陡缓坡弧度突变不规则多曲面钢网壳施工关键技术_迂长伟.pdf

建 筑 技 术 Architecture Technology第 54 卷第 4 期 2023 年 2 月Vol.54 No.4 Feb.2023423陡缓坡弧度突变不规则多曲面钢网壳 施工关键技术迂长伟，巴继庚，谢振民，宋 辉，高 云（北京建工集团有限责任公司，100055，北京）摘要：衢州市文化艺术中心和便民服务中心中央大堂建筑外形新颖，结构造型轻盈飘逸，刚柔并济，陡缓坡曲面弧度突变，平面外刚度弱，高空定位难度大，安全风险高，钢结构安装采用技术可行、安全可靠、经济合理的施工工艺，化繁为简、化难为易，实现大跨度空间异形钢网壳精准高效安装。关键词：陡缓坡；钢网壳；分片安装；装配式钢管支撑；柔性拉索校正中图分类号：TU 74 文献标志码：A 文章编号：1000-4726(2023)04-0423-05KEy TEcHNoloGy oF coNsTrucTioN oF irrEGulAr MulTi-curvED sTEEl rETiculATED sHEll wiTH ABrupT curvATurE oF sTEEp AND GENTlE slopEYU Chang-wei,BA Ji-geng,XIE Zhen-min,SOnG Hui,GAO Yun(Beijing Construction Engineering Group Co.,Ltd.,100055,Beijing,China)Abstract:Quzhou City culture and art center and convenient service center the central lobby innovative architectural appearance,structure modelling elegant,rigid-flexible economic,steep gentle slope surface radian mutations,out-of-plane stiffness is weak,difficult to locate,high security risk is high,the steel structure installation technology is feasible,safe and reliable,economic and reasonable construction technology,change numerous for brief,hard,to achieve accurate and efficient installation of large span space special-shaped steel mesh shell.Keywords:steep and gentle slopes;steel reticulated shell;prefabricated steel pipe support;flexible cable correction1 工程概况衢州市文化艺术中心和便民服务中心工程位于浙江省衢州市智慧新城，总建筑面积 25.74 万 m2，是三衢大地城市新地标，是南孔圣地的政治、文化和市民中心。项目由剧院演艺中心、文化中心、行政服务中心、后勤保障用房及配套交流中心和中央大堂五大板块组成（图 1）。上部建筑总平面呈“米”字形，长约 295 m，宽约 223 m，平面上各单体相对独立，又通过中央圆形广场有机链接。图 1 建筑效果本项目建筑方案在整个地块的南向主入口设置了下沉广场，主入口两侧为大面积通高空间，定位为城市客厅，此处建筑空间效果要求高，并且为了减少结构杆件遮挡视线，中央大堂屋盖要求结构、幕墙一体化设计，结构杆件既作为支撑体系，又需要与幕墙单元划分相匹配，设计经过多方案对比分析确定采用空间钢网壳+屋面钢桁架结构体系（图 2）。图 2 E 座（中央大堂）三维轴侧图E 座（中央大堂）钢结构嵌固端最低点标高：5.600 m，冠顶最高点标高：+52.299 m，最大跨度约67 m（图 3 图 5），主入口大堂 4 根支撑钢柱最大截面 120080；竖墙钢柱与柱间箱形次杆为全焊收稿日期：20230201作者简介：迂长伟（1980），男，辽宁昌图人，高级工程师，e-mail:.建 筑 技 术第 54 卷第 4 期424接刚性节点连接；左右翼区为钢管相贯全焊接不规则单层曲面钢网壳，最大钢管规格为 90048；屋面大堂为纵横交错曲面钢管桁架结构，屋面采用 V 形或独立钢管支撑。竖墙、钢管支撑柱与主体结构嵌固共设计 40 个固定铰接钢支座，左右翼区、屋面支撑共设计 42 个弹性支座，竖墙与翼区共设计 22 个销轴节点。屋面桁架支撑钢管屋面桁架屋面 67 m 跨横向桁架左竖墙左翼区前竖墙1 20080 钢管立柱右翼区图 3 E 座（中央大堂）钢网壳三维轴侧示意左翼区右翼区屋盖区采光洞图 4 E 座（中央大堂）钢网壳俯视示意屋面钢桁架左右翼区钢网壳采光洞屋面钢桁架竖直墙面左右翼区钢网壳左右翼区钢网壳竖直墙面图 5 E 座（中央大堂）钢网壳侧视示意2 施工重难点分析2.1 现场起重吊装机械的选择难度大E 座（中央大堂）位于建筑正中央，周边均为地下室结构，空间钢结构投影尺寸达 109 m96.7 m，外檐高度达 52 m，大直径厚壁钢管构件重量大，工期紧，对吊装机械的起重能力、回转半径、起重高度等要求高，设备行驶路线和吊装位置约束条件多。2.2 超高大空间单层倾斜不规则曲面钢网壳安装 精度要求高E 座（中央大厅）建筑整体空间造型新颖，空间位置复杂多变，主入口净空高度约 48 m，单层不规则倾斜曲面钢网壳，曲面弧度突变，平面外刚度弱，杆件直径偏差大，钢网壳安装定位精度要求高，变形控制难度大。2.3 大直径厚壁钢管相贯网壳高空焊接变形控制 难度大超大空间不规则曲面钢网壳大直径钢管厚度大，均为全焊接管管相贯节点，90048 钢管相贯口焊缝长度近 4 m，且受结构形式和现场条件限制，采用分段分片+高空嵌补进行高空安装，由此造成现场高空焊接工作量巨大，焊接变形控制难度大。3 钢结构施工关键技术根据左右翼区超大空间不规则曲面钢网壳和屋面钢桁架结构特点，结合现场施工条件和类似工程施工经验，经过多方案论证，采取了技术可行、质量可控、安全可靠、经济合理的施工技术，推动了大跨度复杂钢网壳优质高效的顺利实施。3.1 总体安装思路C 座（艺术中心）、D 座（文化中心）、E 座（中央大堂）均位于下沉广场周围，综合考虑选用 1 台300 t 履带式起重机作为主吊装机械，有利于连续组织施工，且满足就近吊装原则，东西出入口外侧为消防车道，各选用一台 220 t 汽车式起重机进行左右翼区钢网壳安装，选用的起重机钢托座对应地下室框架柱位置。根据中央大堂结构特点和施工难度，综合考虑安全、质量、工期及成本等因素，竖墙结构、左右翼区钢网壳及 1/E 轴以南屋面钢桁架采用地面拼装、分片吊装、高空嵌补的安装工艺进行施工；1/E 轴以北屋面钢桁架采用满堂脚手架高空散拼的安装工艺进行施工。为提高吊装效率，节约工期、降低成本，竖墙、左右翼区嵌补杆件及屋面钢桁架高空散拼利用现场主体结构施工阶段已安装 3 台塔式起重机作为辅助吊装机械进行安装。3.2 整体安装顺序根据钢结构特点和总体安装思路，确定先安装竖向墙面，然后安装 1/E 轴以北左右翼区钢网壳及屋面钢桁架，再安装 1/E 轴以南左右翼区钢网壳及屋面钢桁架，最后安装采光洞 3 层钢管环形结构（图 6），左右翼区钢网壳原则上分段对称安装，对称卸载，变形协调。2023 年 2 月425迂长伟，等：陡缓坡弧度突变不规则多曲面钢网壳施工关键技术安装顺序 3屋面钢桁架安装顺序 1竖直墙面安装顺序 2左右翼区钢网壳安装顺序 1竖直墙面安装顺序 4左右翼区钢网壳安装顺序 5左右翼区钢网壳安装顺序 6屋面钢桁架安装顺序 7采光洞安装方向安装方向图 6 中央大堂钢结构安装顺序立面示意3.3 吊装单元划分在保证施工质量，降低安全风险，提高施工效率前提下，依据现场选用吊装设备机械性能，将竖墙尽量划分成较大的拼装单元（E11E15），每个拼装单元内钢柱及柱间次杆工厂制作，散件发运至现场地面拼装后分片安装（图 7 图 8）；左右翼区钢网壳主次杆件工厂切管、弯管、装焊涂装完成后分段运抵现场，搭设拼装胎架，主管现场地面拼接、吊装单元地面拼装后分段、分片吊装就位（图 9 图 12）。E11E12E13E14E15图 7 前竖墙吊装单元划分示意图 8 竖墙吊装单元安装图 9 左右翼区主管吊装分段示意图 10 左右翼区钢网壳主管吊装实景图 11 左右翼区钢网壳吊装单元划分示意图 12 左右翼区钢网壳吊装实景3.4 起重机械选择综合考虑结构特点、安装工艺及类似工程经验，选择 1 台 300 t 履带式起重机作为主吊装机械在下沉广场进行吊装作业，采用塔式工况，主臂长度 54 m，塔臂长度 42 m，转台配重 130 t，车身平衡重 50 t。在 28 m 回转半径下，履带吊额定起重量为 49.9 t；在54 m 回转半径下，履带吊额定起重量为 15.7 t，额定起重量均大于构件重量，满足吊装要求（图 13）。左右翼区钢网壳选用220 t汽车式起重机进行吊装（图14），最大吊装单元重量均小于 10 t，采用主臂工况，臂长 62 m，最大回转半径 30 m，额定起重量 11.6 t，满足吊装要求。主体结构施工阶段已安装 3 台塔式起重机（2 台 TC7525+1 台 ZJ6020）配合进行散装及嵌补杆件安装。300 t 履带式起重机57屋面钢桁架图 13 300 t 履带式起重机吊装模拟分析示意200 t 汽车式起重机吊装装置200 t 汽车式起重机吊装装置200 t 汽车式起重机200 t 汽车式起重机图 14 左右翼区钢网壳吊装平面示意建 筑 技 术第 54 卷第 4 期4263.5 施工预起拱大跨度单层倾斜不规则曲面钢网壳安装过程中在自重作用下会产生较大的变形，经过施工过程模拟分析并经原设计单位复核，确定预起拱值（图 15 图17）。钢结构深化设计建模过程中预留起拱值，地面拼装和高空安装过程中严格控制定位精度，卸载过程中监测变形值，确保钢网壳变形符合设计及规范要求。图 15 屋面钢桁架设计变形值 图 16 左翼区钢网壳设计变形值 图 17 右翼区钢网壳设计变形值3.6 拼装技术3.6.1 拼装胎架拼装场地应具有足够的地基强度，并应便于吊装，拼装胎架的设计应考虑承载力、刚度和稳定性要求。本工程在下沉广场南侧和中央大堂东西出入口各设置一组拼装胎架，通过计算采用热轧HN2001005.58 型钢搭设拼装胎架，胎架高1 000 mm，保证足够的施焊空间。拼装胎架设置固定的沉降观测点，定期监测沉降变形。3.6.2 定位放样左右翼区钢网壳及胎架定位支架与钢结构深化设计模型整体建模，计算和提取空间三维坐标进行定位放样。3.6.3 拼装工艺根据定位放样坐标，利用全站仪精准定位临时支架位置及标高，在拼装胎架对应位置安装临时定位支架；采用 50 t 汽车式起重机将拼装单元主管就位，并利用端口坐标进行主管定位，调整主管对接接口精度并设置焊缝约束码板，次管拼装前管 管相贯隐蔽焊缝焊接完成并无损检测合格（图 18）。图 18 钢网壳吊装单元拼装实景3.7 重型装配式钢管支撑设计根据陡缓坡弧度突变不规则多曲面钢网壳特点和安装总体技术路线，钢网壳主管设置独立重型装配式钢管支撑高空分段安装，最大支撑反力约 100.7 t。3.7.1 重型钢支撑设计原则重型装配式钢支撑承载力及稳定性验算；重型装配式钢支撑顶端节点形式及可操作性；重型装配式钢支撑基础混凝土结构安全性验算。依据施工过程模拟计算结果，选取对应支撑点最大承载力作为重型装配式钢支撑设计依据。3.7.2 重型装配式钢支撑选型和构造根据钢网壳结构形式、混凝土结构布置等要求确定钢支撑平面布置，通过施工过程模拟验算确定的支撑反力和对应支撑高度，选用基于租赁的重型装配式钢管支撑（图