陳宏達(dá)

(北京城市副中心投資建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 101117)

0 引言

伴隨著新材料、新工藝、新技術(shù)、新體系的出現(xiàn)，大跨空間結(jié)構(gòu)迎來了大力發(fā)展的春天。施工過程中將一系列空間復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)的“準(zhǔn)結(jié)構(gòu)”逐步集結(jié)成結(jié)構(gòu)，采用合理的施工方法能保證結(jié)構(gòu)建造過程的安全性、經(jīng)濟(jì)性與時(shí)效性。整體提升施工技術(shù)是大跨屋蓋結(jié)構(gòu)常見的施工方法。隨著廣州新白云國際機(jī)場維修機(jī)庫鋼屋蓋整體提升[1]、首都機(jī)場 A380 機(jī)庫網(wǎng)架屋蓋整體提升[2-5]、國家圖書館萬噸鋼結(jié)構(gòu)整體提升[6]、國家體育場鋼屋蓋安裝整體提升[7]等一系列重大建設(shè)工程的順利實(shí)施，整體提升施工技術(shù)日趨成熟。

常見的大跨結(jié)構(gòu)整體提升施工技術(shù)多用于重型剛性結(jié)構(gòu)，鮮有柔性紙片結(jié)構(gòu)整體提升的工程應(yīng)用。北京城市副中心圖書館屋蓋為銀杏葉片狀平板網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)(見圖1)。傳統(tǒng)施工方法先施工下部樓層，再高空拼裝屋面結(jié)構(gòu)，施工周期長，高空焊接質(zhì)量難以保證。采用地面拼裝與分區(qū)整體提升相結(jié)合的方式施工平面交叉網(wǎng)格屋蓋結(jié)構(gòu)，可加快施工速度，提高施工質(zhì)量。但單層平板網(wǎng)殼為柔性結(jié)構(gòu)，逆作提升過程結(jié)構(gòu)體系不完整，施工風(fēng)險(xiǎn)高；將屋蓋提升至設(shè)計(jì)位置后，下部結(jié)構(gòu)尚未施工，支承屋蓋結(jié)構(gòu)的鉸接柱未與下部樓層形成有效連接，結(jié)構(gòu)整體性差，卸載方法不當(dāng)可能會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)倒塌。針對上述問題，結(jié)合數(shù)值模擬與施工監(jiān)測，開展平面交叉網(wǎng)格結(jié)構(gòu)施工技術(shù)研究，解決柔性平面交叉網(wǎng)格結(jié)構(gòu)逆作提升與卸載過程中結(jié)構(gòu)體系未形成、施工風(fēng)險(xiǎn)高的技術(shù)難題。

圖1 北京城市副中心圖書館效果

1 工程概況

北京城市副中心圖書館正投影面積為168m×168m，結(jié)構(gòu)高度為21.5m，工程總用鋼量16 300t。屋蓋為由144片14m×14m纖細(xì)葉片柱支撐的平面交叉網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，銀杏葉狀屋蓋結(jié)構(gòu)由截面為600mm×200mm×14mm×30mm的箱型鋼梁組成，纖細(xì)馬鞍形柱頂與屋蓋之間通過復(fù)雜的鑄鋼節(jié)點(diǎn)連接，底部與地下室頂板鉸接。梁、柱鋼材分別為Q355，Q390。結(jié)構(gòu)主體為框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，樓層間山體結(jié)構(gòu)造型復(fù)雜，具體結(jié)構(gòu)布置如圖2所示。

圖2 北京城市副中心結(jié)構(gòu)布置

考慮到結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜且工期緊張，為保證施工質(zhì)量與安裝精度，依據(jù)土建施工進(jìn)度與現(xiàn)場施工條件，將屋蓋結(jié)構(gòu)分為4個(gè)提升區(qū)與2個(gè)吊裝區(qū)。對具備提升條件的4個(gè)提升區(qū)，先在地面完成拼裝再分區(qū)提升施工(見圖3)。屋蓋結(jié)構(gòu)逆作施工過程中，結(jié)構(gòu)體系不完整，亟需制訂合理的提升及卸載方案，并結(jié)合施工仿真分析與施工監(jiān)測技術(shù)，確保施工過程安全可靠。

圖3 屋蓋分區(qū)提升方案

2 平面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)施工方案

2.1 提升方案

1)提升裝置的布設(shè) 提升過程中將提升吊點(diǎn)設(shè)置在每組結(jié)構(gòu)柱附近以減小結(jié)構(gòu)提升過程對使用階段的影響。設(shè)計(jì)一種永臨結(jié)合的提升支架，通過2根臨時(shí)鋼管柱與1根纖細(xì)葉片柱及頂部小桁架形成三角受力體系，利用結(jié)構(gòu)自身特點(diǎn)，保證網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)提升過程中的抗側(cè)向剛度，減少臨時(shí)支撐架等措施的使用，如圖4所示。根據(jù)計(jì)算確定各吊點(diǎn)提升力為251～398kN，為此在各提升吊點(diǎn)處設(shè)置1臺100t液壓油缸與4～6根φ15.2鋼絞線。

圖4 提升裝置布設(shè)

2)提升過程系桿轉(zhuǎn)換 提升支架頂標(biāo)高約為25.000m，為增強(qiáng)提升支架自身剛度和穩(wěn)定性，在支架中間部位設(shè)置1道水平聯(lián)系桿，采用插板焊接的形式與結(jié)構(gòu)鋼柱及提升圓管柱連接。由于增設(shè)水平聯(lián)系桿，各區(qū)屋蓋結(jié)構(gòu)需進(jìn)行2次提升，如圖5所示。首先將屋蓋結(jié)構(gòu)提升至水平聯(lián)系桿下方1m處懸停；再在屋蓋下方1m處焊接1道水平聯(lián)系桿，拆除上部原有聯(lián)系桿后，將屋蓋提升至安裝標(biāo)高。

圖5 平板網(wǎng)格屋蓋提升過程系桿轉(zhuǎn)換

2.2 逆作卸載方案

提升支架的卸載順序?yàn)椋孩俜峙遁d剪力墻處提升支架；②連接剪力墻與下部結(jié)構(gòu)構(gòu)件；③同步對稱卸載其余提升支架，從而保證結(jié)構(gòu)在卸載過程中逐步形成整體剛度，防止結(jié)構(gòu)突然倒塌。以提升3區(qū)為例，結(jié)構(gòu)卸載過程如圖6所示。將屋蓋結(jié)構(gòu)提升至設(shè)計(jì)位置后，先卸載3區(qū)剪力墻1處的提升支架，并完成剪力墻1與下部樓層及山體結(jié)構(gòu)的連接，再卸載3區(qū)剪力墻2處的提升支架，并完成對應(yīng)下部結(jié)構(gòu)桿件的連接，待結(jié)構(gòu)整體剛度形成后，再同步對稱卸載其余位置的提升支架。

圖6 提升3區(qū)結(jié)構(gòu)卸載過程示意

3 平面網(wǎng)格逆作施工關(guān)鍵技術(shù)分析

采用MIDAS Gen 8.6.5有限元計(jì)算分析軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)施工過程的仿真分析。施工過程僅考慮結(jié)構(gòu)自重與風(fēng)荷載，荷載組合按現(xiàn)行規(guī)范考慮[8-9]?？紤]節(jié)點(diǎn)做法，結(jié)構(gòu)自重系數(shù)取1.15。以提升3區(qū)為例，分析結(jié)構(gòu)逆作提升與卸載過程。

3.1 同步提升分析

提升過程中因各吊點(diǎn)不能完全同步，導(dǎo)致提升結(jié)構(gòu)發(fā)生內(nèi)力重分布，存在安全隱患。采用位移與荷載同步提升控制，控制提升吊點(diǎn)間的豎向位移差不超過規(guī)范限值，同時(shí)控制吊點(diǎn)實(shí)際提升力不超過理論計(jì)算值的1.2～1.3倍[10]。在最大吊點(diǎn)提升力處施加15mm向上強(qiáng)迫位移時(shí)，提升結(jié)構(gòu)在1.3倍自重+1.5倍不同步提升荷載作用下的桿件應(yīng)力如圖7所示，最大組合應(yīng)力為109MPa，滿足Q355鋼材強(qiáng)度要求；此時(shí)吊點(diǎn)最大提升力515kN為同步提升力403kN的1.28倍，滿足吊點(diǎn)實(shí)際提升力不超過理論計(jì)算值的1.2～1.3倍的要求。因此控制提升過程中相鄰提升吊點(diǎn)的最大豎向變形差不超過15mm。

圖7 不同步提升桿件應(yīng)力(單位：MPa)

3.2 提升抗風(fēng)分析

六級風(fēng)荷載作用下提升結(jié)構(gòu)組合應(yīng)力與側(cè)向變形如圖8所示。

圖8 風(fēng)荷載作用下提升結(jié)構(gòu)組合應(yīng)力與側(cè)向變形

由圖8可知，隨著提升高度的增加，提升結(jié)構(gòu)的組合應(yīng)力與側(cè)向變形均呈現(xiàn)變小的趨勢。屋蓋結(jié)構(gòu)剛脫離胎架即提升高度為1m時(shí)，鋼絞線對提升結(jié)構(gòu)的約束最弱，提升結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形與組合應(yīng)力最大。最大組合應(yīng)力由1.3倍恒荷載+1.5倍y向風(fēng)荷載控制，值為107MPa。1.0倍y向風(fēng)荷載作用下，提升結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形最大，值為256mm。提升結(jié)構(gòu)周圍空曠，不存在與其他結(jié)構(gòu)或構(gòu)件發(fā)生碰撞的隱患。提升過程中結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)力均處于彈性，側(cè)向變形為彈性可恢復(fù)，因此提升過程中結(jié)構(gòu)抗風(fēng)性能滿足要求。

3.3 卸載防連續(xù)倒塌分析

當(dāng)提升3區(qū)剪力墻1處提升支架卸載，又未連接剪力墻與下部結(jié)構(gòu)時(shí)，結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性能最差，倒塌風(fēng)險(xiǎn)最高，為此，進(jìn)行施工階段結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性分析及局部抽柱的防連續(xù)倒塌分析，其中風(fēng)荷載按十年一遇考慮。在1.0倍恒荷載+1.0倍風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性系數(shù)為8.59，滿足規(guī)范要求。卸載過程結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌分析結(jié)果如圖9所示。拆除圖9中的1根結(jié)構(gòu)柱后，在1.3倍自重+1.5倍x向風(fēng)荷載作用下，桿件應(yīng)力水平較低，且均處于彈性；風(fēng)荷載及自重荷載作用下，結(jié)構(gòu)的最大側(cè)向變形及豎向變形也均滿足規(guī)范要求。因此結(jié)構(gòu)卸載過程安全可靠。

圖9 卸載過程結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌分析結(jié)果

4 平面網(wǎng)格施工監(jiān)測分析

4.1 施工監(jiān)測方案

依據(jù)結(jié)構(gòu)施工仿真分析結(jié)果，確定施工監(jiān)測方案，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)計(jì)算分析的準(zhǔn)確性及施工方案的合理性，指導(dǎo)平面網(wǎng)格柔性結(jié)構(gòu)施工。對提升3區(qū)進(jìn)行施工監(jiān)測，在施工過程中受力復(fù)雜、應(yīng)力大及變化幅值大的位置布置應(yīng)力及變形測點(diǎn)，如圖10所示。其中應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)布置在提升吊點(diǎn)附近、葉片梁位置、柱樓層處及鑄鋼件節(jié)點(diǎn)處，變形監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置在葉片網(wǎng)格交點(diǎn)處、各區(qū)嵌補(bǔ)桿件間。

圖10 施工應(yīng)力與變形監(jiān)測點(diǎn)布置

4.2 施工監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

4.2.1應(yīng)力監(jiān)測分析

選擇圖10a中葉片梁下翼緣測點(diǎn)1，3進(jìn)行施工各階段自重荷載下桿件的應(yīng)力分析，結(jié)果如圖11所示。

圖11 施工過程梁測點(diǎn)應(yīng)力變化曲線

由圖11可知，施工監(jiān)測與模擬計(jì)算分析得到的桿件應(yīng)力變化趨勢一致，由于鑄鋼件節(jié)點(diǎn)造型及受力復(fù)雜，對葉片梁實(shí)際約束與結(jié)構(gòu)整體模型假定略有出入，同時(shí)結(jié)構(gòu)柱底并非完全鉸接，模擬值比實(shí)測值略大，最大幅值約為15%。測點(diǎn)1位于提升吊點(diǎn)處，提升過程與卸載過程桿件應(yīng)力較大，實(shí)測值約為56MPa；結(jié)構(gòu)卸載過程中，構(gòu)件發(fā)生應(yīng)力重分布，桿件應(yīng)力減??；隨著屋面樓板及裝飾施工完成，豎向荷載增加，施工成型后測點(diǎn)應(yīng)力繼續(xù)增加至82.5MPa。測點(diǎn)3距提升吊點(diǎn)較遠(yuǎn)，桿件應(yīng)力隨著施工工序的開展不斷增加，結(jié)構(gòu)施工成型后，測點(diǎn)應(yīng)力實(shí)測值為114.2MPa，實(shí)測數(shù)據(jù)桿件應(yīng)力均處于彈性，結(jié)構(gòu)施工過程安全可靠。

4.2.2變形監(jiān)測分析

選擇圖10b中葉片梁跨中測點(diǎn)14及邊緣嵌補(bǔ)處測點(diǎn)17進(jìn)行1.0倍自重荷載作用下桿件的變形分析，結(jié)果如圖12所示。

圖12 施工過程梁測點(diǎn)變形曲線

由圖12可知，施工監(jiān)測與模擬計(jì)算分析得到的梁豎向變形趨勢一致，隨著施工各階段荷載的增加，變形逐漸增大。模擬值比實(shí)測值略大，最大幅值約為20%。提升就位過程中葉片結(jié)構(gòu)梁跨中最大豎向變形實(shí)測值僅11mm，為結(jié)構(gòu)跨度的1/1 273，滿足安裝精度要求；嵌補(bǔ)桿件最大豎向變形實(shí)測值為5mm，滿足各提升區(qū)桿件嵌補(bǔ)精度要求。

將屋蓋結(jié)構(gòu)提升至設(shè)計(jì)位置后，結(jié)構(gòu)柱最大傾斜實(shí)測值為15mm，比模擬值17mm略小，柱側(cè)向位移角為1/1 273，滿足驗(yàn)收要求；葉片梁與異形柱間的嵌補(bǔ)桿件最大變形量為17mm，施工時(shí)嵌補(bǔ)桿件預(yù)留變形量為20mm，滿足桿件嵌補(bǔ)精度要求。結(jié)構(gòu)施工監(jiān)測保證了結(jié)構(gòu)的施工安全，驗(yàn)證了施工方案的合理性及施工全過程仿真分析的準(zhǔn)確性。

5 結(jié)語

1)提出了單層平面交叉網(wǎng)格結(jié)構(gòu)逆作提升技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種永臨結(jié)合的提升支架，保證網(wǎng)格結(jié)構(gòu)提升過程中的抗側(cè)向剛度，解決了平面交叉網(wǎng)格逆作提升的施工難題。

2)形成了結(jié)構(gòu)逆作施工關(guān)鍵控制技術(shù)，進(jìn)行了提升過程的同步提升與抗風(fēng)分析，并給出了相應(yīng)的控制方法，保證了結(jié)構(gòu)的提升安全與安裝精度。

3)形成了平板網(wǎng)格結(jié)構(gòu)卸載技術(shù)，保證結(jié)構(gòu)在卸載前形成抗側(cè)向剛度，結(jié)合卸載過程的整體穩(wěn)定性分析及防倒塌分析，驗(yàn)證了卸載方案的合理性，解決了柔性結(jié)構(gòu)卸載風(fēng)險(xiǎn)高的技術(shù)難題。