空間曲面異型鋼與型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)關(guān)鍵施工技術(shù)

1、 空間曲面異型-鋼與型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)何琳中鐵二十局集團(tuán)第六工程有限公司 陜西西安710032西咸空港綜合保稅區(qū)事務(wù)服務(wù)辦理中心工程位于陜西省咸陽市渭城區(qū)北杜鎮(zhèn)鄧村村北，西部緊鄰208省道?？偨ㄖ娣e70203，總建筑高度29m。地下一層，地上七層，地下一層為車庫、員工餐廳和設(shè)備用房，地上七層均為辦公用房。地下一層建筑面積為21235，地上建筑面積為48968。工程總造價(jià)5億元。整個(gè)工程鋼結(jié)構(gòu)用鋼量9500噸，鋼筋用量7500噸，鋼材總量1.7萬噸，混凝土總量52000m³。本工程于2012年12月開工，主體結(jié)構(gòu)計(jì)劃于2014年5月1日完工，裝飾裝修及機(jī)電安裝計(jì)劃于201

2、4年11月30日完工。1 結(jié)構(gòu)概況本工程為鋼+型鋼混凝土+鋼筋混凝土混合框架結(jié)構(gòu)，由68條鋼結(jié)構(gòu)球面曲肋和七道型鋼混凝土環(huán)梁組成，整個(gè)建筑形體類似于“飛碟”，外圍輪廓是球面圓形，造型獨(dú)特，結(jié)構(gòu)新穎。該建筑將是西咸空港新城的地標(biāo)，被業(yè)界專家譽(yù)為西北的“鳥巢”，也是國(guó)內(nèi)采用空間鋼結(jié)構(gòu)+型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)的罕有建筑。2 巧妙的“三切一頂”設(shè)計(jì)構(gòu)思本工程體形定位構(gòu)思精巧，極富想象力和創(chuàng)造性。具體定位步驟如下：2.1用平面與球體相切，形成球冠部分。2.2球冠部分與圓柱相切，保留圓柱內(nèi)相切后形成部分，并將圓柱面和球面組成部分倒角。2.3 該部分形體與圓環(huán)相切，刪除圓環(huán)間的體量，該形體被分為兩部分。2.4

3、內(nèi)圓環(huán)球面與圓錐相頂，錐面與球面相接部位倒角，掏去圓錐面部分，即為最終形體。3 工程施工技術(shù)重難點(diǎn)3.1 異型鋼結(jié)構(gòu)制作與安裝復(fù)雜本工程鋼結(jié)構(gòu)主構(gòu)件為十字型勁性柱、箱型勁性柱和H型勁性鋼梁以及日字型球面曲肋，結(jié)構(gòu)與傳力形式復(fù)雜。采用8.4×8.4m矩形軸網(wǎng)布置，地下室155×141m，上部結(jié)構(gòu)造型的特殊性與矩形軸網(wǎng)布置的結(jié)合，使得上部結(jié)構(gòu)需要在地下室頂板進(jìn)行傳力轉(zhuǎn)換。球面曲肋有以下3種組成形式。地下一層共有259根型鋼混凝土柱，型鋼截面類型共計(jì)42種，分為十字形、箱型兩大類，十字形型鋼截面為500×500×300×25mm，箱形型鋼最小截面為5

4、00×500×25mm，最大截面為1600×1200×25mm。箱型型鋼截面有“日”字形、矩形兩大類，“日”字形截面柱在節(jié)點(diǎn)區(qū)域局部變截面為“田”字形。所有伸出±0.000m的型鋼柱截面均轉(zhuǎn)換為十字柱，且向上延伸。球面曲肋曲率各不相同，制作精度控制難度大；跨度大，傾斜角度大，安裝精度控制難度大；焊接作業(yè)量大，焊接要求高，高空焊接施工難度大；型鋼柱、梁與鋼筋砼施工交叉作業(yè)，施工組織難度大；大量的起重機(jī)械交叉作業(yè)，施工安全風(fēng)險(xiǎn)高；整體結(jié)構(gòu)面積大，層數(shù)少，大型起重設(shè)備需在地下室頂板上進(jìn)行吊裝作業(yè)，頂板支頂措施復(fù)雜；構(gòu)件傾斜角度大，且為曲面，定位測(cè)量控

5、制難度大；構(gòu)件種類多，唯一性高。3.2型鋼混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)施工復(fù)雜本工程為鋼與型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)形式，有大量的型鋼混凝土柱、梁構(gòu)件，鋼筋與型鋼的縱橫交錯(cuò)使得梁柱節(jié)點(diǎn)施工變得異常復(fù)雜，梁上、下部縱向鋼筋伸至十字柱、箱型柱翼緣及腹板處，連接形式各不相同，縱橫梁鋼筋交錯(cuò)，鋼筋與型鋼連接精確定位難。3.3無后澆帶超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)裂縫控制施工難度大地下室南北長(zhǎng)155m，東西長(zhǎng)141m。鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的伸縮縫最大間距為55m，地下室長(zhǎng)寬兩個(gè)方向均超過了規(guī)范中設(shè)置永久性縫的規(guī)定，屬超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)。地下室頂板存在兩道環(huán)形型鋼梁與異型交叉型鋼梁，縱橫交錯(cuò)，不便留置后澆帶，且后續(xù)地上部分鋼結(jié)構(gòu)吊裝時(shí)，大型起重設(shè)備需在地

6、下室頂板上進(jìn)行吊裝作業(yè)，若通過后澆帶將對(duì)結(jié)構(gòu)安全性造成極大隱患。因此，如何有效控制無后澆帶超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)裂縫是本工程的難點(diǎn)。3.4結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)工況復(fù)雜 本工程結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，傳力路徑多變，豎向支撐體系采用型鋼混凝土柱，球面曲肋通過型鋼拉梁與型鋼混凝土柱剛接。而鋼結(jié)構(gòu)施工過程中，豎向支撐體系及水平約束構(gòu)件并未成型，型鋼混凝土柱、梁只有內(nèi)部的型鋼參與受力。球面曲肋直接通過型鋼柱、梁將所受內(nèi)力傳遞至地下室頂板，結(jié)構(gòu)存在不穩(wěn)定性。因此，在鋼結(jié)構(gòu)施工過程中，需要在特定的階段（吊裝、合攏及逐步加載）和特殊氣候條件（高溫和低溫）下，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)，全面掌握施工過程中的實(shí)際受力狀態(tài)，與設(shè)計(jì)受力狀態(tài)進(jìn)

7、行實(shí)時(shí)比較，確保施工過程中的結(jié)構(gòu)安全。4 解決方法本工程運(yùn)用BIM技術(shù)根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙對(duì)鋼結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行三維建模，在可視化的三維模型中，將所有鋼構(gòu)件進(jìn)行拆解、分段，并逐一編號(hào)，經(jīng)反復(fù)校核后，下料加工。安裝時(shí)，先安裝地下室型鋼柱構(gòu)件，待校核無誤后，安裝地下室頂板型鋼梁，型鋼梁、柱采用栓焊連接方式。安裝完成后，施工地下室柱、梁板鋼筋混凝土。地下室頂板混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，開始安裝地上鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，先安裝地上型鋼柱，再安裝柱間型鋼梁，完成后，安裝球面曲肋豎直段部分，最后安裝球面曲肋，每榀球面曲肋安裝采用兩臺(tái)吊車抬吊方式進(jìn)行。采用BIM技術(shù)對(duì)鋼筋與型鋼構(gòu)件的碰撞點(diǎn)進(jìn)行檢查，在可視化三維模型中，對(duì)每個(gè)碰撞點(diǎn)

8、均進(jìn)行模擬，分析每個(gè)碰撞點(diǎn)的情況，調(diào)整鋼筋與連接板的位置及型鋼柱腹板穿孔位置，精確定位后，在加工廠進(jìn)行連接板與構(gòu)件的定位焊接及腹板打孔。確保了鋼筋與型鋼的準(zhǔn)確連接，有效解決了鋼筋與型鋼交叉碰撞，連接困難等問題。超長(zhǎng)無縫混凝土施工技術(shù)是以補(bǔ)償收縮混凝土為結(jié)構(gòu)材料, 以加強(qiáng)帶取代后澆帶進(jìn)行連續(xù)澆筑的施工方法。利用補(bǔ)償收縮混凝土在硬化過程中產(chǎn)生的膨脹作用和鋼筋的鄰位約束, 在結(jié)構(gòu)中建立少量預(yù)壓應(yīng)力, 通過調(diào)整混凝土中膨脹劑摻量使不同區(qū)段獲得不同的預(yù)壓應(yīng)力, 以此來補(bǔ)償混凝土在硬化過程中因溫差和干縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力, 從而防止裂縫出現(xiàn), 起到抗?jié)B、防水的作用。使用這種方法可連續(xù)澆筑100200 m超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)。在球面曲肋吊裝過程中，選取曲肋低端部分南北兩個(gè)側(cè)面、高端部分兩個(gè)側(cè)面、曲肋跨中上表面為監(jiān)測(cè)點(diǎn)，布置6個(gè)應(yīng)力應(yīng)變傳感器。應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)采用振弦式傳感器，如圖3.1所示。 從整個(gè)應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果得出，球面曲肋吊裝完成后，北側(cè)肋梁低端往北傾斜，南側(cè)高端往南傾斜。該監(jiān)測(cè)結(jié)果與有限元分析相吻合。目前，在集團(tuán)公司的大力支持下，經(jīng)過有關(guān)各方的通力協(xié)作和專家指導(dǎo)幫助，項(xiàng)目已經(jīng)順利