大跨度悬链线金属网架的施工技术_潘博文.pdf

202212Building Construction2900大跨度悬链线金属网架的施工技术潘博文 张胜斌 王凤亮 谭 冰 续宗广 刘晓亮中建八局第二建设有限公司 山东 济南 250014摘要：结合工程实际，对悬链线异形金属网架施工技术进行了研究。该网架结构新颖复杂，暂无相关工程经验可以借鉴，为此，应用SolidWorks模型计算、风洞试验等手段对大跨度悬链线脊线吊装、高承载力双向扣件深化设计、金属网与脊线连接件设计、金属网吊装等内容进行了数值模拟，并以模拟结构指导施工，达到了理想的施工效果，确保了整个施工过程的安全，为类似工程施工提供了借鉴。关键词：悬链线；金属网架；模型计算；深化设计中图分类号：TU755 文献标志码：A 文章编号：1004-1001(2022)12-2900-04 DOI：10.14144/ki.jzsg.2022.12.027Construction Technology of Large-span Catenary Metal TrussPAN Bowen ZHANG Shengbin WANG Fengliang TAN Bing XU Zongguang LIU XiaoliangThe Second Construction Limited Company of China Construction Eighth Engineering Division,Jinan,Shandong 250014,ChinaAbstract:Combined with engineering practice,the construction technology of catenary shaped metal truss is studied.The truss structure is novel and complex,and there is no relevant engineering experience for reference.Therefore,SolidWorks model calculation,wind tunnel experiment and other means are used to carry out numerical simulation on large-span catenary ridge line hoisting,high bearing capacity two-way fastener deepening design,metal mesh and ridge line connector design,metal mesh hoisting and other contents.The simulation structure is used to guide the construction.It achieves ideal construction effect,ensures the safety of the entire construction process,and provides reference for similar engineering construction.Keywords:catenary;metal truss;model calculation;deepening design行了详细的理论计算，并结合大量的试验研究，顺利完成了该大跨度悬链线网架结构的深化设计及施工，保证了河北省第四届园林博览会的顺利召开，取得了良好的社会效益和经济效益。1 工程概况河北省第四届园林博览会山水邯郸主场馆建筑面积19 683.01 m2，建筑高度17.6 m，主要有艺术中心、植物馆、主场馆和会议中心，地上3层，基础为CFG桩地基处理筏板基础，主体结构为钢结构。为了突出主场馆的标志性和文化性，设计在用最为经济的方式满足4个功能体量的前提下，设置了1处连续的造型金属网，将整个建筑群落覆盖，100多根钢柱连同大跨度的悬链线刚脊线一起塑造出极具震撼感的连绵山体的形态。金属网架结构由57根圆管柱、57根斜拉杆、134根脊线、268个双向扣件、45 000个金属网与脊线的连接件、41 575 m2金属网组成，如图1所示。主场馆是全球最大的悬链线异形钢结构展厅，结构新颖复杂。脊线为异形的悬链线结构，具有一定柔性，挠度较大，脊线和钢管柱的节点安装难度极大。双向扣件要求承载力高，需要完成自行设计、加工、安装。园博会要求如期开园，因此，快速解决随着建筑市场的逐步发展和科学技术的不断进步，网架结构在建筑中的应用越来越广泛。山水邯郸主场馆为河北省第四届园林博览会的标志性建筑，为了突出本届博览会“山水邯郸、绿色复兴”这一主题，设计构思出“钢柱悬链线刚脊线金属网”这一结构形式，阐述了“山水邯郸”中山峦绵延起伏的壮阔。针对这一结构形式，钢柱与脊线的加工、吊装，双向扣件的深化设计、金属网和脊线的连接节点深化设计，金属网的吊装，成为本工程施工的难点，也是确保园博会如期召开的关键。目前，国内外有关金属网架结构的施工方法主要有高空散装法、滑移法、整体提升法、整体顶升法、分条或分块安装法、整体吊装法等1，但这些方法只是针对正四方锥焊接球钢网架、索膜等网架结构，暂无类似大跨度悬链线金属网架结构施工经验。为了克服这一难题，项目部多次组织召开专家论证会，通过建立精确的有限元模型，进作者简介：潘博文（1991），男，本科，工程师。通信地址：河北省石家庄市长安区广安街道东大街5号开元金融中心22楼（050011）。电子邮箱：收稿日期：2022-07-26结构施工STRUCTURE CONSTRUCTION建筑施工第44卷第12期2901钢柱、脊线的加工吊装、双向扣件的深化设计、金属网和脊线连接节点的深化设计、金属网的吊装这些难题显得至关重要。图1 钢网架结构三维示意2 总体施工流程圆管钢柱基础埋件安装基础混凝土浇筑安装首节圆管柱圆管柱柱脚混凝土浇筑安装第2节及以上圆管柱脊线及双向扣件地面拼装焊接柱顶脊线安装连接件焊接金属网安装3 大跨度悬链线金属网架施工技术3.1 大跨度悬链线脊线吊装技术3.1.1 吊装方案分析脊线（悬链线）共计134根，脊线截面为402 mm 16 mm，材质为Q345C，跨度从6.740 m至53.115 m不等，质量从1.777 t至9.049 t不等。由于脊线跨度大小不一，只能通过拼装焊接的方式完成脊线的组装，考虑了2种方案：一是高空对接；二是先在地面拼装焊接好整个脊线，再采用起重机械安装。前者既不能保证脊线的安装质量又不具备安全性且施工时间长。为了加快工程建设，降低工程成本，决定采用工厂预制加工、现场拼接后焊接再吊装的方式施工。该方式主要将脊线结构事先划分为若干单元，将每个单位进行编号，运输至现场后，采用“对号入座”方式进行拼装焊接。现场拼装时，网架单元应具有足够刚度保证自身的几何不变性，否则应采取临时加固措施2。为了保证脊线拼装后的整体性，现场拼装时采用地面胎架辅助支撑，地面胎架材料使用300工字钢，材质Q235B，每段工字钢长3 m，以“坚固可靠、避开软土层、有利于整体拼装后吊装”的原则进行搭建。需要注意的是，脊线在吊装过程中如果吊点设计错误，会导致脊线翻转为弧度向上、连接点向下的错误状态，因此针对每根脊线都需要设计出最佳吊点位置，设计原则是吊点要尽量靠近两端连接点的位置，以保证脊线吊装过程处于正确状态。以最大跨度脊线为例，采用TSZ结构设计系列软件TS-MTS2019 Ver 6.2.0.0进行了详细的设计，吊点设计如图2所示，受弯强度、y轴受剪强度、y轴挠度、整体稳定性、腹板高厚比等关键指标计算结果符合设计要求。39 202.653 202.62 000 5 0005 000 2 000图2 吊点设计3.1.2 脊线吊装由于双向扣件是在地面与大跨度脊线连接完成之后再进行吊装作业，经过分析，在吊装过程中双向扣件会发生摆动，如何解决双向扣件2个方向摆动问题，是将脊线准确吊装到位的关键。采用的方法是将双向扣件与脊线连接位置进行点焊，以起到临时固定双向扣件的作用，解决了脊线吊装过层中双向扣件转动问题，如图3所示。脊线不同于索结构，不能施加预应力，因此，脊线在吊装过程中会因自重大而导致在与两端的圆管柱连接的就位连接过程中出现长度不足的问题。针对这个难题，采用了在2台吊车同时吊起脊线两端就位的过程中，使用第3台吊车吊起脊线的中间部位，以解决脊线下挠长度不足问题，如图4所示。图3 双向扣件电焊 图4 脊线吊装3.2 高承载力双向扣件深化设计高承载力双向扣件共268个，设计图纸仅体现了脊线和圆管柱连接节点需要8 000 kN的抗拉承载力，并未给出明确做法，需要自行深化设计。首先，查阅了国内外有关双向扣件的相关文献，未发现类似结构形式的扣件，经过有关专家指导，采用SolidWorks建立了双向扣件SolidWorks模型，并完成了计算。经过分析，找出了扣件受力最薄弱区域即扣件销钉孔处，故加载选择在薄弱部位扣件销钉孔处，采用孔位处扩张加载承载力，加载值8 000 kN。值得注意的是，某些单元最大应力超过屈服强度，对该单元采取20 mm同材质钢板进行局部加强，并已重新进行了网格划分计算，最大应力416.619 MPa，小于屈服强度530 MPa，最大位移0.128 712 mm，满足要求。在完成模型计算后，进行了拉力试验，结果表明满足承载力要求。潘博文、张胜斌、王凤亮、谭冰、续宗广、刘晓亮:大跨度悬链线金属网架的施工技术202212Building Construction29023.3 金属网与脊线连接件设计要实现金属网与脊线之间的连接，需要自行设计连接节点，并完成加工安装。该连接件的设计需要考虑以下几点：1）该连接件要能够以最简单的固定方式完成金属网与脊线之间的连接，以便保证整个工期。2）需要保证连接的牢固性，而且要避免金属网与连接件之间的摩擦断裂。3）需要经受住雨、雪等因素可能导致的长期锈蚀。经过组织专家论证及实际考察，综合设计出了如图5所示的连接件。金属不锈钢钢丝网长25的M12内六角螺栓金属网安装异形扣件盖板金属网安装异形扣件底座图5 脊线与金属网连接扣件设计使用该连接件，只需把金属网的钢丝绳扣入连接件槽内后安装盖板，使用内六角螺栓拧紧即可，此连接方式效率高、连接可靠、抗腐蚀性好。3.4 金属网设计及施工技术3.4.1 金属网设计计算经过国内调查研究，考虑了结构的合理使用年限以及加工安装效率，金属网设计采用绳径5.6 mm的304不锈钢，网孔尺寸170 mm（抗拉强度最大1 770 MPa，最小1 670 MPa），颜色为白色喷塑。经过专家论证，金属网的受力计算及弧度控制为重难点。针对这一难题，首先，利用建筑犀牛模型划分网格，划分方向依据实际安装方向，网格尺寸70 mm170 mm，根据厂家放样荷载、方向划分，真实模拟钢丝绳。周边按实际安装方向设置固定铰接点，钢丝绳按实际尺寸和属性的索单元建模。采用同时考虑p-效应和大位移的非线性有限元计算方法，施加荷载为沿钢丝绳长度方向的线性 均布。设计所取参数如下：不锈钢丝绳直径5.6 mm；不锈钢丝绳自重0.151 kg/m；最小破断拉力14.7 kN；恒荷载0.07 kN/m2（钢丝绳自重、锁扣自重、LED灯具自重和裹冰荷载）；风荷载根据风洞试验报告，从8个方向选取每片的最不利风向对应的区域风压设计值；温度荷载31（降温）；最不利荷载组合为1.3恒1.5风压（下），1.0恒1.5风吸（上），1.3恒1.05风压（下）1.5降温（缩），1.0恒1.0风（挠度组合）。1）风荷载。根据建筑建筑结构荷载规范的相关规定，邯郸地区50年重现期的基本风压为0.40 kN/m2。但本工程遮阴网格结构脊线起伏错落，网状材料多孔稀疏，无法按建筑结构荷载规范的相关规定确定恰当的等效风荷载取值。因此，委托湖南科技大学对网状材料及整体结构进行风洞试验，并依据最终完成的山水邯郸项目风洞试验研究报告，取8个最不利风向（0、