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        大跨空間結(jié)構(gòu)吊頂抗震韌性構(gòu)造與施工技術(shù)

        2021-02-23 12:29:52藍(lán)建勛曾金亮
        建筑施工 2021年11期
        關(guān)鍵詞:吊頂航站樓網(wǎng)架

        藍(lán)建勛 曾金亮

        廣東省建筑裝飾工程有限公司 廣東 廣州 510635

        建筑結(jié)構(gòu)的抗震研究在最近幾十年已經(jīng)形成了完整的體系,并取得了許多工程經(jīng)驗(yàn)和研究成果,但國(guó)內(nèi)非結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)模糊,且大跨空間結(jié)構(gòu)吊頂大都沒(méi)有進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。

        在21世紀(jì)歷次強(qiáng)震(如2013年四川省蘆山縣7.0級(jí)地震、2011年日本9.0級(jí)地震、2010年智利8.8級(jí)地震、2001年華盛頓地震)中,對(duì)機(jī)場(chǎng)航站樓、高鐵車站、展覽館、體育館等大跨空間結(jié)構(gòu)非結(jié)構(gòu)系統(tǒng)破壞(包括吊頂坍塌、吊頂脫落下墜、吊頂龍骨彎折變形、燈具墜落等)遠(yuǎn)大于結(jié)構(gòu)破壞程度,非結(jié)構(gòu)系統(tǒng)破壞往往會(huì)阻塞逃生通道,影響地震中人員逃生和抗震救災(zāi),無(wú)法在震后救援黃金時(shí)間里發(fā)揮重要作用,加重人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。非結(jié)構(gòu)系統(tǒng)抗震問(wèn)題與當(dāng)前社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展相匹配的問(wèn)題愈發(fā)凸顯,逐漸引起行業(yè)對(duì)其的關(guān)注[1-8]。

        目前,我國(guó)機(jī)場(chǎng)航站樓、高鐵車站、展覽館、體育館等建設(shè)進(jìn)入了一個(gè)高速發(fā)展時(shí)期,但這些空間結(jié)構(gòu)吊頂大都沒(méi)有進(jìn)行抗震設(shè)計(jì),航站樓大跨空間結(jié)構(gòu)吊頂是非結(jié)構(gòu)構(gòu)件典型代表,具有空間大、人流密集等特點(diǎn),在歷次強(qiáng)震中震害嚴(yán)重。

        吊頂在遭遇地震襲擊時(shí),如何依賴吊頂本身的抗震韌性功能使其特性保持或快速恢復(fù)到地震前狀態(tài),還缺乏工程經(jīng)驗(yàn)和研究成果,大跨空間結(jié)構(gòu)吊頂?shù)目拐痦g性亟需深入研究和高度重視。

        1 大跨空間結(jié)構(gòu)吊頂抗震韌性設(shè)計(jì)

        1.1 抗震吊頂反應(yīng)特性

        空間結(jié)構(gòu)吊頂是指懸吊在空間鋼結(jié)構(gòu)下弦球節(jié)點(diǎn),具有三維調(diào)節(jié)功能,能適應(yīng)空間結(jié)構(gòu)屋面曲面變化和受力變形的吊頂系統(tǒng),由吊桿、萬(wàn)向轉(zhuǎn)接件、龍骨、面板等組成。其獨(dú)特的物理特性使其不但對(duì)地震作用較敏感,而且其反應(yīng)特性也跟主體結(jié)構(gòu)迥然不同:

        1)支承于主體結(jié)構(gòu),其地震反應(yīng)不僅取決于地面運(yùn)動(dòng)特性,而且依賴于主體結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性。

        2)反應(yīng)與其在建筑物中所處的位置有關(guān),相同構(gòu)件對(duì)于地震作用的反應(yīng)會(huì)因其位于不同高度而發(fā)生變化。

        3)由于阻尼通常遠(yuǎn)小于主體結(jié)構(gòu)的阻尼,造成整個(gè)組合結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的阻尼分布非常不均勻,因此該系統(tǒng)不具有經(jīng)典阻尼特性。

        4)除了受到自身彈塑性影響之外,還會(huì)受到主體結(jié)構(gòu)的彈塑性影響。

        5)吊頂系統(tǒng)與主體結(jié)構(gòu)的連接部位往往不止一處,因而有可能受到各連接部位的不同步運(yùn)動(dòng)激勵(lì),繼而產(chǎn)生一定的扭轉(zhuǎn)。

        1.2 破壞機(jī)理分析

        從大量空間結(jié)構(gòu)吊頂震害統(tǒng)計(jì)分析和模擬試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),吊頂?shù)钠茐闹饕杏诨谖灰频淖冃纹茐暮突诩铀俣鹊氖芰ζ茐?,以及兩者的混合作用而?dǎo)致的破壞。破壞與其型號(hào)、大小、質(zhì)量和連接方法有關(guān)。

        1)空間結(jié)構(gòu)吊頂?shù)钠茐哪J娇梢苑譃榧铀俣绕茐哪J健⑽灰破茐哪J郊盎旌闲推茐哪J健?/p>

        2)較大的豎向加速度引起的吊頂板掉落以及由于與主體結(jié)構(gòu)連接不牢靠而導(dǎo)致的吊桿與主體結(jié)構(gòu)脫離,使吊頂坍塌。

        3)較大的位移變形引起吊頂系統(tǒng)吊件失效,龍骨彎折,吊頂板墜落,與墻、柱交界處發(fā)生破壞,這是吊頂系統(tǒng)典型的破壞形式。

        4)空間結(jié)構(gòu)吊頂在地震作用下的破壞程度主要取決于其位移響應(yīng)和變形能力。

        1.3 抗震設(shè)防目標(biāo)

        震害現(xiàn)象表明,即使主體結(jié)構(gòu)達(dá)到一個(gè)立即使用的性能水平,非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞也會(huì)降低整體結(jié)構(gòu)的性能水平。因此,要實(shí)現(xiàn)航站樓等基于性能的抗震設(shè)計(jì),應(yīng)使主體結(jié)構(gòu)與吊頂?shù)男阅芩絽f(xié)調(diào)統(tǒng)一。

        1)在多遇地震下,吊頂應(yīng)該達(dá)到?jīng)]有破壞,保持或快速恢復(fù)原有外觀和航站樓使用功能。

        2)在基本烈度地震下,吊頂雖然被允許發(fā)生比結(jié)構(gòu)構(gòu)件更嚴(yán)重的破壞,但仍需保證航站樓基本使用功能不會(huì)受到影響,吊頂即使發(fā)生損壞也可在修理下繼續(xù)使用,甚至不需修理便可自動(dòng)快速恢復(fù)原有功能。

        3)在罕遇地震下,吊頂即使發(fā)生較嚴(yán)重的破壞但仍需保證不坍塌,生命安全能得到保障。

        1.4 抗震構(gòu)造基本要求

        根據(jù)對(duì)空間結(jié)構(gòu)吊頂破壞機(jī)理以及破壞模式的分析,針對(duì)此類吊頂抗震的薄弱環(huán)節(jié),采取相應(yīng)的吊頂抗震構(gòu)造措施。

        1)吊頂系統(tǒng)結(jié)構(gòu)自身要有足夠抗震能力。

        2)吊頂與空間結(jié)構(gòu)連接必須牢固。

        3)水平或三維方向要有足夠的位移響應(yīng)和變形能力。

        4)構(gòu)件連接要有防松脫措施。

        5)地震后,能維持與快速恢復(fù)建筑功能。

        2 航站樓大跨空間結(jié)構(gòu)吊頂韌性抗震關(guān)鍵施工技術(shù)

        2.1 工程概況

        某國(guó)際大型機(jī)場(chǎng)南北方向長(zhǎng)約850 m,東西方向?qū)捈s1 120 m,屋蓋投影面積18萬(wàn) m2,網(wǎng)架最大跨度72 m,最高點(diǎn)標(biāo)高72.91 m,吊頂面積約18萬(wàn) m2,整個(gè)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)下采用穿孔鋁板吊頂,吊頂根據(jù)網(wǎng)架曲線變化而變化(圖1)。該機(jī)場(chǎng)處于小江斷裂帶和地質(zhì)破碎帶,抗震設(shè)防烈度為8.2度,抗震設(shè)防要求高,吊頂系統(tǒng)需要采取抗震構(gòu)造措施。

        圖1 航站樓大跨空間吊頂

        2.2 主要施工工藝

        2.2.1 放線定位

        1)布設(shè)控制點(diǎn):使用三維激光掃描儀對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,再將采集數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)模型坐標(biāo)復(fù)核,并提取出網(wǎng)架球控制點(diǎn)坐標(biāo)及網(wǎng)架球節(jié)點(diǎn)的基準(zhǔn)線坐標(biāo),對(duì)球節(jié)點(diǎn)逐一編號(hào)。

        2)采用BIM放樣機(jī)器人逐個(gè)復(fù)測(cè)各球節(jié)點(diǎn)位置,計(jì)算吊頂完成面距離球點(diǎn)的垂直距離并標(biāo)注在球節(jié)點(diǎn)上,作為吊頂施工高程控制點(diǎn),該點(diǎn)必須考慮鋼網(wǎng)架施工過(guò)程中的變化及受屋蓋荷載影響而產(chǎn)生的下沉量,并考慮網(wǎng)架結(jié)構(gòu)變化移位的因素,特別是出現(xiàn)個(gè)別下沉較大的網(wǎng)架球點(diǎn)時(shí),必須適當(dāng)調(diào)整吊頂完成面高程,給吊頂足夠調(diào)整的空間距離。

        2.2.2 下弦球節(jié)點(diǎn)上安裝專用支座

        1)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè),在下弦球節(jié)點(diǎn)上定位吊頂支座。對(duì)于收邊位置,如柱子、外幕墻等處,則按照要求采用特制的支座,安裝在下弦桿上。吊頂支座必須定位準(zhǔn)確、安裝牢固。

        2)吊頂單元通過(guò)連接件與網(wǎng)架球節(jié)點(diǎn)預(yù)設(shè)安裝板進(jìn)行螺栓連接,連接結(jié)構(gòu)不需現(xiàn)場(chǎng)焊接,結(jié)構(gòu)牢固,工效高,可三維調(diào)節(jié)(豎向調(diào)節(jié)長(zhǎng)度不受限制,平面X、Y向調(diào)節(jié)長(zhǎng)度均為110 mm),實(shí)現(xiàn)吊頂系統(tǒng)第一級(jí)三維可調(diào)。

        3)如果局部吊裝盤安裝坐標(biāo)和下弦球節(jié)點(diǎn)有偏差,則將特制吊頂支座安裝在下弦桿上,吊桿與網(wǎng)架下弦桿圓箍套連接。

        4)將抗震斜撐抱箍安裝在離下弦球軸心300~400 mm距離,抱箍與網(wǎng)架接觸面墊2 mm厚膠墊,抗震斜撐與網(wǎng)架下弦桿夾角應(yīng)為45e ~60e (圖2)。

        圖2 吊頂與連接件上、下螺母固定示意

        5)網(wǎng)架下弦無(wú)球連接的,則采用三爪吊件通過(guò)拉桿從網(wǎng)架腹桿連接(圖3),拉桿中間調(diào)節(jié)套筒可調(diào)節(jié)長(zhǎng)度,頂端與抱箍鉸接點(diǎn)設(shè)置抗震橡膠墊,抱箍安裝在網(wǎng)架腹桿的中段位置。

        圖3 三爪連接吊件

        2.2.3 連接螺桿安裝及上限位螺母安裝

        將直徑為20 mm的螺栓吊軸插入吊頂支座的螺桿孔內(nèi),然后依據(jù)放線定出上限位螺母位置,再將上限位螺母裝在螺栓吊軸上。

        2.2.4 安裝轉(zhuǎn)動(dòng)吊盤

        將轉(zhuǎn)動(dòng)吊盤裝入螺栓吊軸,擰上下限位螺母,法蘭安裝盤即通過(guò)螺栓吊軸固定在主屋面鋼網(wǎng)架上。100C形主龍骨通過(guò)活動(dòng)轉(zhuǎn)接件組框,轉(zhuǎn)接件和萬(wàn)向轉(zhuǎn)動(dòng)吊裝盤的懸挑臂固定(圖4),以適應(yīng)不規(guī)則吊頂,同時(shí)可在地震作用后依據(jù)自身重力自動(dòng)恢復(fù)震前狀態(tài)。吊裝盤有4個(gè)方向的懸挑臂,用于吊裝龍骨結(jié)構(gòu)框架(圖5),可任意方向轉(zhuǎn)動(dòng)和水平方向位移調(diào)節(jié),通過(guò)該結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)吊頂系統(tǒng)三維可調(diào)。

        圖4 轉(zhuǎn)動(dòng)吊盤連接構(gòu)造節(jié)點(diǎn)

        圖5 萬(wàn)向轉(zhuǎn)盤鉸式結(jié)構(gòu)透視

        2.2.5 安裝C形主龍骨

        把C形主龍骨安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)連接件上,并用螺栓緊固。安裝后調(diào)節(jié)至水平順直。

        2.2.6 安裝C形副龍骨

        把C形副龍骨用特制吊件掛裝在主龍骨上,并用螺栓緊固。相鄰2支龍骨用連接件連接,相鄰2排龍骨接口位置錯(cuò)開(kāi),安裝后調(diào)節(jié)至水平順直。

        2.2.7 安裝面板掛件

        按排布距離安裝面板掛件,吊頂鋁板采用專用掛件固定在副龍骨上,條板卡齒掛件采用組合點(diǎn)式安裝,并用M6 mmh 20 mm螺栓緊固,鋁板與鋁板間留縫30 mm,滿足吊頂位移要求(圖6),鋁合金面板每件板能單獨(dú)拆卸。

        圖6 鋁板連接節(jié)點(diǎn)

        集成燈帶通過(guò)吊桿和主副龍骨連接。

        2.2.8 安裝鋁合金沖孔板

        確定天花安裝軸線,并從軸線開(kāi)始依照相應(yīng)的次序安裝,把三元乙丙橡膠片套接在板面折邊上,并卡在面板掛件的卡槽里,再緊固螺絲。不同單元需要調(diào)整板面的縫隙,做到平滑、順直(圖7)。

        圖7 鋁板與副龍骨卡齒掛件連接

        2.2.9 安裝中柱

        中柱收口位置采用抗震韌性構(gòu)造,單元吊頂系統(tǒng)與柱子為韌性連接。連接構(gòu)件單元包含抱箍、調(diào)節(jié)矩形桿、抗震彈簧、雙耳掛片、彈簧片(圖8);采用曲臂車將工廠預(yù)制加工連接件臨時(shí)固定在鋼結(jié)構(gòu)柱上,抱箍與鋼結(jié)構(gòu)柱間放置3 mm厚橡膠墊,調(diào)好連接桿的方向后緊固,單元吊頂連接耳穿入連接桿的雙耳掛片并用內(nèi)六角螺絲緊固。

        圖8 吊頂與中柱抗震連接

        2.2.10 安裝外飄檐

        空間結(jié)構(gòu)外飄檐吊頂單元采用支撐柱和網(wǎng)架下弦球節(jié)點(diǎn)板螺栓連接,通過(guò) 關(guān)節(jié) 鉸接式連接板將鋁面板和副龍骨螺栓連接,實(shí)現(xiàn)吊頂三維可調(diào),有效適應(yīng)網(wǎng)架受力變形、地震作用及風(fēng)荷載作用,滿足吊頂曲面造型要求(圖9)。

        圖9 三維可調(diào)外飄檐吊頂節(jié)點(diǎn)

        2.2.11 伸縮縫處理

        1)吊頂系統(tǒng)伸縮縫構(gòu)造與空間結(jié)構(gòu)相同位置設(shè)置吊頂伸縮縫(圖10)。

        圖10 吊頂伸縮縫節(jié)點(diǎn)

        2)與幕墻收邊位置,吊頂系統(tǒng)與幕墻斷開(kāi)(圖11)。

        圖11 吊頂與幕墻連接節(jié)點(diǎn)

        3 結(jié)語(yǔ)

        目前,國(guó)內(nèi)對(duì)非結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)模糊,大跨空間結(jié)構(gòu)吊頂大都沒(méi)有進(jìn)行抗震設(shè)計(jì),其抗震設(shè)計(jì)也存在建筑、結(jié)構(gòu)、裝修權(quán)責(zé)不明現(xiàn)象,大跨空間結(jié)構(gòu)吊頂及其他典型非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震亟需深入研究和高度重視。

        近年來(lái),我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展,人財(cái)物高度集中,基礎(chǔ)設(shè)施與生命線工程越來(lái)越尖端、復(fù)雜,全社會(huì)對(duì)地震防災(zāi)、減災(zāi)、救災(zāi)提出了更高的要求,常規(guī)抗震已經(jīng)不能滿足當(dāng)下的發(fā)展需求,抗震韌性是抗震研究的新方向。

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