树杈结构单元式拼装预变形施工技术

那志强

摘    要：树杈结构的吊装施工过程，上部结构荷载对底部结构的变形有较大影响。为使竣工时的树杈结构达到设计位置，满足树状结构的整体变形及承载力要求，在单元式拼装技术基础上提出预变形施工技术。针对唐山勒泰中心项目的冰场树杈结构，通过MIDAS进行施工模拟，确定树杈结构各节点的预变形值。指导树杈结构的现场施工，并明确施工方案和施工流程，应用效果好。

关键词：树杈结构;预变形;单元式拼装;施工模拟;现场施工

1  引言

随着社会的进步与发展，近年来树杈结构在大型、大跨度、造型复杂的空间结构得到广泛的应用。作为一种新型结构形式，它具有美观且光滑连贯的过渡外形，并且支撑空间大，覆盖范围广。一般树状结构由主干柱、分级节点、分级树杈组成。

鉴于树杈结构独特的造型和受力的连贯性，树状结构的施工必须采取科学、合理、可靠的技术，才能保障整体工程的质量。

结合唐山勒泰中心项目A区冰场的树杈结构，为降低施工难度，提高施工速度和质量，提出并采用单元式拼装预变形施工技术。

2  工程概况

唐山勒泰中心项目A区由穹顶和冰场组成。A区冰场树杈上空为曲线钢结构网格，主次梁结构，支撑冰场上空的为树杈结构，树杈顶部支管与屋面主次梁以单向铰形式连接。典型树杈为一分四，四分十六形状树杈，其余形状有一分二，二分六形状树杈。

树杈结构是冰场主要的受力结构，其施工过程也是该工程的关键环节。为降低施工难度，提高树状结构的施工速度和施工质量。本工程对树杈结构的吊装采用从下而上分级单元式拼装技术。另外树杈结构的吊装施工过程，上部结构荷载对底部结构的变形有较大影响，正常施工过程会造成树杈柱及上部结构的位置偏差，产生较大侧移。为使竣工时的树杈满足设计位置，保证树状结构的整体变形及承载力，在单元式拼装技术基础上提出预变形施工技术，形成树杈结构单元式拼装预变形施工技术，并指导现场的工程施工。

3  技术原理

3.1  预变形值确定方法

为更好地控制树杈结构在施工过程中由偏心荷载造成的侧向变形，先通过全过程施工模拟计算预變形值，再进一步指导现场施工。

预变形值的计算方法为正装迭代法，结合二级树杈结构施工过程，说明正装迭代法的具体步骤：

（其中v为结构希望达到的设计位置，u（i）为第i次迭代后相对初始位置的变形。）

给定设计位置v，按照实际施工方案对树杈结构进行全过程正序跟踪分析，可得到成型状态结构的变形u（1）和位置v + u（1）;则以? u（1）作为预变形值，施加到设计位置上，就得到初始位置vu（1）。如果结构按施工步正常施工，在竣工状态时回到设计位置;或者第二次以u（2）迭代达到设计位置，二者误差u（1） ? u（2）较小满足变形收敛标准（竖向高度h/2000内收敛），此时vu（1）即为初始位置，?u（1）为预变形值。否则，则继续迭代至满足变形要求，确定最终的预变形值? u（n）。

3.2  单元式拼装与预变形技术

本工程采用单元式拼装技术与预变形施工技术相结合的施工方案。单元式拼装即对于树杈结构采用先一级树杈后二级树杈的施工顺序。各级树杈构件均采用先将支管与节点焊接再高空吊装的方案。

预变形施工需要先通过有限元分析软件，利用正装迭代法计算预变形值完成后，再进行现场的施工指导。这里所需的预变形值包括柱顶预变形值、一级树杈支管顶部预变形值和二级树杈支管顶部预变形值。预变形施工主要原则为：控制柱顶、一级树杈支管顶部、二级树杈支管顶部吊装在计算所得的精确预变形施工初始位置再进行焊接固定，待屋面吊装完成，树杈结构达到设计位置。

4  树杈结构施工仿真

4.1  树杈计算模型

本文针对较为复杂的一分四，四分十六形状树杈进行施工模拟，利用正装迭代法，最终确定树杈结构的施工预变形值。

采用MIDAS GEN软件，先对整体冰场结构进行恒载作用下计算分析，找到侧向变形最大的树杈柱，对该树杈结构进行全过程施工模拟：将整个树杈结构计算过程按施工步依次生成结构构件单元，逐步进行计算分析。需要指出的是，施工模拟中，树杈杆件的生成顺序与施工顺序一致外，施加的荷载也与施工过程保持一致。

4.2  正装迭代全过程施工仿真

通过全过程施工仿真进行反复迭代至树杈结构达到设计位置，得到最终的施工预变形值。施工采取单元式拼装方案，故全过程施工仿真共分为7个施工步：

（a）底柱;（b）一级树杈构件;（c）二级树杈1号分叉;（d）二级树杈2号分叉;（e）二级树杈3号分叉;（f）二级树杈4号分叉;（j）屋面吊装，所需吊装屋面指根据整体结构施工方案，该树杈分配到的支撑屋面。

每次迭代计算均遵循以上7个施工步的施工顺序，只是每次迭代设定的预变形值不同。MIDAS建立树杈结构模型，定义不同施工阶段，逐步进行施工仿真，底柱和一、二级树杈用梁单元模拟，底柱为钢管混凝土柱。

4.3  计算结果分析

树杈结构前视图。本文以柱顶A、一级树杈顶顶B、二级1号树杈顶C三点为例，介绍确定预变形值的计算过程。其中，A、B、C三点空间位置。

4.3.1  未调节时施工初变形值

按照正装全过程施工仿真的7个施工步进行第一次迭代计算，得到A、B、C三点未进行预变形调节前随施工步变化的X向侧向变形值。故未调节时施工阶段完成时的变形值为：

4.3.2  预变形施工调节分析

（1）第一次预变形调节。第一次迭代确定A、B、C三点X向施工初变形值后，进行第二次正装迭代施工仿真，即第一次预变形调节。三点的X向第一次预变形值为：

[-uA（1）=-15mm，-uB（1）=-41mm，-uC（1）=-106mm]

以第一次预变形值进行施工仿真，分析7个施工步的成型位置与设计位置的X向位置差，计算结果如图6所示。由图6可得，第一次预变形施工完成时A、B、C三点X向位置差（与设计位置对比）分别为：

（2）第二次预变形调节。以第二次迭代结果确定的X向第二次调节预变形值为：

以该预变形值进行施工仿真，分析7个施工步的成型位置与设计位置的X向位置差，计算结果如图7所示。由图7可得，第二次预变形施工完成时A、B、C三点X向位置差（与设计位置对比）分别为：

故A、B、C三点均满足收敛要求，迭代结束。

综上可知，通过两次预变形调节分析，得到A、B、C三点X向最终的预变形值分别为：

5  施工现场操作要点

树杈结构的预变形值确定后即可指导现场施工。现场施工按照单元式拼装技术流程进行施工。现场施工顺序与施工仿真顺序一致，需要注意的是各树杈构件均按计算所得预变形值进行精确吊装、焊接。针对现场施工，确定树杈单元式拼装预变形施工的流程。

5.1  一、二级树杈节点的加工

铸钢树杈节点造型复杂美观且光滑连贯过渡，连接杆件多，加工复杂程度大，故铸钢树杈节点均需要在专业厂家的车间内进行加工。加工完毕后需进行节点的检测，检测合格后将铸钢树杈节点运送到施工现场。

5.2  支管与树杈节点的焊接

为保证节点的强度，避免在相贯线附近处出现应力集中的现象，将节点与构件的焊接部位转移到节点区之外。并且在地面进行焊接工作，降低焊接难度，保证焊接质量。

5.3   一、二级树杈构件的吊装与焊接

一、二级树杈构件吊装与焊接的主要施工流程为：节点及构件检测→焊接工艺评定→现场吊装（临时固定、焊接环境控制）→按规定工艺焊接→焊缝检测。

（1）现场检测。对于加工完成的铸钢树杈节点运输到现场后需进行二次检测。检测可采用三维坐标测量仪对节点几何尺寸及形状位置进行复测检测，合格后方可进入下道施工工序。

（2）现场吊装。采用高空整体吊装需要对吊装场地仍需进行复核、设计、处理。根据总体施工方案，并综合起重机械技术参数、吊装重量、吊装高度及技术经济性，确定起重机械的型号，同时需要考虑起重机械的开行路线。预变形施工现场吊装的关键是根据预变形值的要求，将树杈结构各构件吊装到指定位置。

（3）现场焊接。严格按工艺评定的要求施焊：控制预热温度;双人双向对称焊，随时对焊接产生的变形进行观察，层间焊接时通过调整焊接次序及临时固定方法来控制焊接变形，保证焊接過程不影响树杈结构设计位置;随时控制好电流、电压、气流、焊接速度，清理焊缝施焊前的夹渣、浮锈、氧化皮等杂质;焊接完成后，采用石棉布包裹，以使焊接区缓慢冷却，避免产生冷裂纹。

需要注意的是，各级构件焊接时确保焊接质量，控制焊接变形，使焊接前后吊装的各级树杈构件位置不变，保证焊接过程不影响树杈结构设计位置，达到预变形施工设计要求。

6  结束语

本文针对唐山勒泰中心项目A区冰场支撑树杈结构的施工，提出树杈结构单元式拼装预变形施工技术，通过MIDAS进行施工仿真确定预变形值，指导树杈结构的现场施工，应用效果好，具有明显的施工优势，具体结论如下：

（1）采用单元式拼装方案，操作简便，便于控制调整，降低焊接难度，加快施工进度、缩短工期。而且在地面进行一、二级支管与节点的焊接，减少高空作业，焊接质量高，工作人员安全保障高。

（2）本文在单元式拼装技术基础上提出预变形施工技术。对A区冰场侧向变形较大的树杈结构进行全过程施工仿真。通过两次预变形调节，使树杈结构施工成型时达到设计位置。确定柱顶、一级树杈顶、二级树杈1号分叉顶的X向施工预变形值分别为：-11mm，-33mm，-91mm，指导现场施工。

（3）对于本工程及其他大型钢结构工程，预变形施工技术避免了一般施工方法造成的过大施工变形和承载力风险。很好地控制了施工造成的变形，使结构在竣工时达到设计位置和施工预计效果，并较大程度上保证结构的承载力，降低施工过程对结构造成的不利影响。

参考文献：

[1] 陈俊，张其林.树杈柱在大跨度空间结构中的研究与应用[J].钢结构，2010（3）.

[2] 张倩，陈志华.树状结构组成、编码及分类[J].空间结构，2013（4）.

[3] 谭仲毅.树状结构施工技术研究与应用[D].重庆：重庆大学，2002：17～38 .

[4] 黄崇灿，张汉深.树状结构安装技术分析[J].城市住宅，2009（7）.

[5] 刘学武.大型复杂钢结构施工力学分析及应用研究[D].北京：清华大学，2008：56～70.

[6] 徐自国，马宏睿.陕西法门寺合十舍利塔的施工过程模拟及施工预变形分析[J].施工技术，2008（Z）.