預(yù)先留出收縮量，拼裝完后進(jìn)行檢查，確保精度。同時(shí)做好拼裝場(chǎng)地硬化工作，避免地面變形對(duì)拼裝精度產(chǎn)生不利影響。

4）根據(jù)結(jié)構(gòu)具體吊裝分片對(duì)鋼構(gòu)件進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)拼裝。根據(jù)結(jié)構(gòu)線形設(shè)置拼裝胎架，并在地面放線。采用汽車吊進(jìn)行拼裝，按放線位置布置。在沒有約束的條件下，檢測(cè)構(gòu)件分段間的端口情況，包括間隙、錯(cuò)位、坡口、相對(duì)空間距離與方位。在驗(yàn)收合格后，畫出對(duì)合線、中心線、水平線等標(biāo)志，然后開始拼裝。

4 鋼拱及網(wǎng)殼安裝

4.1 鋼拱安裝

4.1.1 安裝方法概述

鋼拱是屋蓋網(wǎng)殼的主要支撐結(jié)構(gòu)，截面形式為空間彎扭結(jié)構(gòu)。鋼拱共有2組，每組包含2個(gè)單根支撐，在柱腳位置交會(huì)連接。由于鋼拱質(zhì)量大、長(zhǎng)度長(zhǎng)，故采用25 t汽車吊分段吊裝施工，在高空組裝點(diǎn)及鋼拱跨中頂點(diǎn)搭設(shè)支撐胎架，以保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

4.1.2 安裝分段

鋼拱支撐每榀分為3段進(jìn)行吊裝，分段點(diǎn)在每榀離端部約1/4位置。先安裝鋼拱底部的2段構(gòu)件，臨時(shí)固定后，再安裝中部單段構(gòu)件，固定后，對(duì)整體鋼拱進(jìn)行測(cè)量校正并焊接。

4.1.3 安裝流程

鋼拱的安裝流程（圖2）如下：安裝鋼拱臨時(shí)支撐胎架→根據(jù)鋼拱單元?jiǎng)澐郑跹b下部鋼拱→吊裝鋼拱頂部分段，在胎架上的操作平臺(tái)上進(jìn)行組對(duì)焊接。

圖2 鋼拱安裝流程

4.2 鋼網(wǎng)殼安裝

4.2.1 安裝方法概述

上部網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)形式為正交網(wǎng)格，通過斜支撐與鋼拱進(jìn)行連接。網(wǎng)殼4個(gè)角部位置分別與混凝土柱、混凝土樓層梁進(jìn)行連接，根據(jù)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)形式及質(zhì)量，采用地面散件拼裝、分塊整體吊裝、嵌補(bǔ)桿件高空拼裝的方法進(jìn)行安裝，安裝過程中進(jìn)行施工計(jì)算模擬，并采取相應(yīng)的臨時(shí)加強(qiáng)措施。選用25 t汽車吊進(jìn)行地面拼裝作業(yè)，高空吊裝及桿件嵌補(bǔ)采用50 t汽車吊進(jìn)行施工（圖3）。

圖3 網(wǎng)殼分塊吊裝示意

4.2.2 安裝分區(qū)

屋蓋網(wǎng)殼分10個(gè)單元塊進(jìn)行吊裝（圖4），吊裝順序依次從①到⑩進(jìn)行，區(qū)與區(qū)之間的連接桿件采用高空吊裝法進(jìn)行施工。

圖4 網(wǎng)殼分區(qū)

4.2.3 安裝流程

鋼拱桁架安裝完成后，在鋼拱桁架上安裝與網(wǎng)殼連接的圓管支撐，再將網(wǎng)殼分單元吊裝至指定位置，并補(bǔ)裝連接桿件，將整個(gè)網(wǎng)殼部分安裝完成（圖5）。

圖5 網(wǎng)殼安裝流程

5 復(fù)雜節(jié)點(diǎn)焊接

網(wǎng)殼構(gòu)件箱形截面現(xiàn)場(chǎng)對(duì)接焊縫較多，焊接量很大，且節(jié)點(diǎn)復(fù)雜，焊接可操作性差，增加了焊接難度。在實(shí)際施工中，應(yīng)制定合理的焊接工藝，并采取焊前預(yù)熱、層間溫度控制、焊后保溫等措施。同時(shí)，對(duì)復(fù)雜或有約束的焊接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行合理優(yōu)化，并設(shè)計(jì)出合理的坡口形式。

6 屋蓋網(wǎng)殼卸載

6.1 卸載條件

鋼網(wǎng)殼施工及連接桿件補(bǔ)充完成后，應(yīng)在焊接完成并探傷合格的前提下，方可開始卸載。

6.2 卸載順序

整個(gè)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)及鋼拱由12個(gè)胎架支撐，達(dá)到卸載條件后分2次進(jìn)行卸載。按先卸載中部胎架，再卸載端部胎架的順序進(jìn)行，即先卸載ZC2、ZC5、ZC8、ZC11，再卸載ZC1、ZC3、ZC4、ZC6、ZC7、ZC9、ZC10、ZC12（圖6）。

圖6 支撐胎架布置

6.3 卸載控制要點(diǎn)

1）卸載開始前，測(cè)量并記錄各個(gè)支撐點(diǎn)的標(biāo)高。

2）卸載時(shí)，在鋼拱架跨中及端頭1/3處設(shè)置12個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)；在網(wǎng)殼上變形較大處布置20個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，隨時(shí)監(jiān)測(cè)變形情況。

3）根據(jù)施工模擬計(jì)算，卸載下降的最大撓度為21 mm，卸載分2次緩慢進(jìn)行。

4）卸載時(shí)通過割槍對(duì)鋼拱架下的支撐進(jìn)行切割，每次切割長(zhǎng)度宜控制在10 mm左右。

5）每卸載一次，對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)測(cè)量一次，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，觀察下?lián)现?，若大于?jì)算的21 mm，則應(yīng)停止卸載，觀察并查找原因。

6）由于底部的胎架支撐有彈性變形，因此在切割時(shí)割除量可能大于21 mm，其標(biāo)高應(yīng)以鋼拱架或網(wǎng)殼的標(biāo)高為基準(zhǔn)。

7）卸載完成后，記錄各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最終值，并在48 h后再測(cè)量一次。

6.4 卸載模擬計(jì)算

根據(jù)卸載順序建立卸載結(jié)構(gòu)模型，相關(guān)計(jì)算結(jié)果敘述如下：

1）卸載階段位移情況。鋼屋蓋因卸載而產(chǎn)生的最大位移為3.3 mm，屋蓋卸載完成后的最終撓度為21.3 mm，滿足要求。

2）卸載階段應(yīng)力情況。根據(jù)計(jì)算，卸載過程中及卸載完成后結(jié)構(gòu)構(gòu)件最大組合應(yīng)力為137.2 MPa，小于材料設(shè)計(jì)強(qiáng)度310 MPa，滿足要求。

3）卸載階段構(gòu)件驗(yàn)算比情況。卸載過程中及卸載完成后結(jié)構(gòu)構(gòu)件的應(yīng)力驗(yàn)算比均不大于0.45，小于構(gòu)件容許最大驗(yàn)算比1.0，滿足要求。

4）計(jì)算結(jié)論。通過計(jì)算，入口綜合樓鋼拱及網(wǎng)殼在卸載過程中的變形增加量較小，且最終撓度也控制在合理范圍之內(nèi)；卸載過程及卸載后，強(qiáng)度、剛度滿足規(guī)范和施工精度要求，通過有限元分析可知，該卸載順序及方法是可行的。

7 結(jié)語(yǔ)

本工程雙拱支撐雙曲網(wǎng)殼采用地面散件拼裝、分塊整體吊裝、嵌補(bǔ)桿件高空拼裝的方法進(jìn)行安裝。通過制定合理的支撐胎架安裝及卸載施工方法，并應(yīng)用有限元計(jì)算軟件進(jìn)行分析，將網(wǎng)殼屋蓋卸載后的變形及應(yīng)力控制在允許范圍內(nèi)，順利地完成了該網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的安裝，確保了質(zhì)量和精度，取得了很好的社會(huì)效益。

該雙曲網(wǎng)殼安裝技術(shù)的應(yīng)用，能夠減少大量的高空作業(yè)，安全風(fēng)險(xiǎn)小，且節(jié)約工期，具有一定的推廣與應(yīng)用價(jià)值，能為類似工程提供參考。