C型钢柱及外附着双曲网格施工技术

陈建锋 吴立标 蓝宏宇 张芳旭 简俊鑫

(中建钢构有限公司 广东深圳 518040)

1 工程概况

该项目南北向建筑轮廓长143m，东西向长82m，建筑高度28m。钢结构平面及C型钢柱分布如图1所示。

室内钢结构采用“钢柱+大跨度桁架”结构形式。室外钢结构通过周圈设置的36榀尺寸渐变的C型钢柱实现空间异形屋面的设计造型，其中最大的C型钢柱造型尺寸为28m×28m。

建筑外立面采用PIP300×8的圆管组成的空间双曲斜交网格，贴合并附着在36榀C型钢柱外表面，从而使网格最大斜向悬挑达到28m。网格外立面如图2所示。

图2 双曲网格外立面

2 结构特点及施工难点

C型钢柱位于垂直钢柱外侧，柱底通过销轴节点与埋入式柱脚连接，柱顶以相贯节点形式连于垂直钢柱柱顶，中间加设拉结钢梁，加强与内圈结构的连接。

C型钢柱截面为PIP600×16， 其每榀尺寸及弯曲线形均不相同，呈渐变过渡。最大单榀的顶点离地28m，斜向悬挑28m，如图3所示。由于下方倾斜并悬空，因此安装时不适合通过搭设临时支撑措施来安装。

图3 钢结构纵向剖面

建筑外围采用PIP300×8钢管组成的菱形网格，共计2176个菱形及三角形，每个边长尺寸均不相同。网格面为双曲面，贴合在C型钢柱外表，同样为斜向悬挑。双曲网格空间翻转以及高空定位难度大，网格曲率及倾斜角度连续变化，因此加工、拼装及安装方法需综合确定。

3 C型钢柱安装工艺及要点

3.1 施工方法概述

C型柱斜向悬挑，不便搭设临时支撑，若采用分段吊装、高空对接方法，则不利于作业安全保障以及空中对接的质量管控。综合考虑后，采取地面拼装成大C型，而后使用双机抬吊以及局部加强措施，实现高空无支撑安装，吊装实例如图4所示。

图4 C型钢柱安装实例

3.2 地面拼装、起吊准备及防变形措施

地面布置水平胎架，将钢柱拼成大C型，C型开口端使用手拉葫芦及钢丝绳连成柔性抗拉措施，可防止下一步空中翻身后产生的开口变形，同时也方便就位阶段上下口的开口距离调整，如图5所示[1]。

图5 C型钢柱地面拼装

使用三维建模软件查找C型钢柱整体起吊时的重心位置，根据重心位置确定合理的起吊吊点位置并在地面拼装时加焊兜带防滑措施，如图6所示。

图6 C型钢柱单元重心

3.3 起吊变形验算

起吊状态下，C型平面平行于地面；而吊装就位状态下，C型平面垂直于地面，故需使用计算软件分别计算2种状态下的应力应变值，确保方案可行。图7为起吊状态下(水平状态)的分析结果，此时柔性拉结无应力，整体最大变形为44mm；图8为就位状态下(垂直状态)的分析结果，此时柔性拉结产生拉力，整体最大变形为56mm。

图7 水平状态有限元模型

图8 垂直状态有限元模型

从分析结果可以看出：C型钢柱吊装阶段最大变形为56mm，出现在C型平面翻身完成后，位于C型开口端，即自由端；吊装单元整体最大尺寸28m，允许变形L/400=70mm，满足规范要求。

起吊最大应力同样出现在C型平面翻身完成后，位置在上排吊点附近，该位置单元应力结果为86.41MPa，其小于钢管母材345MPa，满足规范要求。

C型开口处的柔性拉结措施的计算应力为41.33kN，施工时采用10t手拉葫芦，承载力100kN，满足要求。

3.4 吊装工况分析

选取最大C型柱作工况分析，单榀15t。吊机尽量靠近其安装位置，使主吊机最终吊装半径为14m。

采用2台100t汽车吊(配重32.5t)实现空中90°翻身，翻身完成后副吊机松钩，由主吊机单独施吊，分阶段工况分析如图9所示。

双机抬吊阶段，最不利情况下主吊机承担所有重量，其14m半径下额定吊重18.8t，双机抬吊限重原则18.8×80%=15.04t>C型柱15t，吊重满足要求。

单击施吊阶段，主吊机14m半径下额定吊重18.8t>C型柱15t，吊重满足要求。

图9 C型柱吊装工况

3.5 双机抬吊空中翻身

起吊时，采用双机抬吊方法，主吊机抬升C型柱上排吊点，辅助吊机配合抬升C型柱下排吊点，以免整体发生面外扭转，两台吊机服从统一指挥，实现C型柱的空中90°翻身，如图10所示。

图10 C型钢柱空中翻身

3.6 就位固定步骤

(1)C型钢柱完成空中翻身后，缓慢靠近安装位置，先安装底部销轴节点，如图11所示。

图11 销轴节点安装

(2)C型钢柱下口固定后，将上部相贯口靠拢，利用钢柱自重或手拉葫芦来调整上口，合适后，进行相贯口的焊接加固。

(3)上下口均固定后，尚不能对C型柱进行整体松钩，还需安装结构自身的拉结钢梁，加强整体性，避免悬挑端下沉导致不可逆的变形。

3.7 防侧向变形措施

(1)C型钢柱空中翻身为关键步骤，由一名经验丰富的起重技师统一指令，指挥两台吊机相互配合，提上口的吊机为主吊机，提下口的吊机配合翻身。通过主次吊机的职责划分与施工交底，能有效减少面外扭转的变形量。

另外，安排1～2名专职技术质量人员，观测C型钢柱是否发生面外扭曲，一旦发现明显扭曲，立即叫停。

(2)C型柱就位并临时固定后，通过拉结缆风绳，配合特征点坐标测量，校正C型柱环向方向的转角偏差，如图12所示。

图12 转角偏差测量

(3)校正完成后，及时跟进原结构环梁的安装，使形成整体稳定体系，如图13所示。

图13 环梁安装及缆风绳示意

3.8 其他注意事项

C型钢柱底座销轴节点的双夹板，板厚40mm，施焊前需采用拉结加固措施进行临时固定，避免焊接变形导致双夹板上口张开，以致销轴盖板无法拧紧[2]。

4 双曲网格安装工艺

4.1 施工方法概述

网格杆件较多，且斜向悬挑，若采用高空散件拼装则不易设置支撑，也难以保障杆件安装精度和整体曲率。故需根据结构特点和吊重限制，合理分片后进行地面三维拼装、整片双机抬吊、散件高空嵌补等工序，安装实例如图14所示。

图14 网格安装方法

4.2 网格分片地面拼装

根据网格结构特点和吊机吊重等因素对网格进行分片划分，共计32个分片，其参数如表1所示。

表1 网格分片信息表

在三维模型中将分片逐一导出，调整拼装姿态(两头高中间低)，根据调整后的分片三维模型，并考虑施工可操作性，在三维模型上加设胎架支撑点并提取胎架点的三维坐标，供现场进行放样和杆件拼装，拼装坐标图示例如图15所示[3]。

地面拼装，主要使用30mm厚的钢板作为底板、HW200×200×8×12型钢，作为立杆支撑，如图16所示。

图16 网格拼装胎架

4.3 网格分片吊装

网格沿屋面檐口的一圈以及网格落地的一圈，分别设计上、下收边管，地面拼装成片时，把收边管一起拼好，一次起吊。

网格分片安装前，先根据其落点的三维坐标，制作型钢马镫，如图17所示，用作网片的临时就位和固定，减少空中调整的时间。

图17 网格底部马镫

分片吊装采用双机抬吊，每片4个吊点，采用兜吊方式，钢丝绳缠绕于节点处，避免滑脱，实施前使用有限元软件计算分片的吊装变形，如图18所示。

从分析结果可以看出：网格分片吊装阶段最大变形为37mm，出现在分片末端，也即自由端；分片最长尺寸37.6m，允许变形L/400=94mm，满足规范要求。

分片起吊最大应力75.87MPa，出现在下排吊点附近，其小于钢管母材345MPa，满足规范要求。

图18 网格分片有限元分析模型

两台吊机分别站位后，将分片起吊脱胎，缓慢移动，先将分片下口落位于型钢马镫上，初步调整姿态后进行限位，然后抬升上口吊点，使下口绕轴转动，上口逐步就位，贴合于C型柱上，再测量校正上下收边管管口，以及网片中部控制点的空间坐标，无误后临时连接固定，吊装实例如图19所示。

图19 网格分片吊装

4.4 网格嵌补杆件安装

网格分片安装完成后，相邻分片之间的嵌补杆件需在高空进行安装，由于数量多，杆件长度、安装角度各异，且属于高空作业，临时操作平台难以安拆，需现场搭设满堂脚手架，以方便工人登高，如图20所示。

图20 满堂脚手架搭设

4.5 施工过程中注意事项

(1)网格圆管设计为一个方向贯通，而另一个方向相贯连接，地面拼装时，需先将贯通方向的圆管拼装固定，并完成焊接，然后才能进行相贯方向的圆管拼装，如图21所示。

地面拼装质量将影响后续的焊接质量，进而影响最终的观感效果，因此需严格把控曲线的平顺性，接口间隙的大小以及焊缝外观成型等问题。

图21 网格分片拼装步骤

(2)分片吊装就位后，嵌补圆管的安装也很重要，由于相邻分片可能存在不同步的下挠变形，需要靠嵌补圆管两头微调来消化偏差，安装时，需结合三维放样的点位标记进行微调，使整体曲线平顺性满足要求。现场实施效果如图22所示。

图22 嵌补单元安装

5 结语

该项目施工重点，在于对结构特点和受力体系充分理解的基础上，将结构进行合理划分、分单元进行安装的施工思路。对于大尺寸异形吊装单元，主要采用地面拼装成大单元、然后双机抬吊的施工方法。

项目部本着大胆尝试，小心实施的管理理念，经常性组织不同深度的方案讨论、评审，对比优选各种可能性方案。方案实施前，结合有限元分析软件，计算最大变形和应力，从理论上验证方案可行性，并反复推敲方案实施细节，再结合现场实施结果，改进完善施工方法，加快效率的同时提升质量。

该项目施工方案，对于大空间、异形悬挑结构以及薄壁壳体类钢结构的安装，具有较好的借鉴与参考意义。