大跨度三层双曲钢网壳结构施工技术

寿建军，金　洋

(浙江八达建设集团有限公司， 浙江 杭州 310002)



大跨度三层双曲钢网壳结构施工技术

寿建军，金洋

(浙江八达建设集团有限公司， 浙江 杭州 310002)

以浙江农林大学天目学院篮球馆钢结构工程为例,分析了双曲、三层网壳空间结构的施工特点,提出分区、分层、分别合拢的施工方法,解决了复杂轴网布置下的平面及空间定位困难等诸多问题,最后对结构的卸载进行数值模拟并准确指导现场支撑拆除工作。

大跨度；三层双曲网壳；数值模拟；施工技术

1　工程概况

浙江农林大学天目学院篮球馆钢结构工程位于浙江省诸暨市,主体结构采用空间钢网壳结构,网壳结构基本形式为螺栓球下弦多点支撑四角锥三层网壳结构,节点为螺栓球与焊接球混合节点网壳。支座采用抗滑移球铰弹簧支座。见图1。本工程网架南北向跨度为82.4m,东西向跨度105.8m,上弦最高处标高为31.500m, 最低处标高为16.750m,悬挑长度为8.45m,钢结构总量约650t。

图1　篮球馆主结构轴测图

2　工程特点及施工重难点

本工程篮球馆为三层、双曲结构,其跨度大、高差较大,杆件种类繁多。以上5点构成了本工程的主要特点,加之本馆部分结构采用了焊接球与螺栓球混合节点,安装定位的精准度十分重要。

2.1建筑跨度大

本工程篮球馆的跨度大,建筑东西跨度105.8m,南北跨度82.4m。工程安装前进行了专项吊装专家论证方案。

2.2空间定位困难

双曲、3层钢结构网壳节点定位复杂,难点包括平面定位和空间定位。以篮球馆为例,37个网壳支座坐落在由4段圆组成的蛋形弧线上,弧线由4个圆心控制。

2.3温度及施工变形控制困难

施工累积误差及吊装导致的网壳变形,以及施工时差的温度变形等,可以通过控制温度对结构变形的影响,来使施工时温差、施工误差的影响控制到最小。施工期间正值夏季,结构变形值达到峰值。

2.4结构卸载难度大

体育馆的结构卸载是本工程的重点与关键点。本工程支撑卸载存在如下主要技术难点：

1)本工程钢结构跨度大,卸载过程中。杆件的应力随时变化,有可能超过设计应力,故必须对卸载全过程进行详细周密的分析,制定合理的卸载方案。可通过理论分析来指导整个卸载过程,以保证杆件应力在卸载过程中始终控制在允许范围。

2)整个卸载过程中需经过多次循环卸载才能最终完成。

3)卸载点分布广,为了确保结构的安全和建筑外形,卸载工作须精心组织施工，须控制各卸载点同步下降。

3　施工要点及主要过程

3.1施工方法

根据本工程的特点以及以往类似工程的施工经验,本工程的所有构件将以散件形式发往现场,采用汽车吊配合塔吊提升的拼装方式,对体育馆上空网架采用“搭设满堂脚手架操作平台,结合承重井字格构架高空散装”的施工方案进行施工。

由于工期短、任务重,本工程采用分区分层交叉施工的方法。分区施工流程见图2。

图2　分区施工流程示意图

满堂脚手架按照专家论证后的方案搭设。单个钢结构馆吊装顺序从有支撑跨的一侧开始安装,形成空间刚度单元后再向后逐步进行安装。吊装顺序按照以下方法进行。

①外围1～3圈安装→②4～6圈安装,同时1～3圈上部杆件开始安装→③7～9圈安装,同时4～6圈上部杆件开始安装→④里圈安装,同时7～9圈上部杆件开始安装→⑤里圈上部杆件开始安装→⑥拆除脚手架及支撑架,最后完成整个体育馆屋面网架结构安装。分层安装见图3。

图3　上下分层示意图

3.2弹簧支座定位安装

本工程选用的是弹簧铰支座,该支座的滑移方向实际上就是本结构计算模型中释放的一个位移自由度方向,两者是否吻合意味着制造、安装是否符合设计假定,如有偏差则会限制该方向的运动,出现附加支座反力,严重时会导致结构破坏。因此支座除了要严格控制标高误差以外还应控制方向误差。

施工过程中,采用全站仪施工,以土建提供的轴线与标高为基准进行测量定位、划线。安装完毕后进行复测。篮球馆的37个支座复测结果：37个支座中平面位移最大15mm，最大标高误差8mm。符合《钢结构工程施工质量验收规范(GB50205—2001)》要求。见图4。

图4　篮球馆37个支座平面位置定位图

3.3温度及施工变形、网壳合拢

本工程为抽空三角锥结构形式,结构刚度较小,且支座间距较大,由于施工累积误差及吊装导致的网壳变形,施工时差造成的温度变形等,因此必须控制温度对结构变形的影响,使施工时温差和施工误差影响控制到最小。

通过计算机模拟施工仿真分析,对存在较大变形部位通过杆件加强方式控制变形,对于挠度较大的点,设置临时支撑,待整体结构施工完成后,整体卸载。

合拢区外杆件安装完成后,于早上8：00：00及下午18：00：00两个时间段测量合拢区数据,确定尺寸浮动最小值并确定为安装时间段,之后立刻交由工厂进行加工,待加工完成运至现场,再确定安装时间段进行安装。

3.4支撑架卸载

由于网架安装时采用了临时支撑脚手架,在安装结束后需要拆撑卸载。拆撑卸载的原则是：以结构计算为依据,以结构及支撑系统安全为宗旨,以变形协调为核心,以实时监测为手段。

3.4.1卸载办法与步骤

本工程采用分步循环卸载法,采用螺旋千斤顶来实现。另外，整体网架安装完成后各杆件由于受焊接、气温变化等原因会存在残余应力,于是需要放置72h进行自然时效处理,以消除残余应力再进行卸载。具体步骤如下：

1)中心焊接球节点降10mm,旁边其余焊接球节点降8mm,最内侧三圈螺栓球降5mm；

2)中心焊接球节点降10mm,旁边其余焊接球节点降10mm,最内侧三圈螺栓球降8mm,次内侧三圈螺栓球降5mm；

3)如此反复,逐渐向外侧支座节点扩展,直至全部节点拆除为止,卸载完毕。

图5　21个应力敏感点布置图

3.4.2卸载过程监测

在卸载过程中位移监测是卸载监测的两个手段之一,所以在模拟分析中必须计算出每步卸载过程中各个点的位移量,通过计算机SAP软件模拟施工仿真分析,对存在较大变形部位通过杆件加强方式控制变形,对于挠度较大的点,篮球馆共设置临时支撑点162个,待整体结构施工完成后,整体卸载。

21个应力敏感点布置在相应区域的腹杆上,见图5。对此21个点的应力值进行实时监控,如果与计算值发生偏差或者偏差较大,就暂时停止卸载，检查原因直到排除故障,再继续卸载，以保证结构的安全卸载。

卸载中支撑点上部节点的位移量相当重要,通过比较前后两步的位移量,能够反映出该支撑点的千斤顶是否退出工作。

支座反力的确定关系到千斤顶的大小,同时也能真实反映千斤顶是否退出工作。见图6～8。

图6　部分检测支撑点布置图

图7　卸载过程支撑点支撑反力分析

业主聘请了具有CMA认证专业资质的第三方检测公司对挠度进行跟踪检测,检测结果是卸载后最大累计高差167.3mm,小于203mm。符合《钢结构工程施工质量验收规范(GB50205—2001)》要求。预控效果与计算机仿真模拟基本一致。

图8　部分关键杆件内力变化图

4　结　语

根据工程质量要求高、工期紧、交叉施工的工程特点,采用了新工艺、新安装技术及新组织管理法,通过精心组织,合理施工,最后按工程要求完工且没有发生任何轻伤级以上事故。钢结构跨度挠度值控制在小于设计值的1.12倍以内。2013年11月18日,通过了钢结构整体工程的验收并且获得了浙江省绍兴市的“优质结构工程”、中国建筑钢结构优质工程“钢结构金奖”以及中国建设工程“鲁班奖”。

Construction Technology of the Large Span Three-Layers Double Curved Steel Reticulated Shell Structure

SHOU Jianjun，JIN Yang

2016-07-14

寿建军 (1970—),男，浙江杭州人，高级工程师，从事钢结构设计、施工工作。

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