大节段复杂异型曲拱铝合金单层网壳结构施工控制技术

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科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald 工 业 技 术
1 工程概况
上海辰山植物园展览温室工程位于辰山植物园东北地块,为一座新建的大型市政公共建筑,该工程为上海市“十一五”规划中生态建设的主要项目,建成后将是集建筑学、植物学、生态学、建筑环境工程、美学为一体的综合项目。

本工程是由A 、B 、C 区组成的三个椭球体异形空间曲面温室建筑,整体为三向网格划分的铝合金空间大节段复杂曲拱网壳结构(C区外观如图1所示)及玻璃面板的组合,三个温室建筑高度分别为:21.41m、19.65m 、16.92m ;投影面积约为:5554m 2、4525m 2、2796m 2,温室A 南北向长轴约203m ,东西向短轴约33m ,温室B 长轴约128m /99m ,短轴约39m ,温室C 长轴约110m,短轴约33m。

各区跨度均较大,该跨度的铝合金网壳结构,在国内乃至国际类似建筑中的应用尚属首次。

本工程网壳结构材料选用T 6061-T 6型铝,结构杆件采用工字形挤压型材,板式节点铆接的支撑体系组成结构体系;节点板采用不少于8mm厚T6061-T6铝材;紧固件材料采用7075-T73阳极氧化铝或300系列不锈钢,密封材料选用硅酮材料,J S -2000,结构胶选用JS-6000。

2 重点、难点分析
由于本工程结构形状特殊且跨度较大,目前在同类大跨度结构中的应用尚不多见,根据查阅相关资料,目前类似结构的施工质量控制技术仅在文献[1-3]中有所论述,结合本工程的实际,在施工中存在较多的难点,具体如下:体型复杂,成熟经验较
少;椭球体空间测量定位难,测量精度要求较高;预埋件埋设精度、支座滑移构造、节点及构件制作的安装精度高,误差控制难度较大;玻璃幕墙安装风险大,拼接缝防水要求较高;需制定相应施工规程及质量验收标准。

3 施工控制技术
3.1节点加工质量控制
按照设计方案,需要各种规格节点约一万余件,节点选用6061的高强度铝合金板材为加工原材料,根据工程外型需要,大部分节点平面折弯角度会略有不同,每一块节点的整体外形的微小差异,是保证整体拼装建筑效果的关键,图2中体现了节点在整体建筑中起到的作用。

由于大部分单一节点折弯角度的不同,对节点表面的各孔平面角度分配精度,各孔垂直角度精度要求较高。

整个节点加工可分割为五个步骤,为了确保加工精度,选用精度高的数控车床和立式多轴加工中心。

运用M A Y A 和M A S T E R C A M 专业软件编写了相应进行程序,通过调用相关子程序,使用三轴联动立式加工中心,通过精确的点、钻孔,完成全部节点平面孔加工。

单步骤产品工序完成后,敲相应的钢印,全件倒毛刺,擦拭干净,当完成所有孔位的加工后,对外形进行加工。

3.2球体安装质量控制
3.2.1空间测量定位控制
平面控制网的布置和测设分初测和精测两步进行,为方便施工测量,首先将建筑物城市坐标系转换成建筑坐标系,以结构
体型长轴为X 轴、短轴为Y 轴建立建筑坐标系;通过平移,旋转关系将城市坐标转换为建筑坐标系。

初测首先确定主轴线的位置,用全站仪采用极坐标法在现场桩定各主轴线点,然后,进行埋石定位。

精测时,全站仪架设O 点,用方向法6测回精确测定主轴线的正交角,距离采用对象观测6测回,然后进行角度归化改正,改正值:δ=αL/206265mm 。

α=实测角度值-90s,经反复修正直至角度误差小于2s。

二级控制网在首级控制网的基础上进行加密,测设各圆心点及轴线;各轴线控制桩经复核无误后作为建筑物平面控制网,并定期进行复核。

以现场高程控制点为依据,采用S 3水准仪以中丝读数法往基础挡墙测设复核水准路线,将高程引测到基础混凝土施工面上,并标明数据。

以建筑坐标系中的三维空间坐标的相关数据为基础进行测量控制,测量控制采用全站仪进行,同时利用计算机对数据进行分析。

3.2.2预埋件埋设精度及支座滑移控制
预埋件安装的精度是保证网壳结构杆件能否顺利进行的关键,为了保证预埋件的测量放样精度并提高工作效率,根据设计要求的埋件坐标关系,加工了若干钢板套模,并以每个埋件中心点坐标为基准点将相邻两个坐标关系标识在套模上。

利用全站仪按初测和精测两步进行,将设计要求的每个埋件坐标(三个)点投放到套模预
大节段复杂异型曲拱铝合金单层网壳结构施工控制技术
陆荣欣 陈国栋
(上海市建筑科学研究院 上海 200032)
摘 要:上海辰山植物园东北块展览温室工程是由三个异型空间曲面组成的温室建筑,整体为三向网格划分的铝合金空间大节段复杂曲拱网壳结构,其结构设计、支座形式及结构连接都有别于通常意义上的铝合金格构结构,对空间定位、杆件安装、节点安装等施工的要求较高,本文着重介绍了该工程施工中的质量控制技术,可为类似工程的施工控制提供借鉴和参考。

关键词:温室工程 网壳 铝合金 曲面中图分类号:T U 2文献标识码
:A
文章编号:1674-098X(2011)07(c)-0049-02
图1 C 区外观图图2 节点作用示意图
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效,无屈曲后强度)
当 0.8 1.25b 时,
10.82(0.85)
b 当 1.25b 时, 1
0.2(1)
b b
b :通用高厚比,考虑到腹板实际屈曲
时有可能已进入非弹性工作阶段,同时腹
板也存在各种初始缺陷,从而引入通用高厚比以考虑非弹性工作和初始缺陷影响。

通用高厚比定义:钢材受弯、受剪或受压屈服强度除以相应的腹板曲格抗弯、抗剪或局部承压弹性屈曲临界应力之商的平方根。

2.3受剪腹板屈曲后抗剪强度(剪应力)计算
(1)在设有横向加劲肋的板梁中,腹板受剪产生屈曲,腹板沿一个斜方向因受斜向压力而呈波浪鼓曲,不能继续承受斜向压力,但在另一方向则因薄膜张力作用而可继续受拉。

腹板张力场中拉力的水平分力和竖向分力需由翼缘板和加劲肋承受,此时板梁的作用犹如一桁架,翼缘板相当
于桁架的上、下弦,横向加劲肋相当于桁架的竖腹杆,拉力场作用将增加腹板的抗剪强度,使其抗剪强度 u cr tf V V V (屈曲强度和屈曲后强度之和)
当 0.8s 时, u w w v V h t f (腹板全部有效,无屈曲后强度)
当 0.8 1.2s 时,
10.5(0.8)u w w v s V h t f 当 1.2s 时, 1.2
/u w w v s
V h t f 考虑腹板屈曲后强度的腹板后两个阶段的极限剪力设计值将高于临界力而获得经济。

(2)受剪腹板屈曲后加劲肋设计
梁腹板屈曲后的拉力带使横向加劲肋起类似桁架竖杆的作用。

对中间加劲肋,可以认为两侧拉力场的水平分力相互抵消,只承受竖向分力。

此力就是腹板极限剪力和屈曲时剪力 cr cr w w V h t 之差,属于压力。

①当中间加劲肋还承受其他构件(如次梁)传来的压力 F 时,应作为轴压构件按下式验算其稳定性 s u cr w w N V h t F
②对梁支座加劲肋,在拉力场水平力和梁支座反力共同作用下成为压弯构件,所受
水平力为 (u cr w w H V h t ,此力的作用点可近似取在距上翼缘 0处。

2.4同时受弯和受剪的板(正应力、剪应力联合作用下)屈曲后强度计算
计算公式如下: 2(1)10.5f u eu f
M M V V M M ①当 f M M 时,取 f M M , u
V V (即当弯矩不超过翼缘所能提供的最大弯矩时,腹板不参于受弯,腹板所受剪力和不存在弯矩时相同,即等于 u V )
②当 0.5u V V 时,取 0.5u V V ,即腹板屈曲后抗弯承载力设计值不降低,可承受的弯矩 eu M M 。

③当 0.5u V V 时, eu M M ,腹板屈曲后抗弯承载力设计值降低,腹板即受弯又受剪。

先设置的标识点上,以此控制埋件的位置。

根据在套模测量坐标位置先将锚竿固定在剪力墙的钢筋上,为了防止预埋锚栓偏位,在锚栓下端用60*80的角钢焊成的方框予以固定,上端用套模固定,套模和50*80角钢方框同时控制四根锚栓整体平面位置和标高。

施工中为防止浇捣混凝土时埋件移位,采用一次浇捣成型混凝土浇筑方案,并通过对埋件横向二侧进行张拉固定。

3.2.3杆件安装误差控制
为了防止安装环节出现偏差、消除杆件安装过程中所产生的积累误差,采用满堂架空支撑脚手搭设、高空单件散装方案,在安装过程中采用预安装、正式安装的施工步骤。

首先根据测量放样的支座中线点安装支座并点焊固定,进行首圈杆件安装,然后从建筑物中间的固定支座对称开始,沿建筑物短轴向球体中间拼装杆件,三个支座为一单元组进行安装,因杆件安装时呈抛物线形状,安装过程中随时利用脚手架及专用丝杆调节支撑,保证杆件在不受外力的情况下自然搁置在撑杆上,并用橡皮和木块衬垫,防止杆件、节点外部涂装层的划伤,待初始单元拼装完备后,沿初始单元两侧支座每三个支座一组按初始单元安装方法进行安装,以后依次类推。

为保证先行安装的结构不发生变形,先行安装的三个单元利用脚手架为支撑将杆件撑起,待此安装构件形成空间稳定体系后,利用结构自身的刚度进行安装。

环向安装随纬向呈阶梯分段安装,阶梯型杆件在安装时需间隔加临时支撑,保证杆件不因斜挑自重而变形。

杆件安装过程中及时复核安装偏差,保证建筑外形及杆件安装固定牢固,受力均匀。

3.2.4玻璃安装控制
玻璃安装先从建筑物的顶部中间开始向四周由上自下进行安装。

安装前,在待安装玻璃处上下边框的内侧粘贴低发泡间隔方胶条,胶条的宽度与设计的胶缝宽度相同,电动吸盘机必须定位,左右对称,且略偏玻璃中心上方,使起吊后的玻璃不会左右偏斜和转动。

安装时先将玻璃试起吊,将玻璃吊起2～3cm,以检查各个吸盘是否都牢固吸附玻璃。

吊放时慢慢下放,保证玻璃能被放入到底框槽口内,且要避免玻璃下端与金属槽口磕碰;玻璃就位后要检查玻璃侧边的缝隙是否相等,且符合设计要求,然后安装上部外金属夹扣,填塞上下边框外部槽口内的泡沫塑料圆条,使安装好的玻璃临时固定。

施工时所有注胶部位的玻璃和金属表面用丙酮或专用清洁剂擦拭干净,注胶部位表面必须干燥,且沿胶缝位置粘贴胶带纸带,防止硅胶污染玻璃,胶缝的宽度通过设计计算确定,其施工时须符合设计要求。

最后检查胶缝并进行必要的修补,并将玻璃内外表面清洗干净。

4 工程质量标准及验收
本工程椭球体采用铝合金网壳与玻璃面板的组合,如此大跨度的铝合金网壳结构在国内应用尚属首次,还没有相应的施工规程及质量验收标准,同时本工程的质量要求高,工程建设形象要求高。

针对本工程特点和难点,结合上海科技馆卵形铝钛
合金单层网壳球体结构、上海马戏城铝钛合金网壳结构等工程的经验积累,参照《铝结构设计规范》、上海市《铝合金格构结构设计规程》、《网壳结构技术规程》、《玻璃幕墙工程技术规范》及《建筑工程施工质量验收统一标准》等验收规范,同时借鉴美国泰康公司的企业标准拟定可靠实用的施工规程及质量验收标准,并经过专家审定,作为本工程的施工规程及质量验收标准。

5 结语
本工程采用铝合金空间大节段复杂曲拱网壳及玻璃面板的组合结构,技术复杂、施工难度较大,通过采取上述控制措施,建设过程中未发生明显的质量和安全问题,并顺利通过竣工验收;该工程建成至今已近一年,未发生渗水现象,效果较好,本文所采取的质量控制措施可为类似工程的施工控制提供参考。

参考文献
[1]邱锡宏.上海科技城卵形铝钛合金单层
网壳球体施工.施工技术,11,30,2001,11.
[2]王铃春.上海马戏城铝钛合金网壳结构
施工技术研究.建筑施工,2000(4).[3]李亚明,周晓峰.上海科技馆网壳结构
设计及稳定分析.建筑钢结构进展,2008,2.
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