大跨度空間鋼結構綜合安裝技術

/大跨度空間鋼結構綜合安裝技術魏成權廣東省工業(yè)設備安裝公司廣州510080摘要：從上世紀末以來，隨著我國經(jīng)濟建設的蓬勃發(fā)展，建筑設計和施工技術的進步，鋼材冶煉技術的大幅度提高，大跨度空間鋼結構因其具有其它結構無可比擬的優(yōu)越性，在大型體育場館、會展中心、候機廳、會堂、劇院、機庫等大型公共建筑及不同類型的工業(yè)建筑獲得了廣泛應用。本文介紹了大跨度空間鋼結構的常用幾種安裝方法。1、大跨空間鋼結構簡介1.1大跨空間鋼結構的分類通常將空間結構按形式分為五大類，即薄殼結構(包括折板結構)、網(wǎng)架結構、網(wǎng)殼結構、懸索結構和膜結構，稱為五大空間結構。其中，膜結構可分為充氣膜結構和支承膜結構，前者又可分為氣囊式膜結構(囊中氣壓為3～7個大氣壓，稱高壓體系)和氣承式膜結構(膜內氣壓1．003個大氣壓左右，稱低壓體系)，后者又可分為剛性支承膜結構(支承在剛度較大的如拱、梁、桁架、網(wǎng)架等支承結構上，又稱骨架式膜結構)和柔性支撐膜結構(支承在脊索、谷索、邊索、桅桿等柔度較大的支承結構上，又稱張拉式膜結構)。在五大空間結構的基礎上，平板型的網(wǎng)架結構和曲面型的網(wǎng)殼結構可合并總稱為網(wǎng)格結構(新的《土木工程名詞》已經(jīng)正式舉薦接受“空間構架”這一名詞，相當于英文的SpaceFrame，這里仍依據(jù)習慣稱為網(wǎng)格結構)；而懸索結構和膜結構也可合并總稱為張拉結構。1.2大跨空間鋼結構的優(yōu)點（1）鋼材塑性韌性好。結構塑性好，使鋼結構一般不會因為偶然超載或局部超載而突然斷裂破壞。韌性好，則使鋼結構對動力荷載的適應性較強，抗震性能好。（2）鋼結構的重量輕。鋼結構的容重雖然較大，單和其它建筑材料相比，它的強度卻高很多，因而當承受的荷載和條件相同時，鋼結構要比其它結構輕，便于運輸和安裝，并可跨越更大的跨度。重量輕，可減輕基礎的負荷，降低地基基礎部分的造價，加快基礎施工進度。重量輕，同時便利運輸和吊裝。（3）鋼材更接近于勻質和各向同性體。鋼材的內部組織比較勻整，特殊接近勻質和各向同性體，在確定的應力幅度內幾乎是完全彈性的。這些性能和力學計算中的假定比較符合，所以鋼結構的計算結果較符合實際的受力狀況。（4）鋼結構制造簡便，易于接受工業(yè)化生產(chǎn)，施工安裝周期短。大量的鋼結構都在專業(yè)化的金屬結構制造廠中制造；精確度高。制成的構件運到現(xiàn)場拼裝，接受螺栓連接，且結構輕，故施工便利，施工周期短。此外，已建成的鋼結構也易于拆卸、加固或改造。（5）健康環(huán)保。干作業(yè)施工，削減廢棄物對環(huán)境造成的污染，房屋鋼結構材料可100%回收，其他配套材料也可大部分回收，符合當前環(huán)保意識。全部材料為綠色建材，滿足生態(tài)環(huán)境要求，有利于健康，實現(xiàn)建筑綠色無污染。2、大跨度鋼結構主要施工技術現(xiàn)代大跨度空間結構，體系越來越新穎 ，型式越來越困難、規(guī)模越來越大，對施工技術也提出了越來越高的要求。對一個空間鋼結構而言，往往有多種可供選擇的施工方法，每一種施工方法都有其自身的特點和不同的適用范圍。2.1高空散裝法在鋼結構安裝位置搭設臨時支撐架，將結構的全部桿件和節(jié)點（或小拼單元）干脆在高空設計位置總拼成整體，然后拆除臨時支撐架的安裝方法稱為高空散裝法。高空散裝法分為全支架法（即滿堂腳手架）和懸挑法兩種。全支架法多用于散件拼裝，而懸挑法則多用于小拼單元在高空總拼。該施工方法高空作業(yè)量大，須要大量的支架材料和設備。2.2分條（分塊）安裝法分條（分塊）安裝法又稱小片安裝法，是指依據(jù)結構形式從平面分割成若干條狀或塊狀單元，安裝時先在臨時支撐點位置安裝支撐架，同時在地面進行條狀或塊狀單元的組裝，然后分別用起重機械吊裝至高空設計位置，再連成接各單元塊之間桿件直至拼裝成整體，最終拆除時時支撐架。該方法由于條（塊）狀單元大部分在地面焊接、拼裝，高空作業(yè)少，有利于限制質量，并可省去大量的拼裝支架。其次，由于單元塊的重量和現(xiàn)場現(xiàn)有的起重設備相適應，可利用現(xiàn)有的起重設備吊裝網(wǎng)架，有利于節(jié)約成本。2.3高空滑移法將結構按條狀單元分割，然后把這些條狀單元在建筑物預先鋪設的滑移軌道上由一端滑移到另一端，就位后總拼成整體的方法稱為高空滑移法?；栖壍揽梢允侵本€的，也可以為弧線的。高空滑移法按其滑移形式可分下列兩種方法：（1）單條滑移法將條狀單元一條一條地分別從一端滑移到另一端就位安裝，各條單元之間分別在高空再連接。即逐條滑移，逐條連成整體。（2）逐條累計滑移法先將條狀單元滑移一段距離后（能連接上其次條單元的寬度即可），連接上其次條單元后，兩條單元一起再滑移一段距離（寬度同上），再接第三條，三條又一起滑移一段距離……如此循環(huán)操作直至接上最終一條單元為止。高空滑移法的主要優(yōu)點是：①鋼結構的滑移可和其他土建工程平行作業(yè)，而使總工期縮短。②端部拼裝支架可以利用已建的建筑物，以便空出更多的空間給其他工程平行作業(yè)，假如沒有現(xiàn)成的支架，可以在一端設置寬度約大于兩個節(jié)間的拼裝平臺，條狀單元在地面拼裝后用起重機吊裝到拼裝平臺，然后進行滑移。③設備簡潔、成本低，不需大型起重設備，特殊在場地狹小或跨越其他結構而使起重機等無法進入的狀況下更為合適。2.4整體吊裝法整體吊裝法是指將結構在地面總拼成整體，用起重設備將其吊裝至設計標高并固定的方法。用整體吊裝法安裝空間鋼結構時，可以就地和柱錯位總拼或在場外總拼，此法一般適用于焊接連接網(wǎng)架，因此地面總拼易于保證焊接質量和幾何尺寸的精確性。其缺點是須要大型的起重設備，且對停機點的地耐力要求較高，同時會影響土建的施工作業(yè)。2.5整體提升法整體提升法是將結構在地面整體拼裝后，起重設備設于結構上方，通過吊桿將結構提升至設計位置的施工方法。這種施工方法利用小機（如升板機、液壓滑模千斤頂?shù)龋┤喊惭b大型鋼結構，使吊裝成本降低。其次是提升設備實力較大，提升時可將屋面板、防水層、采暖通風及電氣設備等全部在地面施工后，然后再提升到設計標高，從而大大節(jié)約施工費用。2.6整體頂升法整體頂升法是利用柱作為滑道，將千斤頂安裝在結構各支點的下面，逐步地把結構頂升到設計位置的施工方法。整體頂升法和整體提升法類似，區(qū)分在于提升設備的位置不同，前者位于結構支點的下面，后者則位于上面，兩者的作用原理相反。2.7折疊綻開安裝法該方法把一個穹頂看作由徑向的拱繞豎向中軸旋轉一周而成。因此穹頂?shù)牧Ⅲw空間作用可以分解為徑向拱的作用和環(huán)向箍作用的疊加。對于桿件組成的網(wǎng)格狀網(wǎng)殼來說，去掉部分的環(huán)向作用就是去掉一部分環(huán)向桿。這樣穹頂結構就可以產(chǎn)生1個豎向的、且唯一的自由度。利用穹頂臨時具有的自由度，就可以把穹頂折疊起來，在接近地面的高度進行安裝。然后利用液壓頂升和氣壓等方式把折疊的穹頂沿其僅有的一維自由度方向頂升到設計高度，完成穹頂?shù)氖┕み^程。也可以接受液壓提升的方式提升到設計高度，完成安裝。3、典型施工實例3.1高空散裝法—深圳大運中心主體育場鋼屋蓋安裝內圈外圈立面圖1深圳大運中心主體育場鋼結構鋼結構簡圖深圳世界高校生運動會主體育場位于深圳市龍崗區(qū)體育新城，總建筑面積約13萬平方米，擁有6萬個觀眾坐席。主體育場接受了內設張拉膜的鋼屋蓋體系，鋼結構形式為單層折面空間網(wǎng)格結構，平面形態(tài)為285m×270m橢圓形，最高點的高度為44.1m，在不同的區(qū)域懸挑長度分別為51.9m內圈外圈立面圖1深圳大運中心主體育場鋼結構鋼結構簡圖鋼屋蓋分為立面、馬鞍形外圈、內圈三個部分，由20個形態(tài)相近的結構單元呈雙軸對稱分布構成。外圈的高差為12m，內圈的高差為8.6m。在結構的支座、背峰、背谷、肩峰、肩谷、冠谷位置接受了鑄鋼節(jié)點，共120個，鑄鋼節(jié)點單件最重約90t，總重4000t。結構的主桿件直徑為Φ700mm～Φ1400mm，壁厚為12mm～140mm；次桿件為焊接箱形截面桿件。鋼屋蓋鑄鋼件接受GS-20Mn5；焊接管接受Q390B、Q390GJ-C；次桿件接受Q345B。圖2深圳大運中心主體育場鋼結構安裝過程a.A1/B1單元內環(huán)同時起先安裝c.安裝A7/B7立面結構b.安裝A1/B1單元立面結構d.鋼結構安裝完成單層折面空間網(wǎng)格結構具有支撐少、單位面積用鋼量少，但超靜定次數(shù)低、傳力路徑困難圖2深圳大運中心主體育場鋼結構安裝過程a.A1/B1單元內環(huán)同時起先安裝c.安裝A7/B7立面結構b.安裝A1/B1單元立面結構d.鋼結構安裝完成3.2分條（分塊）安裝法—深圳灣體育中心鋼屋蓋安裝深圳灣體育中心位于南山后海中心區(qū)東北角、深圳灣15公里濱海休閑帶中段，毗鄰香港，是2011年第26屆世界高校生夏季運動會的主要分會場,也是深圳將來的重點城市景觀和公共活動空間。整個項目占地約30.74公頃，總建筑面積達25.6萬平方米，建成后將成為深圳市的又一座標記性建筑。深圳灣體育中心在設計上也是體育建筑的一大創(chuàng)新，名為“春繭”的獨特設計通過用白色巨型網(wǎng)架結構做成的大屋面將“一場兩館”和商業(yè)設施進行建筑空間一體化的整合。深圳灣體育中心為空間大跨度結構，屋面投影長530m，寬240m，總用鋼量約2萬噸。其中體育場用鋼量約為1.2萬噸，構件形式為箱型彎扭構件，局部困難節(jié)點接受鑄鋼件。體育場鋼屋蓋接受分塊安裝法。圖3深圳灣體育中心吊裝全景圖3深圳灣體育中心吊裝全景（1）分區(qū)滑移法—圖1.11穹頂折疊綻開頂升施工圖1.11穹頂折疊綻開頂升施工圖4廣州國際會展張弦桁架實景圖廣州國際會議展覽中心位于廣州市東南部琶洲島，是集會議、展覽、商務洽談等多功能于一體并兼具展示、演示、表演、宴會、新聞發(fā)布以及大型集會、慶典功能的特大型公共建筑。主展廳屋蓋接受由30榀特大跨度張弦桁架通過幫助桁架、檁條和平面支撐連接而成的大跨度困難形體鋼結構。每榀桁架跨度126.6m，重約135t，間距15m圖4廣州國際會展張弦桁架實景圖圖5廣州國際會展鋼屋蓋滑移示意圖經(jīng)過探討和分析,實行“張弦桁架地面組合，空間節(jié)間跨端組裝，區(qū)段整體平移到位”的施工方案。即在展廳的東西兩側，緊鄰結構的30m內，搭設張拉桁架的組拼胎架(每側兩組)；張弦桁架在胎架上將分段組拼成整體，胎架正上方設有布置鋼索的通道，使張弦桁架形成承力構件；然后由四臺塔吊將整榀張弦桁架抬吊至和混凝土結構頂齊平的滑移軌道上；再由300t履帶起重機將兩榀桁架之間的檁條系統(tǒng)安裝完成，形成完整的節(jié)間；在慢慢平移安裝過程中，進而形成一個區(qū)間；最終接受計算機機限制的液壓同步牽引系統(tǒng)將分區(qū)鋼結構滑移到位。這一方案無需大量的承重支架，完全避開了混凝土結構的加固，而且使絕大部分作業(yè)在地面完成，有利于平安、質量和進度的圖5廣州國際會展鋼屋蓋滑移示意圖（2）直線累積滑移法—深圳大運中心游泳館鋼屋蓋安裝圖6深圳大運中心游泳館效果圖深圳大運中心游泳館鋼屋蓋結構為空間單層折面網(wǎng)格結構，總用鋼量約4300t。鋼結構屋蓋坐落在標高4.5m圖6深圳大運中心游泳館效果圖圖7深圳大運中心游泳館鋼屋蓋滑移分段本工程鋼屋蓋接受高空定點拼裝、累積直線滑移的方法，即在端部搭設拼裝平臺進行高空散裝，分七個拼裝單元，沿縱向整體液壓同步累積滑移，共滑移六次圖7深圳大運中心游泳館鋼屋蓋滑移分段（3）旋轉累積滑移法—深圳大運中心主體育館鋼屋蓋安裝圖8深圳大運中心主體育館鋼屋蓋效果圖深圳高校生運動會主體育館鋼屋蓋為單層折面型空間網(wǎng)格鋼屋蓋結構，支撐在標高為3.740m離中心半徑為72m的16個球鉸支座上。鋼屋蓋最高點標高為36.140m。鋼屋蓋平面形態(tài)為圓形，最大平面尺寸半徑為圖8深圳大運中心主體育館鋼屋蓋效果圖m)第七單元拼裝n)第七次滑移o)第八單元拼裝圖9深圳大運中心主體育館鋼屋蓋旋轉滑移施工流程圖a)第一單元拼裝b)第一次滑移c)其次單元拼裝d)其次次滑移e)第三單元拼裝f)第三次滑移g)第四單元拼裝m)第七單元拼裝n)第七次滑移o)第八單元拼裝圖9深圳大運中心主體育館鋼屋蓋旋轉滑移施工流程圖a)第一單元拼裝b)第一次滑移c)其次單元拼裝d)其次次滑移e)第三單元拼裝f)第三次滑移g)第四單元拼裝h)第四次滑移第五單元拼裝j)第五次滑移k)第六單元拼裝l)第六次滑移3.4整體吊裝法—浦東國際機場航站樓鋼屋蓋安裝圖10浦東機場航站樓斷面圖上海浦東國際機場程由主樓(R2)、高架進廳(R1)和登機長廊(R4)部分共4跨組成，總面積約16萬平方米，鋼結構總重達3萬多噸。12m以上部分均為大空間，全部接受鋼結構，屋蓋跨越結構接受預應力張弦梁。主樓和高架進廳為連續(xù)3跨，跨度由東向兩分別為48m、80m和42m，縱向長度411.6m。該結構獨特，造型新穎 ，外形猶如展翅欲飛的巨型海鷗。屋蓋下弦為高強鋼索，梭子刑鋼屋架凹凸擱置，低端支承在混凝|十框架人梁上，高端通過托架梁支承在呈傾斜狀態(tài)的鋼柱上。登機K廊跨度52m、縱向長度1383.6m，鋼屋架通過托架梁支承在兩側標高不同的傾斜鋼柱上。鋼結構有斜鋼柱、托梁架、支撐及鋼索等組成，軸線縱向間距18m，間距15m/3m，屋架間距9m圖10浦東機場航站樓斷面圖該工程實行了“屋架節(jié)間地面拼裝，柱梁屋蓋跨端組合，區(qū)段整體縱向移位”、“登機長廊地面組裝，四機抬吊，高位負荷，遠程吊運”的施工方案。3.5整體提升法—國家圖書館二期鋼結構安裝國家圖書館二期工程暨國家數(shù)字圖書館工程主樓和地下車庫兩部分組成，主樓結構由地下三層和地上五層組成。該建筑基礎底板標高－13.6m，鋼結構屋面結構標高＋26.19m。主體三層以下接受鋼筋混凝土框架－筒體結構體系形成基座區(qū)，基座區(qū)長120m，寬90m。三層以上接受巨型鋼桁架結構體系由36根鋼柱承受其重量，外形尺寸116m×106m。南北向設有6榀巨型鋼桁架，東西向設有4榀支撐桁架。鋼桁架及主梁均接受箱型截面，桁架長116m，高10.04m,最重單榀桁架1100t,總工程量約13500t。圖11國家圖書館二期鋼結構整體提升實景結合本工程鋼結構特點和通過對常規(guī)鋼結構安裝方法在本工程運用不利因素的分析，考慮到安裝方案的可行性、平安性、經(jīng)濟性和施工工期。為保證鋼結構整體安裝質量和精度，本工程總體施工方案接受逆作法施工，鋼結構接受“地面拼裝，整體提升”的施工方案。工程總體施工方案接受逆作法施工，屋頂區(qū)鋼桁架結構地面原位拼裝完成后，再進行土方開挖、基礎結構施工。屋頂鋼結構主要鋼結構地面拼裝，剩余構件在整體提升完畢以后穿插散拼，最終確定整體提升重量約為10388噸。圖11國家圖書館二期鋼結構整體提升實景3.6整體頂升法—武漢體育中心二期主體育館屋蓋安裝武漢體育中心二期主體育館為雙層扁平張弦網(wǎng)殼，其下弦桿件及球節(jié)點是在橢圓拋物面的曲而上，下弦節(jié)點是由下弦節(jié)點向上平移3m形成的曲面，尾蓋水平投影為橢圓，橢圓長軸長165m，短軸長145m，網(wǎng)殼最大長軸方向凈跨度135m.短軸最大凈跨度115m，整個體育館水平投影面積約2萬平方米。為了平衡屏蓋下?lián)蠈Νh(huán)梁基礎的水平推力，在網(wǎng)殼下部設計三道環(huán)索、三道徑向索，通過過對鋼索進行預應力張拉，達到平衡屋蓋下?lián)蠈A的水平分力，同時確保屋蓋的拱度。圖12武漢體育中心二期主體育館實行了中心區(qū)域網(wǎng)殼整體頂升、空中懸停接長、外圍滿堂腳手架、高空合攏的綜合技術。施工時頂升支架隨網(wǎng)殼上升，最終頂上升度達32m，網(wǎng)殼初始頂升面積為54m×84m，最終擴展為91m×101m，重量由初始400t，到最終700t。這種施工方法有效地削減了腳手架用量，由于在中心看臺區(qū)域整體頂升，也為其他專業(yè)施工供應了作業(yè)空間，還為困難圖12武漢體育中心二期主體育館3.7折疊綻開安裝法—澳門大型多功能體育館主桁架安裝澳門大型多功能體育館位于澳門特殊行政區(qū)路氹填海區(qū)。場館主結構為半橢球型鋼結構屋蓋，屋蓋綻開面積4.36萬平方米,在水平面投影橢圓長軸為32