浅析南京龙之谷综合体复杂大跨度钢结构施工技术

文／付水平、陈杰、陈奕帆 中冶（上海）钢结构科技有限公司 上海 201900

1、工程概况

近年来，旅游业随着经济的发展逐渐成为消费者“刚性”需求。在促进消费、打通内循环的大方针背景下，催生了一大批诸如上海迪士尼、北京环球影城、万达主题乐园等旅游综合体，带动了文旅消费爆发式增长。南京龙之谷综合体作为亚洲最大的室内乐园，由A、B、C、D、E五个场馆构成。

由于整体工程量巨大，本文主要就C馆进行钢结构施工工艺的探讨。为便于构件加工运输及现场安装的精细化管理，提高施工效率，故将C馆分为5个施工区。对于大跨度桁架等类似加工件（运输条件允许范围）以“分区制作、地面拼装，分段/整榀吊装；综合安装，逐区推进”为原则进行施工。

C馆建筑结构外缘最大长度216m、结构外缘最大宽度204m，建筑面积36500㎡，结构标高+36.00m，用钢量约5400t，主体采用“钢管混凝土柱+屋盖管桁架”结构形式，屋盖主桁架截面高度4m、跨度5.1m～62m。

2、重难点分析及对策

重难点分析：

(1)本工程管桁架全部需要在现场进行拼装、焊接，拼装工作量极大；

(2)部分桁架为实现其曲面空间造型，必须采用空间三点坐标定位，拼装精度控制难度大；

(3)桁架作为屋盖承重体系，其焊接质量决定了结构的后期使用安全。由于南京全年降水量大、时间长，现场的焊接环境较差，如何保证焊接质量是本工程难点。

(4)现场地形复杂，环境因素较差，地基承载力薄弱，对于构件进场及吊装均产生不利影响。

解决措施：

(1)对工厂加工杆件进行实时质量监控，出现偏差及时修正，保证构件的加工精度；

(2)检查杆件组装精度无误后才能开始焊接；焊接时现场搭设防风防雨措施；

(3)焊接完成后再次复核桁架的整体外形尺寸，超出允许偏差必须及时矫正；

(4)根据现场工作量和施工进度安排，提前进行相关操作人员培训、考核，只有经考核合格者方能参与本工程相应施工操作。

(5)对现场拼装场地进行压实硬化，拼装胎架经过设计计算，保证有足够的强度、刚度和稳定性，保证地面拼装精度[1]。

3、施工工艺技术

根据本工程结构形式、特点以及工作面交付顺序，钢结构主体采用“地面拼装、分区施工，综合安装、逐区推进、分区卸载”工艺。总体结构吊装顺序为：钢柱→柱间环桁架→屋面主桁架(连系桁架、单层网壳)、次桁架、屋面支撑→散件补档。

3.1 支承胎架的设计与安装

3.1.1 设计与安装概述

本工程单榀桁架跨度大、重量重，需分段进行吊装并设置足够强度和刚度的支承胎架，确保安装过程中桁架的空中稳定性及整个施工过程的安全。屋盖桁架必须完成安装、焊接并形成稳定整体结构体系以后方可进行支承胎架的卸载和拆除。

3.1.2 支承胎架布置原则

(1)安全、可靠，方便施工（包括胎架本身的施工和屋盖钢结构桁架的施工）。

(2)符合设计意图，即安装的结构受力状况与原结构本身的受力状况基本一致。

(3)减少安装时的桁架变形，便于安装精度的控制。

(4)简化结构的受力和支承胎架的受力情况。

(5)卸载要安全、可行，方便施工。

3.1.3 支承胎架设置

3.1.3.1 胎架基础及柱脚的设置

桁架吊装前，馆内地面必须压实，土基上部铺600mm压实碎石，经平整后，根据支承胎架类型设置井字型H型钢转换梁，根据胎架坐落位置，下铺路基箱并与其焊接牢固；底座四周设H型钢（或角钢）地桩并与井字梁端部焊接。将支承胎架上的荷载由转换梁（井字梁）通过钢板传递至压实地面。

3.1.3.2 胎架的稳定措施

支承胎架最大支承高度为30m，主要分布于树状柱四周。在吊装时，除了采取上部拉设缆风绳外，在其腰部与结构钢柱做水平临时刚性支撑连接。

3.1.4 支承胎架安装

3.1.4.1 安装流程

定位放线→胎架底座（钢板+转换梁）安装→胎架安装→校正、临时固定→焊接固定。

3.1.4.2 安装方法

（1）胎架底部土基必须整平、压实，增大胎架与地基的接触面积，减少胎架沉降，增强胎架稳定性。

（2）支承胎架下部地面需进行如下处理：土基分层压实后须铺填40cm厚石块，然后铺厚20cm碎石，承载力达到20t/㎡以上。

（3）支承胎架安装前先放线定位。先安放底座，再安装支承胎架。安装就位后四周立即拉设缆风绳（与地面夹角45°），缆风绳地锚用L100＊10角钢打入压实土基1m。

（4）缆风绳上部与胎架顶部横梁环绕捆绑，下部与角钢穿孔环绕，并分别用3卡扣固定绳头[2]。

3.2 钢柱拼装

3.2.1 安装概况

钢柱采用分段吊装，即先吊装预埋部分，待下部钢柱完成混凝土浇筑后吊装地上单元。上部钢柱吊装必须在混凝土达到一定强度后进行。

3.2.2 安装工艺

斜柱在安装过程中，由于其侧向偏心较大，为保持侧向稳定性，先安装斜柱外侧的雨棚结构，并通过雨棚主梁与斜柱形成整体结构体系。在斜柱安装时在其重心以上3m位置处增设临时斜支撑，待其柱顶环桁架、径向柱桁架安装完成后，方可拆除。

3.3 屋盖桁架安装

3.3.1 安装概况

C馆屋盖最大安装高度36m、重量32t、跨度62m，屋盖桁架采用整榀分段，保证吊装过程稳定。桁架散件进场，现场拼装、吊装，桁架分段处下设支承胎架，待屋盖安装完毕并形成整体稳定体系后再进行支承胎架的卸载和拆除。

3.3.2 安装工艺

现场采用搭设临时支承胎架、分段吊装的方式进行安装。

(1)每种类型桁架的吊点设置方式

1）大截面桁架、弧形（托）桁架：吊点设置在桁架上弦，共4个吊索，吊钩的平面位置与桁架重心重合，保证吊索与水平面的夹角不小于45°。为保证吊装过程中桁架不发生严重的晃动，在桁架两端设置缆风绳。

2）小截面直线形桁架：根据小截面桁架的跨距大小进行分别设置相应数量的吊点。

(2)定位空间支撑点及其地面投影

根据吊装单元结构形式合理选取支撑点位置，通过空间三维实体模型放样，利用测量仪器精密测量定位各支撑点空间坐标，然后在地面上用十字线标记各定位点地面投影坐标。

(3)安装临时支承胎架

安装临时支承胎架要求胎架底面中心与地面十字线中心重合，胎架总高度应该为吊装单元支撑点空间高度与地面标高的差值。为保证胎架的侧向稳定性，除胎架柱脚与地锚焊接外，现场每个胎架四面拉设缆风绳。

3.3.3 安装技术措施

(1)桁架分段调位

吊装分段脱胎后，如吊装分段的倾斜角度不满足安装就位要求，通过手拉葫芦改变吊绳长度实现对倾斜角的调节；也可预先选定不同长度的吊绳来实现。此工序要保证绳索与起重机吊钩的中心线应通过桁架分段的重心。调位工序可在脱胎之后、吊装就位之前进行。

(2)桁架分段吊装

本工程弧形托桁架采用原位立拼，平面桁架采用就近拼装吊装，避免二次倒运造成的构件变形及油漆损伤等。

(3)桁架分段就位

构件吊装段的就位工序可具体为：吊装段高于安装位置2m左右处，用溜绳牵拉调整朝向，缓慢降至安装位置上空0.5m左右处，调整分段与安装位置关系；再次缓慢落钩，保证相邻结构不碰撞，边牵拉溜绳边将构件吊装段就位于安装位置。就位过程中用全站仪进行坐标定位。

(4)桁架分段固定

各分段间的标高应考虑焊接变形影响并跟踪测量，连接固定前校核构件吊装段的安装高度和水平位置。待连接固定完成后脱钩，提升力释放一般分三次：第一次释放1/4，第二次释放1/2，第三次完全释放。

(5)桁架弦杆对接节点安装精度保证措施主要包括：

1）安装前对支承胎架顶部支撑托板的三维坐标进行复核调整，保证支座点的标高位置准确无误。

2）桁架对接前对连接接口位置坐标进行复核，有误差及时调整，并依此校正安装段对接接口的位置。

3）桁架主弦杆对接口设置定位耳板，便于对接安装时定位及临时固定[3]。

3.4 现场焊接

3.4.1 焊接工艺流程

现场施工焊接工艺流程如图1所示。

图1

3.4.2 铸钢件焊接

本结构设计有大量的铸钢节点，都是在受力复杂，杆件相贯较多的重要节点处，焊接质量的好坏对整体结构安装质量起决定性的作用，为此：

(1)优先选用低氢高韧性的碱性药皮焊条手工焊进行焊接；

(2)焊接工艺评定必须严格遵守JGJ81-2002《建筑钢结构焊接技术规程》的有关规定；

(3)焊接工艺按合格的焊接工艺评定制定，施工中贯彻执行，焊接工艺参数包括焊接材料的选择、坡口形式、焊接电压、焊接电流、焊接速度、预热温度、后热温度、层间温度的控制；

(4)铸钢GS-20Mn5QT为改善了可焊性的铸造调质钢，焊接性能良好，但是由于接头板厚，原则上拟采用稍高的焊前预热温度防止裂纹，作为调质钢材，要控制热输入量和道间温度的上限，以防止近缝区软化，同时采取道间锤击工艺，松弛接头焊接收缩应力；

(5)铸钢件与异种钢接头的焊接，应按厚板焊接的有关工艺规定进行施焊，作好定位焊的施焊控制和检查，并保证接头的对称、连续焊接，一次完成，特别是要作好焊接防风和焊后缓冷保护，焊后应后热消氢、消应力，后热处理后包扎保温棉缓冷，同时保证足够的探伤检查延迟时间，避免延迟裂纹。

3.5 支承胎架卸载与拆除

3.5.1 卸载原则

卸载时，要确保过程安全、操作方便，不能改变设计意图或对构件力学性能产生较大影响。避免支承胎架内力或结构体系的杆件内力过大而出现破坏现象，保证结构体系可靠、稳步形成，卸载方案应遵循以下原则：

(1)通过理论计算掌握结构受力及变形情况；

(2)确保结构安全和变形协调；

(3)确保支承胎架安全；

(4)卸载过程应循序渐进，严格执行过程监测，确保按预定的卸载步骤进行。

3.5.2 卸载工艺

馆屋盖各区胎架支撑点最大卸载量为14.2mm，卸载值较小，适合采用较为简便的火焰切割法进行卸载：

（1）根据卸载步骤，在支承胎架顶部H型钢支撑点处依次画出卸载切割线。

（2）同一个卸载区内根据需卸载点数量配备人员及工器具。

（3）卸载指令下达后各点同时切割支撑点H型钢，开始卸载。

（4）第一次级切割完成，桁架下降至预定位置，确认同步卸载各点全部完成，统一开始下一步卸载，直至卸载完毕。

（5）卸载完成后支承胎架不直接拆除，对桁架连续监测3日，无异常后拆除。

3.5.3 支承胎架拆除

支承胎架在卸载完成后分段拆除，拆除选用50t汽车吊。拆除时要注意以下事项：

(1)在确认拆除段与下段或锚固件彻底脱离后，才能起吊和移动；

(2)拆除过程中，拆除段拉设溜绳，防止与已安构件或混凝土结构发生碰撞；

(3)未拆除段及时拉设风缆绳，防止倾翻。

4、桁架起吊翻身验算

根据施工方案，选取最不利的径向桁架，进行桁架脱胎时吊装翻身验算,如图2所示。

图2

结构材料及截面特性见下表1。

表1

4.1 桁架吊装分析

根据施工分段及胎架、结构柱的分布情况，根据受力最不利原则，取径向主桁架（跨度最大）进行吊装翻身分析。采用大型有限元分析软件MIDAS/GEN进行吊装有限元分析。结构自重软件自动计算。考虑到吊装过程中许多不确定性因素，结构自重乘以放大系数1.2，恒载（自重）荷载分析系数取1.35。

4.2 有限元模型及边界条件

有限元3D模型及边界条件如下图3所示。

图3

4.2.1 刚度分析

桁架最大位移为27.97mm＜12679＊2/400=63.4mm，满足《钢结构设计规范》的要求，如图4所示。

图4

4.2.2 吊索拉力

基本组合下吊索拉力最大值为149.8kN。

4.2.3 强度分析

各构件应力比如下图5所示。

图5

吊装过程中各构件的应力比均小于0.16，满足强度和《钢结构设计规范》的要求。

4.3 小结

由上述计算分析，桁架的整个吊装翻身过程满足强度、刚度的要求，吊装过程安全合理。

5、屋盖斜柱安装过程验算

5.1 荷载工况及组合

屋盖桁架主要承受结构自重荷载（DL）。考虑到节点用钢量，自重荷载取1.2的放大系数，自重荷载（DL）分项系数取1.35。

5.2 过程分析结果

5.2.1 SG-1步分析结果

(1)刚度校核

如图6所示，结构最大位移值为31.7mm＜35217/40 0=88mm，满足《钢结构设计规范》GB50017的要求。

图6

(2)强度和稳定性校核

由应力比云图7可知，构件的最大应力比均小于0.34，满足《钢结构设计规范》GB50017的要求。

图7

(3)小结

由上述计算分析，SG-1施工步骤，屋盖结构受力满足强度、刚度和稳定性的要求，施工过程安全合理。

5.2.2 SG-2步分析结果

(1)刚度校核

如图8所示，结构最大位移值为40.8mm＜35217/40 0=88mm，满足《钢结构设计规范》GB50017的要求。

图8

(2)强度和稳定性校核

由应力比云图9可知，构件的最大应力比均小于0.47，满足《钢结构设计规范》GB50017的要求。

图9

(3)小结

由上述计算分析，SG-2施工步骤，屋盖结构受力满足强度、刚度和稳定性的要求，施工过程安全合理。

5.2.3 SG-3步分析结果

(1)刚度校核

如图10所示，斜柱柱顶最大位移值为31.3mm＜352 17/400=88mm，满足《钢结构设计规范》GB50017的要求。

图10

(2)强度和稳定性校核

由应力比云图11可知，构件的最大应力比均小于0.25，满足《钢结构设计规范》GB50017的要求。

图11

(3)小结

由上述计算分析，SG-3施工步骤，屋盖结构受力满足强度、刚度和稳定性的要求，施工过程安全合理。

结语：

通过在施工中不同阶段的受力计算分析，优化了节点加固工程量，保障了施工过程的安全性，编制了合理的施工组织设计，并结合先进的施工技术，最大可能的节约成本，大力实施“精品工程”战略，为业主打造的这艘旅游业的航母注入强劲动力。