大跨度双向曲面钢结构不利环境下的安装技术1

大跨度双向曲面钢结构不利环境下的安装技术
1、工程概况
图1 南通体育会展馆
南通体育会展馆（以下简称本工程）长350m，宽120m，最高点约为38m。

主体为四层钢筋混凝土框架结构，四层楼面以上部分根据不同位置分别采用钢管混凝土柱或钢管柱。

从使用功能上可分为展览馆（1000个标准展位）、体育馆（6600座）、网球馆（四片球场）三部分。

本工程的屋面采用钢结构桁架结构，展览馆屋面为独立一块，体育馆与网球馆屋面为一块。

屋面外形特殊，为双向曲面状，酷似两片轻盈飘逸的叶片（图1）。

屋盖钢结构由主弧形桁架、次弧形桁架、边缘弧形桁架、斜桁架组成空间结构。

采用钢管相贯焊接而成。

主弧形桁架为平面式桁架，桁架为变截面，高度约为2200-4300mm，两端为悬臂端，支承柱间最大跨度76.5m。

次弧形桁架与主弧形桁架垂直布置，将各榀主弧形桁架连成一体，连接处截面与主弧形桁架同高，主辅桁架相交形成一双向曲面屋顶（图2）。

本工程屋盖钢结构为四周边支承的双向结构体系，受力复杂。

2、安装施工难点
1）钢结构外形特殊，受力复杂
整个钢结构为双向曲面，外形形似叶片，四角还向下向外伸出，在平面、高度方向均为曲线形。

结构设计上，作为四周边支承的双向结构体系来考虑，而非按单向受力，因此结构受力复杂。

2）结构跨度大
会展馆结构跨度为54m，体育馆则达到76.5m。

3）现场环境条件差
由于钢结构进场时下部四层钢筋混凝土框架结构均已施工完成，在进行框架结构施工时完全未考虑屋面钢结构安装方案。

使现场钢结构安装条件十分不利。

主要表现在：会展馆区，除南侧有条件跨外安装外，西侧有一层5.5m高15m宽的平台，北侧有一层5.5m 高36m宽的平台，东侧则完全封闭，均无法进行跨外作业，而内部亦全部封闭，为标高11.0m 的二层大展厅（图3）。

体育馆（包括网球馆）区，南侧、东侧有条件跨外安装，西侧、北侧无法跨外安装，而且体育馆内由于四周看台均已施工，未留设预留口，因此虽然内部有空地，但吊机却无法进入。

3、安装方案的选择
针对现场不利条件，我们进行大量的现场调研，查阅土建结构施工图纸，对原有结构梁板进行复核验算，几经优化，将整个钢结构合理划分成块，根据不同的条件，采用不同的钢结构安装方案。

具体为：
会展馆：划分为四个安装区域。

一区为A-C轴间，此段钢桁架长15-20m不等，在B、C轴设有钢管混凝土柱支承钢桁架。

由于靠近外侧，因此采用50T履带吊跨外吊装。

二区为C-J轴间，跨度达54m，此范围内无支承柱，在标高11.0m处为钢筋混凝土楼板层。

该部分钢桁架共有10榀，长54m，单榀桁架重约15T。

采用分块提升法施工。

将两榀桁架为一组，划分为六个提升单元，在11.0m层楼板上预拼装成形后采用四台独脚拔杆吊提升就位。

三区为J-L轴间，此段类似一区，就是无法采用吊机安装，因此采用独脚拔杆吊安装。

四区为L-Q轴间，此段桁架采用跨外吊装与独脚拔杆吊安装相结合的方法。

体育馆（含网球馆）：划分为三个安装区域。

一区25-35轴，该区为室内正式比赛场地及看台，钢桁架支承柱位于B、L轴，桁架总长度-106m，跨度76.5m，重量T。

采用单元滑移法施工，将钢桁架在35-37轴16.5m楼面上搭设胎架进行组装，组装完成后滑移至设计位置。

共分四个单元。

二区35-37轴，该区为滑移单元组装区，在滑移完成后，自身钢结构采用散件拼装。

三区37-44轴，该区为网球馆所在位置，在进行一、二区施工时，沿37轴设置一台行走塔吊，作为组接装构件垂直运输的主要机械。

三区构件采用该塔吊按单榀钢桁架进行安装。

所有钢结构四周边不规则曲线桁架以及连接主桁架的次桁架均采用散件安装方法。

总体安装顺序：
会展馆：一区（跨外分段安装）à三区（拔杆安装）à二区（分块提升）à四区（跨外分段安装）à边桁架散拼散装。

体育馆：一区（单元滑移）à二区（散拼散装）à三区（塔吊分段安装）à边桁架散拼散装。

使用的主要吊装机械有：150T、50T履带式吊机各一台；C7022行走式塔吊一台；以及独脚拔杆起重设备若干套。

4、主要安装施工技术4.1分块提升法施工
会展馆二区采用分块提升法施工。

4.1.1分块方案
该区域平面尺寸为81×54m，设有10榀主桁架。

1轴以西、10轴以东还有各一片曲线斜边桁架，因此共为12榀桁架。

每两榀组成一个提升单元，共六个单元。

4.1.2独脚拔杆吊的设置与计算
独脚拔杆吊是提升用主要设备，由钢独脚拔杆与卷扬机系统组成。

钢独脚拔杆截面形式为φ299×16，独脚拔杆长度约18.5m。

独脚拔杆设于南北侧16.5m层上，独脚拔杆顶端设缆风绳。

1）独脚拔杆荷载计算
作用于拔杆上的荷载除了吊重外还有索具、起重滑车组引出索的拉力、拔杆自重、缆风绳的初拉力对拔杆的压力等。

为简化计算，按吊重乘以1.2系数考虑。

提升单元重量约为500KN，由四根拔杆提升，考虑不均衡系数1.1，则每点荷载为
P=500/4*1.2*1.1*1.4=231KN
2）截面验算
独脚拔杆截面为Φ299×16mm，L=18.5m；I=142.8*106mm4；W=9.55*105；An=14218mm2；i=100.21mm；
长细比；查表得：
独脚拔杆须验算两个截面：顶部截面和中部截面。

顶部截面
式中A n——钢管拔杆顶端的净截面面积（mm2）；
W n——钢管拔杆顶端的净截面抵抗矩（mm3）；
f——所用钢材的抗弯（抗拉、抗压）强度设计值（N/mm2）；
γ——截面发展系数，直接受动力荷载影响，γ＝1.10；
中部截面
式中N——所计算构件段范围内的轴心压力（N）；
φx——弯矩作用平面内的轴心受压构件稳定系数，根据长细比λx确定；
A——拔杆中部的毛截面面积（mm2）；
βmx——等效弯矩系数，βmx＝1.0；
M x——所计算构件段范围内的最大弯矩（N·mm）；
γx——截面塑性发展系数，γx＝1.0；
W1x——弯矩作用平面内最大受压纤维的毛截面抵抗矩（mm3）；
N Ex——欧拉临界力，（N）；
λx——构件的长细比。

经验算，各截面均满足要求。

4.1.3胎架设置与现场拼装
构件的现场拼装在会展馆11m层楼面上进行，胎架设置在钢桁架安装位置的正下方。

胎架由型钢焊接而成。

杆件由汽车吊由地面单件吊至11m楼面上，再用平板车水平运输到胎架处，采用倒链配合，将各根杆件安装到胎架上，精确定位后焊接组装。

4.1.4构件提升
单元桁架焊接组装完成后，去除桁架与胎架间的临时点焊固定点，经质检部门检查认可后进行提升施工。

独脚拔杆设置在提升单元两端的16.5m层楼面上，吊点设置在桁架的上弦端部。

调整四台独脚拔杆吊吊索松紧程度基本一致。

现场由一人总指挥，四台独脚拔杆吊统一服从指挥。

开动卷扬机，将提升单元缓慢提升，使之脱离胎架20-30cm，停止提升，作一次全面检查，确认一切正常后，开动卷扬机进行提升，注意四台独脚拔杆的同点提升，高差大时，在统一指挥下进行调整，以使整个提升均保持基本水平与同步。

提升到安装标高后，可挂上倒链，以便进行微调，在提升单元与两侧弦杆处于同一标高时，进行焊接固定。

当焊接固定全部完成后，方可松开吊索。

图6。

4.2单元滑移法施工
单元滑移法用于体育馆26-37轴间。

本工程屋盖钢桁架外形复杂，两个方向均为曲线弧形，单单滑移屋盖钢结构是非常困难的。

我们注意到支承钢桁架屋盖的钢管柱其柱脚标高却是相同的，均与16.5m层的钢筋混凝土柱相连。

将钢屋盖连同钢管柱组成的单元，其下部是水平的，可以实现滑移施工。

4.2.1单元划分
26-37轴间共有11榀钢桁架。

将三榀桁架组合成一个滑移单元，共四个滑移单元。

组装胎架位于35-37轴间的16.5m层楼面上，构件垂直运输主要采用37轴东侧，位于网球馆区内的一台C7022行走式塔吊。

4.2.2滑移系统设计
滑移轨道：在B轴、L轴设置两条滑移轨道。

轨道采用25c型槽钢作为滑移轨道，腹板朝下、开口朝上铺设固定在楼层面上。

先对楼层面进行一次测平，采用水泥砂浆找平，然后将槽钢轨道平铺在找平层上。

注意接头平顺，轨道每600mm设一固定点。

滑移支承块：滑移支承块是整个滑移单元的支承点。

滑块在滑动轨道内滑移，实现滑移动作。

滑块为厚钢板焊接而成的矩形体，其底部设置一层厚度为20mm的聚四氟乙烯（PTFE）块体，可以大幅度减少滑动阻力。

每榀桁架下设一滑块，滑动单元两端各设三个滑块。

牵引系统：采用卷扬机牵引。

牵引力的计算：
单元桁架自重：150T
摩擦系数取：0.03（PTFE-钢材表面润滑情况下）
牵引力P=150*0.03=4.5T
4.2.3构件滑移
滑移单元钢桁架组装完成后，进行质量检查验收，经认可后方可进行正式滑移。

先将支承钢桁架的支承点卸载，使整个滑移单元都支承在滑块上，并将胎架垂直杆件割除，以免妨碍滑移。

开动卷扬机，调整至两端牵引索松紧基本一致。

在滑移轨道上每隔10cm做上标记，作为滑移过程中的同步标记。

现场设一名总指挥，在指挥的统一指挥下，开动卷扬机开始滑移，两根轨道各设一人专门负责监视报告滑行位置，当发现两端不一致时，经统一指挥，进行调整，以保证同步向前滑行。

构件滑行至设计位置后，采用千斤顶将支座顶起，取出滑块，使支座直接座落于楼层预埋钢件上，校正确认无误后焊接固定。

4.3 分段吊装施工
会展馆一、四区、体育馆三区，采用分段吊装方案。

会展馆区采用150T履带机跨外吊装，而体育馆则采用行走式塔吊C7022进行吊装。

桁架分段：桁架的分段依据吊装起重量、回转半径以及桁架形式确定。

尽量少分段，接头位置上下弦错开并避开桁架节点位置。

桁架临时支撑：设置在桁架分段位置处，桁架吊起后，作为桁架的临时支撑点，待整个桁架形成完整的体系后拆除。

吊装顺序：会展馆一区、四区，均采用顺序吊装，由1轴向10轴方向吊装；体育馆三区吊装由两侧向中部吊装。

C7022塔吊的拆除：体育馆三区由于采用塔吊吊装，桁架安装完成后塔吊未拆除。

塔吊的解体在整个桁架安装后在屋面以上进行，解体后起重臂、平衡臂、塔身回转部分由汽车吊吊出，塔身标准节采用卷扬机逐节拆出。

5、结语
实践证明，本工程所制订的各项技术方案与措施是合理的，可行的。

本工程的成功实施，为复杂钢结构在环境不利条件下的施工提供了宝贵的借鉴经验。