大跨度钢桁-网架空间结构施工综合技术

大跨度钢桁-网架空间结构施工综合技术
中建三局总承包公司许涛
1、工程概况
武汉新城国际博览中心是一座集会展、科技、商务、文化休闲旅游和居住于一体的多功能复合型国际博览城。

核心区由展馆、会议中心、酒店和写字楼组成。

建筑外环半径362.79m，内环半径130.00m；主展览馆被划分为12个独立的展厅，每个展厅长175.385m，宽72m；总建筑面积45.7万m2, 架空层建筑面积16万m2。

建筑层数为二层：一层高7m，为现浇钢筋混凝土框架结构。

武汉新城国际博览中心展馆工程钢结构主要由钢管柱、夹层梁、钢桁架、钢网架、钢管连接件、檩条、墙架等组成。

下部用钢管柱作为支撑，上部主要用空间桁架搭建组成。

钢结构总用钢量约3万吨。

武汉新城国际博览中心整体鸟瞰图
展馆由南北两侧分布组成，南区展馆以1#-6#六个单体展馆组成，北区展馆以7#-12#六个单体展馆组成，围成一个大圆形。

12个单体展馆钢屋盖部分钢结构为单层折面空间网格结构，拱形屋架支撑的弧形屋面共同构成波状的展馆形式。

其中在结构布置上，1#展馆与7#展馆相同，6#展馆与12#展馆相同，其它2#-5#与8#-11#相同。

单个展馆（标准馆）屋盖结构组成示意图
单个展馆由31根（边馆为39根）钢管柱支撑钢结构屋盖，屋盖由2榀单跨126m 、宽3m 、高约8m 的主桁架（径向桁架）和6榀单跨72m 、宽6m 、高6m 的次桁架（环向桁
架）以及四片网架（内、外、侧网架）组成。

主桁架单榀最大重量达350吨，次桁架单榀最大重量约45吨。

单榀主桁架及其支撑钢管柱示意图
主桁架的结构形式为：上下弦由五根主弦管及其连杆组成，中部结构为焊接球网架结构的钢桁托-网架结构。

主桁架外型尺寸L×B×H=126.0m×3.0m×8.830m，共20榀；每榀径向桁架总重量约为350吨。

支撑于四根钢管混凝土柱上，中间部分净跨度为90米。

此种结构形式与跨度规模为国内少见。

主桁架重量大、跨度大、杆件型号及数量众多，安装时需采取搭设临时支撑体系分段进行吊装。

2、主桁架施工方法
2.1主桁架分段
主桁架根据支撑柱所在位置、其自身的结构形式特点和安装需要，分别将上、下弦桁架（HJ7-1、HJ7-4）各分为七个吊装段。

在现场分别将HJ7-4的每个分段与其上方对应HJ7-3部分及其间连接腹杆安装成下弦吊装单元（HJ7-P1~HJ7-P7），将HJ7-1的每个分段与其下方对应HJ7-2部分及其间连接腹杆安装成上弦吊装单元（HJ7-P8~HJ7-P14）。

先将下弦吊装单元逐段（由内环至外环方向）安装完成，再由外环至内环逐段安装上弦吊装单元并嵌装中部剩余杆件。

主桁架分段编号示意图
HJ7-P1~HJ7-P7分段形式 HJ7-P8~HJ7-P14分段形式
主桁架上下弦吊装单元示意图
2.2主桁架安装流程
以单榀主桁架安装为例说明安装流程。

1、在现场分别将HJ7-4的每个分段与其上方对应HJ7-3部分及其间连接腹杆安装成下弦吊装单元（HJ7-P1~HJ7-P7），将HJ7-1的每个分段与其下方对应HJ7-2部分及其间连接腹杆安装成上弦吊装单元（HJ7-P8~HJ7-P14）。

2、根据主桁架下弦分段吊装单元的实际情况，在径向桁架分段拼接点下方，依次设置安装胎架由内环至外环向将下弦吊装单元逐段安装完成。

3、支撑在安装胎架上再搭设支架，由外环至内环逐段安装上弦吊装单元并嵌装中
部剩余杆件。

主桁架安装流程图：
主桁架安装流程图一
主桁架安装流程图二
主桁架安装流程图三
主桁架安装流程图四
主桁架安装流程图五
主桁架安装流程图六
主桁架安装流程图七
主桁架安装流程图八
2.3安装胎架设计
根据径向桁架下弦分段吊装单元的实际情况，在径向桁架分段拼接点下方，依次设置安装胎架由内环至外环向进行分段吊装，并且每个支撑胎架设置4根缆风绳。

胎架具体分布如下图所示（取一榀径向桁架胎架为例）：
主（径向）桁架安装胎架布置立面示意图
主（径向）桁架安装胎架由支撑胎架一和支撑胎架一两部分组成，具体分布如“主（径向）桁架安装胎架布置立面示意图”所示。

支撑胎架一用于对桁架分段对接处无钢管柱的支撑，由上下两个H 型钢框架与主体支撑桁架三部分组成。

主体支撑桁架由“檩条式栈桥桁架”构成，底部型钢框架放置于7米层楼面。

支撑胎架一用于对位于分段位置或端部处于钢管柱附近的桁架分段两端的支撑。

支撑胎架一同样由上下两个H 型钢框架与主体支撑桁架三部分组成。

主体支撑桁架由“檩条式栈桥桁架”构成，底部型钢框架固定于7米层楼面。

侧向通过连接件与邻近钢管柱相连。

支撑胎架一 支撑胎架二
主（径向）桁架安装胎架轴测图
“檩条式栈桥”桁架示意图
支撑胎架一 支撑胎架二
支撑胎架平面组合尺寸示意图
1-1剖面 2-2剖面支撑胎架立面组合尺寸示意图
支撑胎架工作示意图
在当主（径向）桁架下弦安装完成后，需在支撑胎架顶部作业平台上另行搭设上部安装支架，以继续进行桁架上弦吊装单元及中部杆件的安装。

安装支架设计示意如下（支架主体型钢材料均为HW250×250×9×14热轧H型钢）：
正立面 1-1剖面
上部安装支架立面示意图
正立面 1-1剖面
上部安装支架与主（径向）桁架立面示意图
3、施工模拟计算
3.1计算内容
模拟钢结构施工过程各安装步的结构位移、应力等。

同时，为保证安装过程中结构保持整体稳定，需对典型安装步进行屈曲分析，验算该安装步的屈曲因子。

具体计算内容如下：各安装步上结构位移、应力；各安装步上胎架支撑点位移、应力。

3.2计算说明
1、由于各展馆之间结构上相互独立，且各展馆的安装方法一致，因此，取一标准馆进行施工模拟分析；
2、考虑到实际支撑胎架的刚度是有限的，不宜将胎架整体视为铰支座（铰支座完全约束X、Y、Z三向位移，过于刚化，与实际情况不符），因此，将胎架一并建入模型中，整体考虑，以便较为真实地模拟实际情况。

3、计算软件：计算模拟过程采用有限元结构分析软件MIDAS GEN 7.30；
4、边界条件：结构钢柱柱底视为刚接，结构与胎架接触部位（胎架支撑点）视为铰接；
5、约束条件：结构各构件间连接视为刚接，胎架腹杆与立柱间的连接视为铰接；
6、位制：长度单位为毫米（mm），力的单位为牛（N），应力单位为兆帕（MPa）。

3.3主要施工步骤的模拟计算
建立整体结构模型，分析计算各安装步上的结构位移及应力，并分析位移、应力参数等在整个安装过程中的变化。

安装步1（支撑胎架就位）
安装步1过程中，结构的位移及应力结果如下：
1）x向位移
2）y向位移
3）z向位移
4）组合应力
图1 安装步1位移及应力
根据分析结果，安装步1过程中结构位移及应力结果汇总，见表1 表1 安装步1结构位移及应力汇总
部位
位移（mm）应力（Mpa）Xmin Xmax Ymin Ymax Zmin Zmax σmin σmax
安装步2（桁架下弦分段开始吊装）
安装步2过程中，结构的位移及应力结果如下：
1）x向位移
2）y向位移
3）z向位移
4）组合应力
图2 安装步2位移及应力
根据分析结果，安装步2过程中结构位移及应力结果汇总，见表2 表2 安装步2结构位移及应力汇总
安装步3（桁架下弦分段吊装完成）
安装步3过程中，结构的位移及应力结果如下：
1）x向位移
2）y向位移
2）z向位移
3）
4）组合应力
图3 安装步3位移及应力
根据分析结果，安装步3过程中结构位移及应力结果汇总，见表3 表3 安装步3结构位移及应力汇总
部位
位移（mm）应力（Mpa）Xmin Xmax Ymin Ymax Zmin Zmax σmin σmax
安装步4（桁架上弦分段开始吊装）
安装步4过程中，结构的位移及应力结果如下：
1）x向位移
2）y向位移3）
3）z向位移
4）组合应力
图4 安装步4位移及应力
根据分析结果，安装步4过程中结构位移及应力结果汇总，见表4 表4 安装步4结构位移及应力汇总
部位
位移（mm）应力（Mpa）Xmin Xmax Ymin Ymax Zmin Zmax σmin σmax
安装步5（主桁架桁架吊装完成）
安装步5过程中，结构的位移及应力结果如下：
1）x向位移
2）y向位移
3）z向位移
4）组合应力
图5 安装步5位移及应力
根据分析结果，安装步5过程中结构位移及应力结果汇总，见表5
表5 安装步5结构位移及应力汇总
4、结束语
大跨度空间结构在安装过程中对结构稳定性与安装精度要求较高，本文根据该工程的特点，提出了简单可行的施工控制方法，对该施工过程的难点环节进行了深入的分析计算，为该工程施工操作提供了计算依据和安全保障，为类似工程的施工提供参考资料。