大跨度双曲钢网壳结构施工技术
时间：2023-06-17 08:25:03 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
丁 建，刘新星，郑 征，冯艳刚，夏 可，谢梓宇，刘英麒
(1.北京建工建筑产业化投资建设发展有限公司，北京 100000；
2.中建交通建设集团有限公司，北京 100071)
湄洲湾港秀屿港区石门澳作业区11号泊位工程即干煤棚、硫酸铵棚工程项目为全封闭式形式，其中干煤棚为钢网架结构，硫酸铵棚为钢桁架结构。1，2号干煤棚为拱棚网架(2栋形式一致)，采用正放四角锥弧形面螺栓球节点结构，内、外弦均为刚性支撑，外弦采用双向支座落在下部混凝土柱上，外弦柱顶标高为2.000m，内弦采用单向支座落在下部混凝土柱上，内弦柱顶标高约为3.750m，网架结构顶标高为42.913m，平面尺寸为328.5m×117.5m(长×宽)，网架厚4.4m，如图1所示。屋面主、次檩条分别采用C型钢和Z型钢，配φ10拉条支撑和局部φ32×2.5套管联系。马道采用[8作为主梁，配 ∟30×3 角铁加腋，上面铺设3mm厚花纹钢板，栏杆采用方钢□40×1.5。钢管采用Q355B钢，可采用直缝电焊钢管或无缝钢管，如图1所示。
图1 石门澳作业区1，2号干煤棚
2.1 整体提升方案
整体提升法是将结构起步架在地面拼装完成，选择合适的受力吊点，再由液压起重设备将结构整体垂直提升至设计标高的施工方法，能较好地保证结构安装精度。
本项目采用整体提升法的限制条件为：①平面尺寸为328.5m×117.5m(长×宽)，网架厚度4.4m；
起步架长达117.5m，整体提升法对于起步架安装造价偏高。②整体提升法由于准备工作时间较长，工艺相对复杂，提升前须加固才能保证结构不变形。
鉴于以上原因，本工程未采用整体提升法。
2.2 满堂支撑方案
采用满堂支撑搭设安装平台也是本项目的备选方案之一。计划利用起步架位置搭设满堂脚手架+钢柱作为主支撑，其他位置搭设满堂脚手架作为操作平台。这种方案的优点是安全可靠、施工方便。
本项目采用满堂脚手架安装方案的限制条件为：①由于本工程网壳高度达42m，且本工程为双曲网壳，脚手架搭设难度较大；
②由于脚手架搭设和拆除周期较长，采用该方案成本偏高。
鉴于以上原因，本工程未采用满堂脚手架安装方案。
2.3 起步架无支撑安装方案
此工艺首先进行起步跨网架安装，采用地面延伸吊装法安装轴间单条块5个柱距(3个上弦网格、4个下弦网格)作为网架起步跨，共分5步安装完成(安装过程详见2.5.3节)。采用该施工工艺可节约大量人力、物力，大幅度提高施工速度，故本工程采用起步架无支撑方案。
2.4 工艺流程
工艺流程为：图纸深化设计→安装前准备工作→钢结构网壳结构安装。
2.5 工艺操作要点
2.5.1图纸深化设计
利用BIM建模技术将图纸中螺栓球钻孔位置进行优化，优化为一种或几种螺栓孔尺寸，减少螺栓孔钻孔型号和数量误差，保证钻孔位置准确。
2.5.2安装前准备工作
1)安装前应对网架支座的轴线与标高进行验线检查，网架轴线、标高位置必须符合设计要求和有关标准的规定。
2)采取整体吊装或局部吊装时，应对提升和吊装设备进行全面检查并做好试吊工作。
2.5.3钢结构网壳结构安装
支座临时固定措施：网架起步时一端放在柱顶支座上(将支座球放入双向支座内，不要焊接固定，临时固定可在x轴方向采用同材质的20mm厚钢板切割一个弧形的抱箍将球带住，保证球可在支座内转动但不会在另一端提升时将球带出支座，将钢板抱箍焊接在x-z平面上的支座加劲板上，钢板抱箍与球之间留一点间隙以便球可在x-z平面内转动，临时固定钢板抱箍，如图2所示)。
图2 支座铰接做法示意
起步跨网架从x轴方向在地面延伸安装，共分成5步完成。
第1步：吊装块1。先在地面拼装9个下弦网格(横向即跨度方向9个下弦网格及9个上弦网格、纵向4个下弦网格及3个上弦网格)，面积约739m2，最大提升质量约31t，用2台50t汽车式起重机吊至柱顶安装位置，一端放在地面上，如图3a所示。
第2步：吊装块2。改用2台100t汽车式起重机提起网架地面一端(高度约为1个网架厚度)，在地面拼装1个网格(横向即跨度方向1个网格)，起重机在原位不动继续提升，每提升1次拼装1个网格，共拼装8个网格(横向即跨度方向8个网格)，面积约1 396m2，最大提升质量约59t，如图3b所示。
第2步吊装块精度控制措施为：①在地面沿横向(网架跨度)放样划线(下弦球心轴线)以控制外轮廓，拼装时复核大样，从而保证网架拼装不偏移；
②沿横向逐一拼装网格，每拼装完1个网格进行相应长度测量，保证吊装块2与图纸17个网格尺寸相符，如不符，停止拼装并逐一检查复核杆件及螺栓球拼装尺寸；
③沿纵向测量网格长度，保证吊装块2上、下弦合计长度与图纸相符，如不符，停止拼装并逐一检查复核杆件及螺栓球拼装尺寸；
④在设计图纸上确认尺寸后预先在第17个网格相应落位地面位置放样控制下弦球点，以形成二次复核，保证精度。
第3步：吊装块3。改用2台200t(站位在中部)及2台100t(站位在端部)汽车式起重机提起网架地面一端，在地面拼装1个网格(横向即跨度方向1个网格)，起重机在原位不动继续提升，每提升1次拼装1个网格，共拼装7个网格(横向即跨度方向7个网格)，面积约1 970m2，最大提升质量约83t，如图3c所示。
为避免网架张开引起杆件变形，在吊装块3安装完成后可采取如下措施进行加固：在起步架起始端第1个下弦球与第24个下弦球间用5t倒链和6×37-20-1 850MPa钢丝绳拉2道张紧绳(在纵向两端各拉2根)，松紧程度以张紧绳刚刚绷紧为宜。
第3步吊装块精度控制措施为：①在地面沿横向(网架跨度)放样划线(下弦球心轴线)以控制外轮廓，拼装时复核大样，从而保证网架拼装不偏移；
②沿横向逐一拼装网格，每拼装完1个网格进行相应长度测量，保证吊装块3与图纸24个网格尺寸相符，如不符，停止拼装并逐一检查复核杆件及螺栓球拼装尺寸；
③沿纵向测量网格长度，保证吊装块3上、下弦合计长度与图纸相符，如不符，停止拼装并逐一检查复核杆件及螺栓球拼装尺寸；
④在设计图纸上确认自重状态下第1球与第24球间距后，利用钢丝绳控制吊装块3网格架相应尺寸，结合钢卷尺测量复核；
⑤在设计图纸上确认尺寸后预先在第24个网格相应落位地面位置放样控制下弦球点，以形成二次复核，保证精度。
第4步：吊装块4。改用2台250t(站位在中部)及2台100t(站位在端部)汽车式起重机提起网架地面一端，在地面拼装1个网格(横向即跨度方向1个网格)，起重机在原位不动继续提升，每提升1次拼装1个网格，共拼装6个网格(横向即跨度方向6个网格)，面积约2 463m2，最大提升质量约104t，如图3d所示。
为避免网架张开引起杆件变形，在吊装块4安装完成后可采取如下措施进行加固：在起步架起始端第1个下弦球与第30个下弦球间用5t倒链和6× 37-20-1 850MPa 钢丝绳拉2道张紧绳(在纵向两端各拉2根)，松紧程度以张紧绳刚刚绷紧为宜。
第4步吊装块精度控制措施为：①在地面沿横向(网架跨度)放样划线(下弦球心轴线)以控制外轮廓，拼装时复核大样，从而保证网架拼装不偏移；
②沿横向逐一拼装网格，每拼装完1个网格进行相应长度测量，保证吊装块4与图纸30个网格尺寸相符，如不符，停止拼装并逐一检查复核杆件及螺栓球拼装尺寸；
③沿纵向测量网格长度，保证吊装块4上、下弦合计长度与图纸相符，如不符，停止拼装并逐一检查复核杆件及螺栓球拼装尺寸；
④为保证网格架稳定，吊装块3钢丝绳控制线(第1球与第24球)保持稳定不放张；
⑤在设计图纸上确认自重状态下第1球与第30球间距后，利用钢丝绳控制吊装块4网格架相应尺寸，结合钢卷尺测量复核；
⑥在设计图纸上确认尺寸后预先在第30个网格相应落位地面位置放样控制下弦球点，以形成二次复核，保证精度。
为避免网架张开引起杆件变形，在吊装块5安装完成后可采取如下措施进行加固：在起步架起始端第1个下弦球与第36个下弦球间用5t倒链和6×37-20-1 850MPa钢丝绳拉2道张紧绳(在纵向两端各拉2根)，松紧程度以张紧绳刚刚绷紧为宜。
在起步跨网架全部拼装完成后，采用2台汽车式起重机在中部、2台汽车式起重机在端部将起步跨网架的地面一端提升至轴支座上(吊装块5)。支座球入位时施工人员用缆风绳配合起重机摆正到柱顶支座设计位置，落柱后进行就位计算。
在起步跨网架就位后，4台起重机仍固定不松绳，在网架支座的轴线及标高调整至符合设计及规范要求后将支座球与支座焊接固定。特别注意起步跨网架的定位精度，因其影响后续网架的安装精度，落位后需进行应力及挠度变化验算。
在被测量的钢网架下选取有代表性的下弦轴线，测量轴线下弦螺栓球球心的沉降量。根据 GB 50205—2020《钢结构工程施工质量验收标准》的规定，钢网架结构需测量下弦螺栓球球心高度，使用工(器)具包括水准仪、钢卷尺。
空间网架工程挠度最大允许值为短向跨度的1/250，本项目网架跨度为117.5m，挠度允许值为470mm。网架安装时注意检查挠度，其值不大于现荷载条件下的挠度计算值的1.15倍，即540.5mm。
4.1 监测点设置
为保证安装精度，在1，2号干煤棚短柱位置均设置了监测点(每个煤棚共计48个)，在安装过程中用全站仪实时监测其标高及坐标位置变化。
4.2 检测数据分析
1)由于起步架施工时进行了预起拱(起步架跨中预起拱400mm)，钢结构安装完成后未出现下挠。
2)网壳钢构件全部安装焊接完成后，结构变形相对于初始状态下挠值在5mm以内，安装精度很高。
3)网架安装完成后，所有监测点水平坐标及标高基本无明显变化。
4)网架结构整体施工完毕后，监测点最大下挠值(网架中间相对于理论标高)在10mm以内，满足设计要求。
5.1 内外排支座拉力及应力应对措施
因本工程采用的是点式支撑方式(支座竖向刚度很强)，内外短柱上部结构与其他结构不产生联系，当网壳架架构吊装缓慢下落搁置于短柱支座上时，短柱的竖向变形位移可忽略不计，因内外排短柱基础同为一个承台且有连系梁互为三角形拉结，在受力过程中内外短柱支座与基础共同工作，此时也考虑内外短柱支座x和y向弹性约束方式；
本工程采用的是弹性氯丁橡胶支座(75mm×900mm×900mm(厚×长×宽))，通过氯丁橡胶支座满足等效弹簧刚度来解决网架内外支座的应力变化和变形要求，此时支座的弹性和短柱的刚度为叠加受力；
由于网壳结构杆件双曲部位长短不一，长网壳杆件的端部会产生负弯矩，双曲转角部位会产生拉力，因此此处支座设计为钢筋混凝土连系梁(简支梁)，把内外短柱拉结成为正三角形支座形式；
这样既能防止网壳架的应力和拉力变化所产生的变形和滑动，同时也具有足够的结构约束力。
5.2 支座焊接球制作转动问题应对措施
除上面提到的钢板抱箍加固防止螺栓球位移转动外，支座设置了氯丁橡胶支座，平板式氯丁橡胶支座有很好的弹性和抗剪抗变形功能，本工程螺栓孔设置为椭圆形孔，约束一个方向的位移和滑动应变，释放另一个方向滑动位置，如图4所示。因此，可有效实现网架节点在支座中的转动要求；
同时，本工程支座采用的是双面弧形压力支座，在内外短柱柱顶和网壳架水平方向相耦合支座可沿着弧面上下、左右转动，转动性能良好有效。
图4 氯丁橡胶支座螺栓孔示意
本工程结合现场实际情况，通过合理的施工工艺分析及模拟计算，采用高空散拼方法进行大跨度网壳结构施工，与传统施工工艺相比，节约了大量人力、物力，大幅度提高了施工速度，实现了施工过程有序可控、成本低、质量优的目标，可为类似工程项目提供可靠施工经验。
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